微机原理第十四章

第十四章主机系统的结构和工作原理14.116位微机的系统结构系统板上的电路分成5个主要功能块CPU子系统接口部件子系统总线ROM子系统RAM子系统图14-1系统板各部分器件配置示意图图14-2系统板各功能块数据流示意图14.1.1CPU子系统见书上P470图CPU：8088时钟发生器：8284总线控制器：8288地址锁存器：8286/74LS373数据收发器：8282/74LS245①时钟信号发生器8284A

时钟发生电路如图14-3所示，它产生5个系统需要的信号。②总线控制器82888288总线控制器，它对8088输出的状态信号进行译码，以产生相应的命令及时序信号，作为系统总线的控制信号。8288的连接电路如图14-4所示。图14-3时钟发生电路图14-48288总线控制器的连接电路14.1.2接口部件子系统DMA控制器8237A-5，提供4个DMA通道；计数器/定时器8253-5，提供3路计数/定时信号；中断控制器8259A，管理8级中断源；并行接口8255A，包含3个8位并行口。系统中4个DMA通道的使用情况通道0（CH0） RAM刷新；通道1（CH1） 为用户保留；通道2（CH2） 软盘驱动器使用；通道3（CH3） 硬盘驱动器使用；DMA的端口地址为00～0FH；DMA的页面寄存器的端口地址为80H～83H。8253的3个计数器在系统中的使用情况计数器0作为定时器，为计时电子钟提供时间标准，每54.936ms请求一次中断；计数器1为DMA通道0提供RAM刷新请求；计数器2产生扬声器的音调;8253的端口地址为40H～43H。8259A的8级中断分配(20H~21H)中断输入中断类型码中断源IR008H系统计时时钟请求IR109H键盘接口电路IR20AH为用户保留IR30BH网络通信IR40CH保留IR50DH硬盘IR60EH软盘IR70FH并行打印机其中IR0中断优先级最高,IR7

最低。并行接口8255A在系统中的使用加电自检时，CW=89H；自检完成后，CW=99H端口A自检时：输出当前检测部件的标志；普通工作时：输入键盘扫描码端口B输出一些控制信号允许RAM奇偶校验信号允许I/O通道奇偶校验信号清除键盘数据信号控制扬声器发声的信号端口C 输入一些状态信息系统配置开关DIP的配置情况系统板上RAM的奇偶校验状态扬声器的状态8255A的端口地址为60H~63H.14.1.3总线（1）按照布局范围分，内部总线：连接CPU内部各功能部件。局部总线：连接主机板上各个主要部件，这是系统设计人员和应用人员最关心的总线。系统总线：多处理器系统（高性能计算机）中连接各CPU插件板的信息通道。外部总线：微型机和外设、微型机之间的通信总线。按照总线的功能，总线又分为:数据总线地址总线控制总线14.1.3总线（2）PC机的局部总线（1）1.IBMPC/XT的62芯总线数据线（8根）地址线（20根）控制线（21根）：IOR*、IOW*、IRQ（6）、MEMR*、MEMW*、DRQ（3）等。状态线（2根）：I/O通道奇偶校验、I/O通道准备好信号。辅助线（3根）：OSC、CLOCK、插件板选中信号。电源线（8根）：＋5V、-5V、+12V、-12V、地。图14-562芯总线扩展插槽各引脚信号定义PC机的局部总线（2）2.ISA总线：工业标准结构用在IBMPC/AT（286）主槽：62脚，即IBMPC/XT的62芯总线槽。附加槽：36脚。数据线：16位；地址线：24位；11个外部中断输入端；7个DMA通道。工作频率8.33MHz，数据传输率16MB/s。PC机的局部总线（3）3.MCA总线：微通道结构（386/486）数据传输率是ISA的4倍与ISA不兼容分为16位的MCA和32位的MCA由于IBM公司为了垄断市场不将MCA标准公布于众，所以MCA总线结构没有得到广泛的流行。PC机的局部总线（4）4.EISA总线：扩展工业标准总线具有MCA的所有技术和功能与ISA完全兼容数据宽度32位，地址线32条工作频率8.33MHz，数据传输率为33.3MB/s。目前的最高档微机中，仍保留了多个EISA总线扩展槽PC机的局部总线（5）5.VESA(VLB)总线：视频局部总线应用在80486和Pentium与ISA、EISE兼容增加了高速插槽数据宽度32位，可扩展为64位，地址线32条工作频率为33MHz，数据传输率达132MB/s。允许外设适配器直接连到CPU总线上，以CPU的速度运行。只能连接3个扩展卡。PC机的局部总线（6）6.PCI总线：外部设备互连总线在当前高档微机系统中广泛采用高传输率：数据宽度32位/64位，工作频率为33MHz/66MHz，数据传输率达132MB/s/528MB/s。高效率：PCI总线控制器中集成了高速缓冲器，并支持突发数据传输模式。即插即用功能独立于CPU：有长久的生命期负载能力强、易于扩展兼容各类总线可连接10个扩展卡。PC机的外部总线(1)IDE（ATA)总线专门为主机和硬盘子系统连接设计的总线，也适用于和软盘、光驱的连接。IDE的传输率为8.33MB/s，每个硬盘的最高容量为528MB。一个IDE口最多连接2个设备，多数微机设置了2个IDE口。EIDE(ATA-2)总线增强IDE总线又推出了ATA-3，ATA33和ATA66，后者传输率达到66MB/s，硬盘容量允许达到40GB～70GB.PC机的外部总线(2)RS-232-C使用已久的串行总线标准传输距离可达15m当前微型机中，RS-232-C用来连接调制解调器、串行打印机等。通用串行总线USBUSB是一种串行通信标准支持即插即用，使用方便用两根信号线以差分方式串行传输数据传输距离可达5米IBMPC/XT的内存空间分配00000H9FFFFHBFFFFHFFFFFHRAM区

