第二章计算机组成原理-2.3

2.3PC机的主机2.3.1

主板、芯片组与BIOS

2.3.2内存储器2.3.3I/O总线和I/O接口

PC机的物理组成-机箱、显示器、键盘、鼠标器等

机箱内包含-主板、硬盘、软驱、光驱、电源、风扇等

主板上安装

CPU、芯片组、内存条、总线插槽、I/O控制器、I/O端口、扩充卡等部件台式机台式PC机(立式)的主机箱扩展空间PC机的物理结构

键盘

鼠标器

打印机

显示器

话筒音箱

网线

I/O总线

I/O接口硬盘，光驱

I/O设备

主板

I/O设备

I/O适配器

（扩充卡）

机箱插座

板卡插座

I/O控制器

PCI总线插槽

内存主板插槽

机箱

芯片组

IDE接口

CPU2.3.1

主板、芯片组与BIOS1、主板（母板）“Mainboard”或“Motherboard”，简称M/BPC机主板示意图处理器

I/O接口软驱、光驱、硬盘连接器存储器插座电源连接器总线插槽/扩充卡插槽CPU插座芯片组1芯片组2ROMBIOSCMOS存储器显卡插槽华硕P4T主板实物照片超链内存条CMOS芯片

软驱、硬盘IDE连接器PCI总线插槽CPU插座内存条插座

I/O端口

BIOSCMOS芯片

芯片组

芯片组

电池

AGP总线插槽电源连接器BIOS芯片扩充卡及其与主板的关系

扩充卡(适配器或控制器)

图形卡声音卡视频卡等扩充卡与主板及外部设备连接通过主板上的总线插槽与主板相连，有端口用于连接显示器等外部设备。许多扩充卡的功能可以部分或全部集成在主板上(例如，串行口、并行口、声音、网卡等控制电路都可以集成在主板上)。显示卡2、芯片组（Chipset）集中了主板上几乎所有的控制功能，把以前复杂的控制电路和元件最大限度地集成在几个芯片内，是构成主板电路的核心。一定意义上讲，它决定了主板的级别和档次。是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽。芯片组的作用yALU寄存器组CPU总线接口R6CPU(前端)总线I/O总线主板扩展槽PCI接口南桥芯片I/O总线寄存器组运算器中央处理器指令计数器指令寄存器控制器磁盘控制器以太网卡USB控制器和接口鼠标器键盘网线disk声卡视频卡光驱主存储器0A北桥芯片y存储器总线显卡CPUCPU前端总线(400/533MHz)82865PMCH显示卡接口双通道82801EICHUSB2.0接口(x8)以太网接口PCI插槽(x6)PCI-E插槽(3.2GB/s~4.3GB/s)内存条(2.1GB/s)BIOS&CMOS硬盘接口(x2)6声道音频接口、电话ModemI/O总线(133MB/s)存储器总线内存条千兆以太网接口（267MB/s）SuperI/O键盘、鼠标、软驱、并口、串口等

电源管理、时钟生成北桥芯片南桥芯片Intel865P芯片组逻辑结构北桥芯片南桥芯片芯片组的作用：是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽北桥芯片：

1.存储器控制功能；

2.连接CPU、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽南桥芯片：

1.多种I/O设备的控制功能；

2.I/O总线(PCI总线)功能；

3.提供了各种I/O接口。关于芯片组的一些说明芯片组与CPU芯片同步发展，有什么样功能和速度的CPU，就有什么样的芯片组与之配套CPU类型或参数不同时，需要配备不同的芯片组CPU的系统时钟及各种与其同步的时钟均由芯片组提供由于集成电路集成度越来越高，为降低系统成本，芯片组中集成了越来越多的功能，包括网卡、显卡、声卡等功能

芯片组产品：

Intel芯片（如865、915、945、955、975系列等）

VIA（威盛，中国台湾）

nVIDIA（美国）

ATI（加拿大）

AMD（美国）2.3.3I/O总线、I/O控制

与I/O接口I/O操作

输入的任务：

将输入设备输入的信息送入主存储器的指定区域输出的任务：

将主存储器指定区域的内容送出到输出设备。

I/O操作也包括将外存储器的内容传输到内存，或将内存中的内容传输到外存储器I/O操作的特点：I/O操作与CPU的数据处理操作可并行进行多个I/O设备能同时进行工作配置的I/O设备数量、品种可经常增减和更新每类I/O设备都有各自的控制器，它们按照CPU的I/O操作命令，独立地控制I/O操作的全过程I/O设备的种类繁多，性能各异，操作控制的复杂程度相差很大，与计算机主机连接的I/O接口也各不相同

