《微型计算机原理及接口》课件第10章

第10章PC机系统10.1PC机的硬件系统10.2PC机的软件系统10.3SOC的概念、结构及SOC下的PC机系统习题10.1PC机的硬件系统

10.1.1PC机的结构

1.早期的PC机

20世纪80年代初，IBM公司利用8088CPU研制开发出PC机。当时的PC机结构比较简单，内存小，功能弱。其结构类似于图2.13，即以工作在最大模式下的8088CPU为核心，在其形成的系统总线上接上内存、接口及外设来构成现在看来十分简单的个人微型计算机，其框图如图10.1所示。

图10.1早期PC机的结构框图

2.现代的PC机图10.1所示的PC机早已完成了它的历史使命，经过20多年的发展，今天的PC机在性能上要比当年的PC机高出上千倍，其概念框图如图10.2所示。

图10.2现代PC机的概念框图

10.1.2主机

1.CPU

CPU是PC机的大脑，PC机的性能主要由CPU决定。CPU的发展非常迅速，在短短的20多年里，80x86系列CPU已开发出了许多代产品。

(1)主流CPU。目前市场上见到的PC机的CPU基本上是Intel公司的产品或AMD公司的产品。当前用得最多的是Intel的Pentium4、双核PentiumD及CeleronD产品，有的PC机上采用的是64位的Itanium处理器。当前AMD公司用于PC机的CPU主要是Semprom和 Athlon64两个系列的产品。在性能上，这些产品与相应的Intel公司的产品相当，但AMD的产品价格上要便宜一些。除上述主流CPU外，尚有其他公司的CPU产品，如Motorola等公司的PowerPC等。由于国内使用较少，这里不再说明。

(2)CPU的主要性能指标。CPU的主要性能指标如下：①

字长。CPU的字长是指CPU进行一次内部处理的数据的位数。一般来说，CPU的字长愈长，其功能就愈强。从80386到Pentium4，由于其内部的一次处理只能是32位的，因此它们均属于32位处理器(尽管从Pentium开始，其外部数据线已达64位，但它们仍属于32位处理器)。Itanium处理器是真正的64位处理器。

②主频。CPU的主频就是它工作的时钟频率，常以MHz或GHz为单位，用来表征CPU执行指令的速度，也就是CPU内部工作的速度。同一型号的CPU主频愈高则速度愈快。不同型号的CPU则不能单纯用主频来衡量速度的快慢。这是因为不同型号的CPU的内部结构、流水线条数、级数等均不一样，不能只用主频来比较。为了比较CPU的性能，可用下式来计算：

CPU的速度＝主频×单位时钟执行指令数(IPC)由上式可以看到，不同型号的CPU，它们的IPC不同。只有IPC相同的CPU才可用主频来说明其速度。

③外频。外频是CPU与主板间同步运行的频率，以MHz为单位，用来表征CPU与主板间存取数据的速度。在图10.2中，外频就是CPU与北桥间的传输速度。外频通常通过主频分频获得，即外频＝主频/分频系数；从CPU的角度也经常用下式来表示：主频＝外频×倍频系数。同时，目前绝大多数PC机的外频也是主板与内存同步运行的速度，也就是图10.2中北桥与内存条间的运行速度。

④前端总线(FSB)频率。FSB用于实现CPU与主板间的数据交换，见图10.2。通常用CPU可以支持FSB的频率来描述CPU的指标。例如，某CPU的FSB频率为330MHz、400MHz或800MHz。显然，FSB频率高的CPU的速度快。就频率而言，它与CPU的外频是一致的。但是，前端总线的性能经常用前端总线带宽来描述，即前端总线带宽＝前端总线频率×总线位宽÷8例如，赛扬2.8GHzCPU，其前端总线频率为400MHz，则其前端总线带宽为400MHz×64bit÷8＝3.2GB/s故该CPU的前端总线带宽为3.2GB/s，其最大传输速率为3.2GB/s。显然，以上所描述的是前端总线的最大传输速率，实际工作中的速率通常会低于这一传输速率。

⑤高速缓存。目前，构成PC机的CPU都带有两级高速缓冲存储器L1和L2。高速缓存容量愈大，CPU执行指令的速度就愈快。L1级高速缓存一般在16～256KB之间；而L2级缓存可从128KB到几兆字节之间。⑥