640KB保留区128KBROM区256KB显示存储区A0000H～BFFFFH的128KB的保留区是作为显示缓冲区。对于不同的显示器适配器，实际使用的显示存储区域各不相同。这部分存储器在存储器扩展板上。14.1.4只读存贮器ROM子系统C0000H~FFFFFH位ROM区。系统板上有可支持64KB的ROM空间，板上备有两个ROM插座，其中每个可插入32KB或8KB的PROM或EPROM器件。在PC/XT配置时，一个插了32KB的ROM，用于固化BASIC解释程序，其绝对地址从F6000H～FDFFFH。另一个插8KBROM，用于固化基本输入输出系统(BIOS)，它包括加电后的自动测试程序、I/O设备驱动程序、软盘引导输入程序和用于显示的128个字符的点阵，该ROM占用的绝对地址是FE000H～FFFFFH。其余ROM在存储器扩展板上。14.1.5随机存贮器RAM子系统IBMPC/XT中，RAM的最大容量是640KB。RAM的地址范围是00000～9FFFFH。用于存放中断向量、DOS数据、驱动程序以及用户程序。系统板上的RAM有256KB。分为4个体，由64K×1位的4164动态存贮器芯片组成，每个体9片，包括8个数据位和一个校验位。其余部分在存储器扩展板上。14.1.6I/O适配器系统板上配置有用于键盘接口的串行接口适配电路，键盘通过5芯电缆与适配电路连接,当某一个键被按下时，适配器就会向CPU提出中断请求，然后由CPU执行BIOS中的键盘中断处理程序，读取该键的信息。14.1.7I/O扩展插槽系统板上有八个62引脚的扩展插槽,除第八个插槽以外，相同序号的引脚都用引线连在一起，只有第八个插槽的B-8引脚，在CPU选中此槽的卡时,要求提供一个“卡选中”信号。双列插槽引脚分A面(即对应于接口卡的元件面)和B面，插槽引脚的信号均是TTL逻辑电平，其负载能力为两个低功耗肖特基TTL门，一般标准接口卡对扩充槽引脚所呈现的负载为一个低功耗TTL门。62引脚的信号含义见后面注解。