I/O总线、I/O控制器、I/O接口与I/O设备的连接方式

键盘

鼠标器

打印机

显示器

话筒音箱

网线

I/O总线I/O接口硬盘，光驱

主板

I/O设备I/O设备

）

机箱插座I/O适配器（扩充卡板卡插座

I/O控制器

PCI总线插槽内存主板插槽

机箱

芯片组

IDE接口

CPUI/O控制器：每个（类）I/O设备都有各自专用的控制器，接收

CPU启动I/O操作的命令后，独立地控制I/O操作的全过程，直到I/O操作完成，最后再通知CPU。

I/O控制器是一组电子线路，不同设备的I/O控制器结构、功能、复杂程度均不同。

I/O控制器

键盘、鼠标器等的I/O控制器较简单，集成在主板的芯片内；音频、视频等设备的I/O控制器较复杂，制作成适配卡（扩充卡或控制卡），插在主板的PCI扩充槽内，如：显卡等。I/O操作过程CPU执行I/O指令向I/O控制器发出启动命令I/O控制器接受命令后负责对I/O设备进行全程控制I/O控制器向I/O设备发出操作命令并收到应答后就向DMA控制器（芯片组内部）发出数据传输的请求获得DMA许可后，DMA启动并控制I/O设备在内存储器和I/O设备之间直接传输数据。所有数据传输完毕后，I/O控制器向CPU报告I/O操作完成。I/O操作过程（补充）I/O操作中若干控制部件的作用CPU

负责启动I/O操作I/O控制器

负责在I/O操作期间对I/O设备进行全程控制DMA控制器（DirectMemoryAccess）

DMA:直接存储器访问负责实现I/O设备与主存储器之间的直接数据传输的控制中断控制器

负责向CPU报告I/O操作完成的情况，实现CPU处理与I/O操作之间的同步与通信I/O操作是由许多部件协同完成的关于总线总线的定义：用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息的一个共享的信息传输通路及其控制部件。总线的特点：

1、共享；2、高速总线的性能：数据线宽度；总线工作频率；传输次数总线带宽＝(数据线宽度/8)×

总线工作频率×

每个总线周期的传输次数总线的类型：CPU总线存储器总线I/O总线关于I/O总线I/O总线是各类I/O控制器与CPU、内存之间传输数据的一组公用信号线，这些信号线在物理上与主板扩展槽中插入的扩展卡（I/O控制器）直接连接。目前PC机使用的I/O总线PCI总线AGP总线PCI-Express(高速PCI总线)PCI总线扩展槽AGP总线扩展槽I/O总线的标准总线名称推出时间工作频率（MHz）传输率（MB/S）数据宽度（位）带外设能力特点PCI199133133/26632/6410PCI总线独立于CPU，支持Intel80X86及PowerPC，为新一代标准，并行总线AGP1996662.1GB/S32随三维图形的应用而发展起来在图形卡与内存间提供了一条直接的访问途径,并行总线PCI-E1998400/700250(x2)2.5GB/S1~32PCI-Exprress,串行总线（图形显卡接口），采用上行与下行双向传输PC总线19814.7718PC机扩充总线，CPU与总线时钟频率同步，速度低，已淘汰ISA198588168CPU与总线时钟分离，用于IBM-AT机主板，已被淘汰MCA19871040328CPU总线宽度为16/32EISA198883316/326与ISA兼容，CPU与内存数据宽度为32，与外设宽度为16VESA19923313216/323数据传输速度快，总线局限于Intel386、486系列PCI-E包括x1、x4、x8、x16规格，分别包含1、4、8、16个传输通道每个通道的数据传输速率为250MB/S2.0版本为500MB/S，3.0版本将达到1GB/SPCI-E支持高级电源管理和热插拔大多数芯片组生产厂商在北桥芯片中添加了对PCI-Ex16的支持，在南桥芯片中添加了对PCI-Ex1的支持I/O总线上的信号类别数据信号、地址信号、控制信号I/O总线上线路类别数据线、地址线、控制线总线控制器包含在主板的芯片组内，协调与管理I/O总线操作I/O接口I/O设备与I/O控制器之间的连接器包括：插头/插座的形式、通讯规程和电气特性等

