第2章224微型计算机硬件系统

第二章计算机基础知识2.1计算机系统概述2.2计算机硬件系统和工作原理2.3计算机软件系统 2.4微型计算机硬件组成

12.4微型计算机硬件系统微型计算机的诞生

1971年Intel的工程师马西安·霍夫(M.E.Hoff)成功地在一个芯片上实现了中央处理器：第一片4位微处理器—Intel4004，第一台4位微型计算机—MCS-4，22.摩尔定律

每18个月，集成度将翻一翻，

速度将提高一倍，

而其价格将降低一半微处理器的发展标志着微型计算机的发展。速度是非常快的如今这一翻番的周期已缩短为12个月甚至更短。3摩尔定律晶体管数目4004奔腾2,30042,000,00032年P43,500,000晶体管数10K100K1M10M100M197519801985199519902000单位时间执行的指令数百万条/每秒0.1110255004004Pentium每2年芯片能力增长一倍808080888286838684862000年的微处理器4主机系统主机的基本组成主板CPU存储器：内存、外存主机网卡显卡声卡显示器扫描仪打印机光驱网络话筒音响MIDI鼠标、键盘51.主板注：集成了声卡、网卡、IEEE1394卡

没有集成显卡

背板上没有串行口和IEEE1394接口

但是主板上有引脚主板（MainBoard）也叫母板（MotherBoard）678COM口：COM口即串行通讯端口。微机上的com口通常是9针，也有25针的接口，最大速率115200bps。通常用于连接鼠标（串口）及通讯设备（如连接外置式MODEM)等。一般主板外部只有一个COM口，机箱后面和并口一起的那个九孔输出端（梯形），就是COM1口，COM2口一般要从主板上插针引出。9标准的1394接口：IEEE-1394被应用在众多的领域，包括数码摄像机、高速外接硬盘、打印机和扫描仪等多种设备。标准的1394接口可以同时传送数字视频信号以及数字音频信号，相对于模拟视频接口，1394技术在采集和回录过程中没有任何信号的损失，正是由于这个优势，1394卡更多地是被人们当做视频采集卡来使用，它的其他功能反而被忽视了。

10各种指标及相互关系

最重要的是前端总线频率和外频频率越高则性能越好芯片组：

CPU是大脑，芯片组是心脏

由南桥，北桥组成主板架构板载功能主板总线图就是将某一些接口卡的功能集成到主板上。最常见的就是集成声卡和网卡的功能。

Intel875芯片组主频＝外频×倍频11芯片组是主板的核心，决定了主板的功能和档次，由北桥和南桥芯片组成。北桥芯片（MemoryControlHub，MCH）负责与CPU的联系，决定主板支持的CPU的类型、内存的类型等。位置：CPU和内存插槽最近北桥芯片决定了主板的性能，人们常用北桥芯片的代号来称呼主板，如使用Intel915北桥芯片的主板称为915主板。南桥芯片（I/OControlHub，ICH）负责与I/O总线的通信，如PCI总线、USB、IDE、SATA等，以及负责管理音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等。位置：离CPU插槽较远的下方12主板架构主板架构概念：是对主板的尺寸大小、形状、各元器件的布局、排列方式等制定出标准，所有主板厂商都必须遵循。主要解决散热、噪声等常见架构ATX:最常见的主板架构,扩展插槽较多，数量在4-6个MicroATX:常说的“小板”，扩展插槽较少，用于品牌机并配备小型机箱BTX:新一代主板结构，是将来的发展趋势

ATXBTX13主频、外频和前端总线频率关系主频：CPU的时钟频率，一般是主频越高，运算速度也就越快。实际上CPU的运算速度受许多因素的影响，例如高速缓存的大小，主频高的不一定比主频低的运算速度快。例如：1GHzItanium的运算速度与2.66GHzXeon差不多。外频：系统的时钟频率，系统总线的工作频率，CPU与外围设备传输数据的频率，CPU到芯片组之间的总线速度。倍频：主频是外频的倍数。主频＝外频×倍频系数前端总线（FSB）频率：（新引入的）前端总线：CPU和北桥芯片之间的总线，CPU和外界交换数据的唯一通道

前端总线频率：IntelCPU，FSB能在一个时钟周期内传输数据4次，所以FSB频率=外频*4；AMDCPU，FSB能在一个时钟周期内传输数据两次，所以FSB频率=外频*2.前端总线数据传输速率＝前端总线频率×前端总线数据宽度（64位）／8