1.OSC

该信号频率为14.318MHz,占空比为50%，是系统中频率最高的信号，系统中的所有时钟信号均由该信号分频得到。

2.CLK

该信号是频率为4.77MHz的系统时钟信号，一般占空比为1/3，即高电平持续时间为70ns，低电平持续时间为140ns。它主要用于总线同步。3.RESETDRV

该信号是系统的复位信号，它由8284时钟发生器的RESET输出经驱动后得到，高电平有效。4.A0～A19

它是20位的地址信号输出线。

5.D0～D7

这是8条双向的数据线，D0为最低有效位(LSB)，D7为最高有效位(MSB)。

6.ALE

地址锁存允许信号，它是8288输出的一个脉冲信号，高电平有效。

7.I/OCHCK*

它是I/O通道校验信号，低电平有效。

8.I/OCHRDY

它是I/O通道就绪信号，高电平输出有效。9.IRQ2～IRQ7

中断请求2至中断请求7的输入信号，这些信号由插槽中的各接口卡发出，分别送到中断控制器8259，按优先级的顺序排队，优先级最高者将首先得到中断处理。10.IOR*

它是I/O读信号，由8288总线控制器输出，低电平有效。11IOW*

它是I/O写信号，由8288总线控制器输出，低电平有效。

12.MEMW*

它是存贮器写信号，由8288总线控制器输出，低电平有效。

13.MEMR*

它是存贮器读信号，由8288总线控制器输出，低电平有效。

14.DRQ1～DRQ3

它是DMA请求1至DMA请求3的请求输入信号，高电平有效，可以分别由三个I/O设备发出。

15.DAK0*～DAK3*

这是由DMA控制器发出的响应信号，低电平有效。

16.AEN

地址允许信号，它由DMA控制器输出(在多微机系统中，该信号也可由总线裁决电路提供)，高电平有效。

17.T/C

它是计数结束信号，高电平有效。

18.CARDSLCTD*

它是扩充槽的接口卡被选中信号，低电平有效，该信号仅适应于第八个扩充槽，是接口卡向主机发出的已被选中信号，由该信号引导，系统将对该接口卡进行读写操作。接口卡应用OC门进行驱动输出。

19.±5V，±12V和GND

每个插槽有+5V，-5V，+12V，-12V四种电源引脚，由它们向插槽中的接口卡提供工作电源电压。还有二个接地引脚。14.1.8电源系统系统直流电源为130W，是可提供四路直流电压输出的开关稳压电源。国内使用要求输入220V交流电压(原装机为110V交流电压)。它向主机箱各部件及接口卡供电。可供的电压为:+5V15A(电压误差允许±5%)+12V4.2A(电压误差允许±5%)-5V300mA(电压误差允许±10%)-12V250mA(电压误差允许±10%)所有电源电压均经过稳压，并带有过压和过流保护。在电源出现过压和过流状态时，会自动切断电源，直到电源正常为止。电源系统提供了一个监测信号，称为“POWERGOOD”信号。系统加电压,直流电压上升到正常值，再经100ms～500ms后，电源就向8284发出“POWERGOOD”信号，使其产生一个高电平的复位信号(RESET)送给系统，使系统所有部件复位。14.1.9系统资源配置的选择在系统板上有一组带有8个选择开关的DIP，它的设置，对系统板上的内存容量大小及软、硬磁盘配置等都有直接影响。DIP开关的外形如图14-6所示。图14-6DIP开关示意图每个开关的选择状态含义如下:开关1——在常规操作时一定要处于断开状态，如果接通将进入循环POST状态。开关2——该开关为协处理器保留，必须接通。开关3～4——该2位开关主要用于系统板存贮器容量的选择。开关5～6——这2位开关用于显示器适配器的类型选择，可以选择彩色显示器，也可以选择单色显示器。开关7～8——这2位开关的设置状态，可代表系统中所安装的5.25英寸软盘驱动器的个数。为了使IBM-PC/XT能正常工作，一般内存需要640K字节，另外，还需一台CRT显示器，一个键盘，二台软盘驱动器，一台硬盘驱动器，一台打印机。上述除了键盘接口在系统板上已具备外，其余都需在扩展槽上插入相应的扩展或接口卡。这样，一台IBM-PC/XT最常用的系统应配备以下的接口卡:存贮器扩展卡(其容量为384K字节)；单色或彩色显示器和打印机接口卡；软盘驱动器接口卡；硬盘驱动器接口卡。除上述基本配置以外，根据需要还可以选择异步通讯接口卡、游戏机操纵杆控制接口卡、同步数据链路控制接口卡等。14.2Pentiumx系统及其主机板14.2.1Pentium的主机系统基本配置：主机板；彩色显示器，分辨率为1024×768；102键或104键键盘；256～512MB的内存；40～80GB的硬盘；光盘驱动器；3.5英寸软盘驱动器；鼠标。除了上述的基本配置外，通常还有以下配置：网卡；声卡和音响设备；图象卡和摄象机；扫描仪。图14－7现代微型计算机的结构示意图14.2.2Pentium主机板结构主机板包含CPU插座存储器插座:二级Cache插座、内存插槽多功能芯片组（内含中断控制器、DMAC、I/O模块、总线驱动器）总线（PCI总线）