指令系统。如前所述，在后来的80x86中，在向下兼容原来指令的基础上，新扩展了许多功能很强的指令，例如MMX指令集、SSE指令集、SSE2、SSE3等。具有这些扩展指令集的CPU，其处理能力很强。

⑦CPU工作电压。早期的CPU工作电压为5V，随着制造工艺的改进和主频的提高，单片CPU的集成度愈来愈高。目前，单片CPU上可集成3.2亿个晶体管。为了降低CPU的功耗，减少发热，CPU的工作电压由5V、3.5V、3.3V，逐渐向2.5V、1.8V下降。⑧

超线程及多核CPU。超线程是指一个物理处理器可以同时执行两个独立线程，宏观上使用户觉得像是两个处理器在同时运行。具有超线程技术的处理器包含有两个逻辑处理器，每个逻辑处理器都可以被停止、被中断或运行某一线程。一个逻辑处理器的工作不会影响另一个逻辑处理器的工作。显然，具有超线程技术的处理器具有更高的效率。

2.主板

(1)主板的标准。在20世纪80年代初开发PC机时，IBM的主板标准为“标准AT结构”。该板尺寸为33.02cm×30.48cm。到20世纪90年代前后发展为“BabyAT结构”。顾名思义，该结构规定主板尺寸比较小，仅为26cm×22cm。这种主板在结构上及CPU、内存条的安装位置上均不够合理，线缆连接较多，散热不好，维修困难，现在已不再使用。

(2)CPU插座。主板上的CPU插座有两种形式：①卡式插座Slot。此插座类似于PCI总线插座，是一个窄长的插槽，CPU就像扩展卡那样插在Slot的槽上。②针脚式插座Socket。针脚式插座Socket有数百个与CPU引脚相对应的针孔，CPU的引脚将一一对应地插在这些针孔中。由于CPU的引脚数目不一样，因此插座也与引脚数一一对应。例如，CPU引脚为754或939，则插座即为Socket754或Socket939。另外就是Intel公司新开发的一种CPU插座LGA，该插座将插针和针孔连接改为触点连接，即插座上有数百个与CPU引脚触点相对应的触点，例如LGA775等。

(3)内存插槽。在主板上均设置有几个内存条的插槽，目前多为184个接点。每一个插槽上可插一条内存条。目前一个内存条的容量多为256MB。当所需内存容量大时可多插几条。有关内存条的内容见第5章。

(4)北桥和南桥。多数主板上都有芯片生产厂家提供的芯片组——北桥和南桥。早期的PC机功能弱、速度低，主板上用一些中、小规模集成电路来构成总线，实现最简单的功能。20世纪80年代中期以后，许多厂家把这些芯片集成到单一芯片中，例如将时钟发生器8284、总线控制器8288、两片中断控制器8259、两片DMA控制器8237集成到一起，形成一块芯片82C206，这就是最早的芯片组。

(5)AGP插槽及PCIExpress插槽。主板上均设有图形加速接口AGP，该接口的目的就是提高PC机的图像处理能力。它可以以很高的传输速率向插在该接口上的显示卡传送数据。开始时AGP总线的运行时钟为66MHz，当数据位宽为32位时，其传输速率为266MB/s。这被定义为AGP1X。其后又开发出AGP2X、AGP4X、AGP8X等，它们的运行时钟分别是66MHz的2、4、8倍，而数据位宽仍为32位。因此，在AGP8X之下，总线频率为533MHz，其数据传输速率可达2.1GB/s。

(6)PCI插槽。每个主板均有若干个PCI插槽，PC机的使用者可将自己需要的声卡、网卡、电视卡等插在该槽中。

(7)ATA接口。在早期PC机中，硬、软磁盘的接口为IDE(集成设备电路)，后来变为EIDE，即增强型IDE。它们分别在20世纪80年代末90年代初被美国国家标准局批准为ATA-1和ATA-2标准。此后，ATA总线标准不断发展，其传输速率也不断提高。现在ATA的传输速率可达到100MB/s。随着硬盘、光盘传输速率的不断提高，目前已出现并且广为应用的是串行的ATA，即Series-ATA(SATA)，这是一种点对点的串行总线规范，具有更高的传输速率，其传输速率可达到600MB/s。