不同的设备对应不同的接口

I/O接口分类从数据传输方式来分：

串行（一次只传输1位）：COM1,COM2并行（8位、16位、32位一起进行传输）：LTP1从数据传输速率来分：

高速低速从是否能连接多个设备来分：

总线式（可连接多个设备，被多个设备共享）独占式（只能连接1个设备）从是否符合标准来分：

标准接口（通用），例如USB专用接口（专用），例如VIDEO视频口串行端口并行端口视频口麦克风音箱键盘接口并行口USB网络接口串行口鼠标接口串行口9针并行口视频口键盘接口网络接口PS/2接口键盘/鼠标串行口25针台式PC机箱背板照片键盘接口鼠标接口串行接口电源接口打印机(并行)接口(游戏)操纵杆接口显示器接口扬声器接口麦克风接口电话线/MODEM接口常用I/O接口名称数据传输方式数据传输速率标准插头/插座形式可连接的设备数目通常连接的设备串行口串行,双向50～19200b/sEIA-232或EIA-422DB25F或DB9F1鼠标器，MODEM并行口(增强式)并行,双向1.5MB/sIEEE1284DB25M1打印机，扫描仪USB（1.1）串行,双向1.5MB/s

USBA最多127鼠标器，数码相机，移动盘，扫描仪等USB（2.0）串行,双向60MB/s

USBA最多127外接硬盘，数字视频设备等高速设备IEEE1394aIEEE1394b串行,双向12.5,25,50MB/s最高400MB/sFireWire(i.Link)

最多63数字视频设备SATA

串行,双向150MB/s300MB/sSATA1.0SATA2.07针插头座1硬盘显示器输出接口并行,单向

VGAHDB151显示器IDE并行双向

66MB/s,100MB/s,133MB/sUltraATA/66

E-IDE1~4硬盘、光驱、软驱PS/2接口串行,单向

1键盘或鼠标器红外线接口(IrDA)串行,双向

红外线数据协会不需要1键盘，鼠标器，打印机等200~500MB/sSCSI5,10,20,40,80或160MB/sSCSI-2SCSI-3UltraSCSIC50F最多7或15硬盘，扫描仪，光驱，磁带机并行,双向常用I/O接口——VGA关于USB接口通用串行总线式接口（UniversalSerialBus）高速、可连接多个设备、串行传输传输速率：

USB的1.0版：1.5Mb/s（慢速）

USB的1.1版：1.5MB/s（全速）

USB的2.0版：高达480Mb/s（60MB/s）USB是总线?是接口?使用4线连接器，体积小，符合即插即用规范（Plug&Play,即PnP），支持热插拔；使用“USB集线器”扩展机器的USB接口，最多连接127个设备；可通过USB接口由主机向外设提供电源（＋5V，100～500mA）。关于USB接口关于USB接口黑地GND4绿数据＋＋DATA3白数据－－DATA2红电源VCC1导线颜色名称信号引脚USB接口的3种类型接口类型A,通常在PC上出现接口类型B,通常在USB设备上出现Mini-USB,数码相机、移动硬盘等设备经常使用关于USB接口USBHUBUSB-PS/2转接器关于IEEE-1394接口又称为1394,i.link(sony)或FireWire(Apple)连接高速传输大量数据的音频和视频设备;传输速度：50MB/s~100MB/s支持即插即用和热插拔此接口的连接器共6线(电源,地,2对传输线，不需额外供电）接口以级联方式连接外设,一个接口可接63个设备目前应用于PC机发展方向:USB与1394不仅代替传统的IO接口,

也正代替SCSI（smallcomputersysteminterface）接口关于IEEE-1394接口关于SCSI接口

smallcomputersysteminterface小型计算机系统接口，是一种用于连接大容量磁盘驱动器、扫描仪等外围设备的专门的高速并行接口。SCSI接口可以同时传送的数据达到32位。全部七个SCSI设备以菊花链的形式连接在一起，第一个SCSI设备连接到计算机，第二个SCSI设备连接到第一个SCSI设备，其它依此类推。

SCSI硬盘主要应用于中、高端服务器和高档工作站中。具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低、热插拔等优点，价格较高。68针SCSI接口关于硬盘的SATA接口PC机前几年大多使用IDE(ATA)接口

UltraATA/100或UltraATA/133接口，传输速率分别为100MB/s和133MB/s

这两年开始大量采用SATA接口(150～300MB/s)

工作频率高(1.5GHz—3GHz)内嵌时钟信号功耗更低结构简单，支持热插拔低电平差分信号,具有较强的抗干扰能力

插头插座体积缩小,有利于缩减机箱内的线缆，有利散热

一次传输一位数据，较少接口的针脚数目，使连接电缆数目减少，效率较高SATA接口SATA接口SATA电源转接头sata、pata接口数据传输线小结主机与外设之间不能直接进行信息交换，必须通过I/O接口才能完成信息传送。