ROMBIOS芯片鼠标和键盘的接插口外设插槽EIDE总线扩展槽（PCI插槽和ISA插槽）。CPU插座串行接口AGP扩展槽PCI扩展槽内存条插槽北桥南桥图14-8微型机的主机板图14－9PentiumPC的主板总线结构框图1CPU及CPU插座CPU是整个计算机系统的核心，在主机板上它被安置在专门的CPU插座上。CPU在工作时会产生大量的热量，因此CPU安装散热器与散热风扇是必须的，不安装这些散热装置可能导致处理器过热并且会损坏CPU。由于集成化程度和制造工艺的不断提高，越来越多的功能被集成到CPU中去，使CPU管脚数量不断增加，导致插座尺寸也越来越大。CPU插座主要分为Socket和Slot两大工业标准。目前的PentiumⅣ微处理器采用的是Socket478插座，将来会过渡到Socket­_T（LGA775）。2控制芯片组

（1）芯片组实现CPU与计算机中的所有部件互相沟通，用于控制和协调计算机系统各部件的运行，在CPU与内存、外设之间架起了一座桥梁。就目前流行的主板结构来说，芯片组一般由两个超大规模集成电路芯片组成，按照它们在主板的不同位置，通常把两个芯片分别称作“南桥（SouthBridge）”和“北桥（NorthBridge）”。南北桥结构是386以来就开始采用的一种主板芯片组架构。2控制芯片组

（2）北桥芯片提供对CPU、内存、AGP显卡等高速部件的支持，以及与PCI总线的桥接；南桥芯片则提供对键盘接口、鼠标接口、实时时钟控制器、串行口、并行口、USB接口及磁盘驱动器接口的支持，以及与ISA总线的桥接。2控制芯片组（3）芯片组是主板上最昂贵的部件。在南桥和北桥两个芯片中，北桥芯片的集成度和工作频率都比南桥芯片高，所以一些主板在北桥芯片上也设置了散热片。北桥芯片比起南桥芯片要贵许多，它决定了主板的档次和质量，因此也叫做主桥（HostBridge），芯片组的名称往往就是以北桥芯片的型号命名的（比如Intel845芯片组中北桥芯片的型号为Intel82845GE），南桥芯片则往往可以根据需要任意搭配。2控制芯片组（4）早期的微机由于功能比较单一，其整体性能主要决定于CPU的性能。但是，随着计算机技术的高速发展，情况已经有所变化。一台高性能的微机仅有高性能的CPU是远远不够的，芯片组作为主板的核心部分，对电脑的整体性能有着至关重要的影响。3内存储器插槽在微型计算机的主机板上，都安装有若干个内存插槽，只要插入相应的内存条，就可构