CPU主要性能指标14字长和位数通常，CPU位数=CPU的字长=通用寄存器位数

作为一个整体参与运算、处理和传送的一串二进制数称为一个“字”。高速缓冲存储器容量15核心数量通过提高CPU主频来提高计算机运算能力，在早期主频比较低的时候还可行。随着频率越高，耗电越多，热量越大，问题越多。多核心可以在较低主频，提高性能。制造工艺（越小越好）CPU内电路与电路之间的距离，单位是微米和纳米。1纳米=10-9米现在先进的是65，45和32纳米

制造工艺越小，CPU的体积就越小，集成度不断提高，功耗降低，性能得到提高，故制造工艺越小越好。16主流CPU产品Intel产品系列2006.71993奔腾17赛扬现今微处理器

低价位个人电脑,使用相同的核心技术，但二级缓存减少为奔腾的一半或更少。182005酷睿19现今微处理器

64位CPU,速度最快，用于服务器和工作站

至强安腾20AMD产品系列龙芯1号龙芯2号龙芯2号E国产龙芯系列速龙

炫龙羿龙21存储器内存随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)高速缓冲存储器(Cache)外存磁介质:软盘和硬盘光盘:CD,DVDFlash存储器内存储器（主存储器）:速度快，容量小，价格较高，可由CPU直接访问。外存储器（辅助存储器）:速度慢，容量大，价格低，CPU不可以直接访问。CPURAM外存数据访问22RAM的发展SDRAM(同步动态存储器)DDR(双倍数据速率SDRAM)DDR2DDR3一个总线时钟周期读写一次数据一个总线时钟周期

读写两次数据, 2倍一个总线时钟周期读写两次数据并行存取两个数据,4倍一个总线时钟周期读写两次数据并行存取四个数据,8倍23ROM只读存储器：可读，不可写；掉电后数据不会丢失BIOS(BasicInputOutputSystem)即基本输入输出系统。是被固化到主板ROM芯片上的程序。BIOS主要功能:识别各种硬件(包括型号)引导操作系统：自检。检查电脑硬件是否良好。初始化，读取CMOS里设置的参数,对硬件进行设置。引导操作系统。进行硬件最直接的操作，如读文件等。开机自检执行ROM中的启动程序加载操作系统执行操作系统24Cache（高速缓存）CPU的速度很快而内存速度较慢，怎么办？Cache与内存数据交换是以块（页）为单位的。CPU首先从Cache中查找，如果没有找到，再从内存中读取，同时把这个数据所在的数据块调入Cache中。Cache视频Cache，它集成在CPU内部，高速，容量小。一级缓存L1Cache，容量小,基本在

4KB到64KB之间。二级缓存L2Cache，容量稍大,有256KB、512KB、1MB、2MB

等一级缓存容量，各产品之间相差不大，而二级缓存容量，则是提高CPU性能的关键。例如赛扬和奔腾系列…Cache一般由DRAM(静态存储器)构成。CPU内存Cache25外存储器大容量、能长期保存数据，价格便宜。外存磁盘:软盘和硬盘光盘：CD,DVDFlash存储器：U盘和各种Flash卡26软盘(FloppyDisk)微机使用的软盘直径为3.5英寸，称为3寸盘，容量为1.44MB。容量计算方法：P43软盘容量小、单位容量成本高、速度慢且可靠性差。已被U盘替代。27硬盘HardDisk,微机中最主要的辅存，容量大。盘片：一个硬盘有多个盘片，每盘片有上下两个面，都可以保存数据,每个面都有一个磁头，用于读写数据。磁道：盘片上不同半径的同心圆为磁道。柱面：不同盘片相同磁道构成的圆柱面即柱面。扇区：一个磁道被划分为多个扇区。存储容量＝磁头数×磁道（柱面）数×扇区数×每扇区字节数(512B)。存储容量＝盘片数×2(面数)×磁道（柱面）数×扇区数×每扇区字节数(512B)。信息记录可表示为：几号磁头，几号磁道（柱面），几号扇区。柱面扇区磁道28难点：硬盘接口 （1）IDE接口是一种并行接口连接IDE硬盘

连接CD或DVD驱动器（2）SATA接口是一种串行接口

SATA1.0数据传输率达到150MBps

SATA2.0数据传输率达到300MBps

SATA3.0数据传输率达到600MBps

硬盘接口29硬盘种类笔记本硬盘的直径一般仅为2.5英寸和1.8英寸。移动硬盘＝笔记本硬盘＋读写控制电路板＋外部接口。外部接口主要有USB2.0和IEEE1394。①USB2.0 速度可达480Mbps②IEEE1394速度目前可达400Mbps微型硬盘一般为1英寸以下的硬盘。主要用于数码产品中，如数码摄像机。固态硬盘（solid-statedisk，SSD）是运用Flash芯片发展出最新的硬盘。不怕摔，能适应极端温度或湿度，适合工业或军事用途。价格非常高。30