I/O接口所起的作用是：数据缓冲：解决高速主机与低速外设间的矛盾；信号格式配合：处理外设与CPU之间不同的信息格式，如

A/D、D/A转换，串/并、并/串转换；电平和驱动能力配合：使外设和主机的信号电平一致，并提高CPU信号的驱动能力；时序配合：使主机与外设协调工作；设备选择：每台外设都有设备地址；

键盘

鼠标器

打印机

显示器

话筒音箱

网线

I/O总线

I/O接口硬盘，光驱

I/O设备

主板

I/O设备

I/O适配器

（扩充卡）

机箱插座

板卡插座

I/O控制器

PCI总线插槽

内存主板插槽

机箱

芯片组

IDE接口

CPU小结小结1：

I/O总线,I/O控制器,I/O接口与I/O设备的关系I/O设备通常都是物理上相互独立的设备，它们一般通过I/O接口与I/O控制器(或I/O总线)连接I/O控制器通过扩展卡或者南桥芯片与I/O总线连接I/O总线经过北桥芯片与内存、CPU连接小结2：

I/O总线,I/O控制器,I/O接口与I/O设备的关系yALU寄存器组CPU总线接口R6CPU(前端)总线I/O总线主板扩展槽PCI接口南桥芯片I/O总线磁盘控制器以太网卡USB控制器和接口鼠标器键盘网线disk声卡视频卡光驱主存储器0A北桥芯片y存储器总线显卡3、BIOS（BasicInput/OutputSystem）

基本输入/输出系统，是操作系统的最底层部分的可执行程序代码（机器语言程序）。BIOS存放在只读存储器芯片（ROM）中，一般称为BIOS芯片。

功能：

诊断计算机故障启动计算机工作控制基本的输入输出操作(键盘、鼠标、磁盘读写、屏幕显示等)主板示意图

BIOS主要包含4部分程序,一般情况下是不能被修改的POST程序(PowerOnSelfTest，加电自检)检测计算机硬件故障

系统自举（装入）程序(Boot)

启动计算机，加载并进入操作系统运行状态

CMOS设置程序设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等

基本外围设备的驱动程序

实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输入输出操作的控制程序PC机的启动工作过程1、接通电源时CPU自动执行BIOS中的加电自检程序1）按CMOS中的内容来识别硬件的配置,测试各部件的工作状态(发现错误则报错)2）初始化CPU、内存、ROM、主板、CMOS、显示卡、键盘、软驱和硬盘等设备2、CPU自动执行自举程序按照CMOS中预先设定的启动顺序，搜寻外存储器（软、硬盘或光盘）3、从外存储器读入引导程序，然后由引导程序读出操作系统并装入内存4、最后，将控制权交给操作系统，整个计算机由操作系统所控制CMOS芯片

（互补金属氧化物半导体存储器）

存放用户对计算机硬件所设置的一些参数（称为“配置信息”），包括系统的日期和时间，系统的口令，软盘、硬盘、光盘驱动器的数目、类型及参数，显卡的类型等。

CMOS是一种半导体存储器芯片（易失性存储器）,必须使用电池供电，只要电池供电正常，即使计算机关机后它也不会丢失所存储的信息以及时钟停走。BIOS与CMOS的区别BIOS中存放的是CMOS设置程序，CMOSRAM中存放的是这个程序所设置的数据；BIOS是主板上一块EPROM或FlashROM芯片，CMOS是主板上的一块可读写的RAM芯片，靠后备电池供电，即使系统掉电后信息也不会丢失。因此我们说：“通过BIOS设置程序对CMOS参数进行设置。”如何进入CMOS设置程序？何时需设置？CMOS在启动BIOS过程中，若按下Del键（或其他键），就进入CMOS

设置程序，允许用户修改系统硬件的部分配置信息。一般来说，下列情况需要启动CMOS设置程序对系统进行设置：PC机组装好之后第一次加电系统增加、减少或更换硬件或I/O设备CMOS芯片因掉电、病毒侵害、放电等原因造成其内容丢失或被错误修改用户希望更改或设置系统的口令系统因某种需要而调整某些设置参数CMOS设置CMOS设置2.3.2内存储器内存储器(使用半导体存储器芯片)Cache存储器主存储器（RAM和ROM）外存储器（软盘、硬盘、光盘）后备存储器（磁带、光盘）外存储器寄存器典型容量40GB~200GB256MB~1GB10TB~100TB1MB<1KB典型存取时间1ns2ns10ns10ms10s存储器的层次结构计算机中存储器的层次结构分析：速度越快，成本较高。为了获得好的性能/价格比，计算机中各种存储器组成一个层状的塔式结构，取长补短，协调工作。工作过程：1）CPU运行时，需要的操作数大部分来自寄存器2）如需要从(向)存储器中取(存)数据时，先访问cache，如在，取自

cache3）如操作数不在cache，则访问RAM，如在RAM中，则取自RAM4）如操作数不在RAM，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出→RAM→cache内存又称主存，分为ROM和RAMROM（ReadOnlyMemory，只读存储器）非易失性（断电后，信息保留）。

不可在线改写内容的ROM-MaskROM（掩膜ROM）、PROM

：不能改写；

-EPROM：用专用装置改写

FlashROM（快擦除ROM、闪存）用于BIOS，U盘，数码相机中。

RAM(RandomAccessMemory，随机存取存储器)多采用MOS(金属氧化物半导体)型半导体集成电路芯片制成。易失性（断电后，信息丢失）

-DRAM：动态RAM。特点：电路简单，集成度高，功耗低，成本低，速度较慢。用做一般主存；

-SRAM：静态RAM。特点：电路较复杂，集成度低，功耗较大，成本高，速度很快。用做cache。主存储器(RAM)的功能与原理主存是CPU可直接访问的存储器，用于存放供CPU处理的指令和数据特点：以字节为单位进行连续编址，每个存储单元为1个字节存储容量：主存储器中所包含的存储单元的总数（单位：MB或GB）存取时间：从CPU送出内存单元的地址码开始，到主存读出数据并送到CPU（或者是把CPU数据写入主存）所需要的时间（单位：ns，1ns=10-9s）00000000

00000001存储单元（8位）地址寄存器地址译码器地址总线读写控制电路数据总线控制总线10110111Read/Write信号内存主存储器的结构与工作原理10110111PC机主存储器的物理结构主存储器由若干个内存条组成内存条的组成：把若干片DRAM芯片焊装在一小条印制电路板上制成内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用DDRSDRAM内存条防误插缺口

CPU速度越来越高，必须提高相对较慢的DRAM芯片组成的主存储器的存取速度：改进存储器芯片的电路和工艺改进DRAM的存储控制技术，生产出许多新品种:EDODRAM、SDRAM（单速率同步DRAM）、双通道RDRAMDDRSDRAM（双倍速率同步DRAM）

DDR2SDRAM（DDR2拥有两倍于DDR的预读取数据的能力）

DDR3SDRAM目前流行的是DDR2和DDR3内存条：均采用双列直插式，其触点分布在内存条的两面DDR2和DDR3均有240个引脚，但不可互换使用PC机主板中一般都配备有2个或4个DIMM插槽

Rambus内存条模块，简称RIMM内存条,高频率DDR存储器的类型、速率及相关参数时钟频率=100MHz内部频率=200MHz传输频率=400MHz存储单元阵列数据总线时钟频率=100MHz内部频率=100MHz传输频率=200MHz存储单元阵列数据总线缓冲器缓冲器DDRDDR2DDR存储器的类型、速率及相关参数存储器时钟频率存储器芯片名称存储器内部频率内存条名称每秒传输次数最大传输速率100MHzDDR-200100MHzPC-1600200M1.6GB/sDDR2-400200MHzPC2-3200400M3.2GB/sDDR3-800400MHzPC3-6400800M6.4GB/s133MHzDDR-266133MHzPC-2100266M2.1GB/sDDR2-533266MHzPC2-4200533M4.2GB/sDDR3-1066533MHzPC3-85001066M8.5GB/s167MHzDDR-333167MHzPC-2700333M2.7GB/sDDR2-667333MHzPC2-5300667M5.3GB/sDDR3-1333667MHzPC3-106001333M10.6GB/s200MHzDDR400200MHzPC-3200400M3.2GB/sDDR2-800400MHzPC2-6400800M6.4GB/sDDR3-1600800MHzPC3-128001600M12.8GB/s半导体存储器芯片的类别半导体存储器只读存储器ROM随机存取存储器RAM静态随机存储器SRAM（高速）动态随机存储器DRAM（低速）掩膜ROM（MaskROM）可编程ROM（PROM）可擦除PROM（EPROM）快擦除存储器（FlashROM）（用于Cache）（用于主存储器）（BIOS存储器）例题右图是PC机主板的示意图，其中(1)(2)(3)分别是：CI/O端口、AGP插槽、IDE接口IDE接口、CPU插槽、AGP接口I/O端口、CPU插槽、PCI接口I/O端口、IDE接口、PCI接口根据存储器芯片的功能及物理特性，目前用做优盘存储器芯片的是：