IEEE1394接口DV就是数字电影（Digitalvideo），AV是音频(audio)视频(video)的简称31

光盘CD的容量一般为680M,DVD的容量为4.7G~50G，采用更细的激光束，具有更高的磁道密度。光驱的数据读取速率用倍速来表示，CD光驱的1倍速是150KB/s,DVD光驱的1倍速是1350KB/s

CD最高为64倍速,DVD为20倍速。光驱：CD-ROM光驱：只能读取CD光盘。DVD-ROM光驱：可以读取CD和DVD光盘COMBO光驱：“康宝”是一种集合了CD、DVD的读取和CD的刻录。DVD刻录光驱：包括了CD、DVD的读取和CD、DVD的刻录。32

总线是各部件（或设备）之间传输数据的公用通道

共享总线带宽

如：USB总线、PCI总线看书：p47独享总线带宽如：AGP总线、PCI-e总线总线南桥

芯片设备1设备3设备2总线33总线分类地址总线:传输地址信息数据总线:传输数据信息控制总线:传输控制信息内部总线：连接CPU的各个组成部件（芯片内部）系统总线：连接计算机中各大部件外部总线：连接计算机和外部设备连接对象传输内容并行总线:通信速度快、实时性好串行总线:简易、方便、灵活通信方式

34总线衡量总线的指标就是总线带宽,指单位时间内总线上传送的数据量，反映了总线数据传输速率。

总线带宽=总线频率×总线位数×传输次数/8总线频率：以Hz（赫兹）为基本单位,1Hz就是每秒完成一个周期，也可理解成1b/s，即每秒传输1位。总线位数：总线能够同时传送的二进制数据的位数，例如32位总线、64位总线。传输次数：是指每个时钟周期内的数据传输次数。一般为135微机系统总线常见的总线有：ISAPCIPCI-EAGP36ISAISA总线是一种并行总线，主要用于早期的微型计算机中，目前已被LPC总线所代替,用于主板南桥芯片与BIOS的通信。37PCIPCI是一种32位数据的并行总线（可扩展为64位）总线频率为33MHz或66MHz，则

最大传输速率（总线带宽）＝66M×64×1/8＝532MB/s。优点是结构简单、成本低、设计容易。缺点是总线带宽有限（总线频率有限），同时多个设备是共享总带宽。38PCI-E是一种串行总线，是替代PCI的最新的总线。有多个通道（Lane），各个通道相互独立，即PCI-E的x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32等。每个通道单向传输带宽可达250MB/s，双向为500MB/s。优点是数据传输速率高，而且带宽是各个设备独享的。PCI-Ex1取代传统的PCI，而PCI-Ex16取代AGP。39AGPAGP（AcceleratedGraphicsPort，图形加速端口)是显卡的专用扩展插槽，在PCI基础上发展而来的。AGP接口也有多个通道的版本，AGP1x和AGP2x,AGP4x,AGP8x。在微机中应用的主要是AGP4x，它的数据传输带宽有1066MB/s。40

将来：串行总线肯定会逐渐取代并行总线原因：并行总线高频率的条件下容易出错：p47串行总线：RS232、PS/2、USB、SATA等串行总线和并行总线速度41

各种接口

USB接口：

USB1.1最高传输速率可达12Mbps很少见到USB2.0传输速率可达480Mbps普遍IEEE1394：支持的设备有DV、移动硬盘、音响设备可以达到400Mbps，将来会800Mbps，1Gbps，1.6GbpsPS/2接口串行口并行口接口4243基本输入和输出设备键盘、鼠标、触摸屏、显示器、打印机

新型数码设备数码相机、数码摄像机、摄像头、投影仪

其它应用广泛的设备：磁卡、IC卡、射频卡等许多卡片的读写设备条形码扫描器指纹识别器等输入和输出设备44连接

①基本输入设备PS/2（紫色）口键盘

USB口“蓝牙”技术无线键盘输入和输出设备45PS/2（绿色）口鼠标

USB口“蓝牙”技术无线鼠标连接

鼠标

机械式的

光电式的:

光电鼠标更精确、更耐用、更容易维护

触摸板轨迹球（笔记本电脑）控制鼠标指针：轨迹球（TrackPoint）、触摸板（TouchPad）

触摸屏输入和输出设备46②基本输出设备CRT：性能价格比高，技术成熟分类

LCD：将取代CRT分辨率：像素的数量如1024×768、1280×1024指标

颜色质量：每一个像素占用的位数，真彩色是24位刷新频率(CRT)：屏