(8)USB接口及IEEE1394接口。在主板上均设有多个USB(通用串行总线)接口。目前，USB总线接口应用非常广泛，它不仅可以插上常规外设，如U盘、活动硬盘、DVD、打印机、数码相机等，而且还可以实现与其专用外设(如数据采集设备、智能控制设备等)的连接。在主板上一般都有IEEE1394接口，它也是一种串行总线的标准。有关USB及IEEE1394总线的介绍见第4章。

(9)网络接口。在主板上大都设置有网络接口插座，用户只需将网线插头插进插座中即可实现连网。

(10)BIOS。BIOS称为基本的输入/输出系统，它是一段程序，是每一块主板上必备的软件。早期PC机的BIOS比较简单，放在掩膜ROM中。今天的BIOS除能实现过去的功能外，还增加了许多新的功能。现在的BIOS大多存放于EEPROM中。

BIOS包括的主要功能有：上电复位(或按RESET按钮)后对系统硬件初始化；系统硬件自检及系统的自举装入；系统时钟设置与管理；电源设置与管理；基本的I/O驱动及低层的中断服务等。

(11)外设接口。在主板上设置有许多常规外设的接口，如键盘、鼠标、打印机、音频等的接口。在构成PC机时，只需将这些外设插到接口上即可使用。

(12)电源接口。主机电源通常由专门厂家提供，通过将电源插头插在电源接口上为主板供电。

(13)CMOS存储器。在主板上均有一片容量很小(早期为几十字节，现在为1～2KB)的CMOS静态RAM。该CMOS有的是以一块芯片独立存在于主板之上，有的则集成在南桥中。它是由电池不间断供电的。CMOS中存放有时间信息及其他系统配置信息。

3.电源

许多厂家已生产了多种与ATX主板配套的电源，在构成PC机时只需购买合适的电源即可。

10.1.3常规外设

1.输入设备

(1)键盘。键盘是微型机应用系统中不可缺少的外围设备，即使是单片机，通常也配有十六进制的简单键盘。操作人员通过键盘可以进行数据输入、输出，程序生成，程序查错，程序执行等操作。它是人机会话的一个重要输入工具。在最简单的微型机系统中，在控制面板上仅设置几个键。当按键数很少时，常采用三态门直接接口输入的形式，设计方法见第8章。按键在结构上分为两大类：触点式(机械式)按键和无触点式(电容式)按键。前者按动时改变两触点间的电阻而后者按动时改变按键间的电容。

常用的键盘有两种类型，即编码式键盘和非编码式键盘。编码式键盘包括检测按了哪一个键并产生这个键相应代码的一些必要硬件(通常这种键盘中有一块单片机作为其控制核心)。非编码式键盘分析哪一个键被按下的操作是通过接口硬件并由主处理器执行相应的程序来完成的。在PC机系统中毫无例外地采用编码键盘。其接口框图如图10.3所示。

图10.3PC机的键盘接口框图

(2)鼠标。鼠标是PC机上的重要输入设备，当用户移动鼠标时，利用机械或光学的方法，把鼠标运动的方向和距离转换成脉冲信号输入主机。由主机中的鼠标驱动程序计算出鼠标在水平和垂直方向上的位移量并显示在屏幕上。根据鼠标的结构，目前常用的鼠标可分为3类：①

机械式鼠标。利用包有橡胶的金属球的滚动带动两压力滚轴旋转，两滚轴相互垂直，将鼠标的移动分解为X方向和Y方向的位移，通过接口输入主机。这种鼠标结构简单，价格低廉，但可靠性、准确性比较差。

②

光电式鼠标。这种鼠标需在专用的配有反射面及格栅的衬垫上使用。当鼠标在衬垫上移动时，鼠标内发光器件所发出的光经衬垫反射在鼠标内而产生脉冲信号，利用这些脉冲便可以计算出X方向和Y方向上的位移。这种鼠标反应速度快，灵敏度高且没有机械磨损，寿命比较长，但价格要贵一些。

③光机式鼠标。这种鼠标与机械式鼠标十分相似，当鼠标移动时金属球的滚动带动光电码盘转动，通过码盘获得鼠标在X方向和Y方向上的位移。这种鼠标兼有机械式鼠标和光电式鼠标的优点。早期的鼠标多以PC机上的串行接口(COM)作为输入接口，现在三种接口都可接鼠标，它们是：COM、PS/2和USB。除此之外，尚有红外鼠标、无线电鼠标及蓝牙鼠标等。

(3)触摸屏。触摸屏也是一种常用的输入设备，用于产生触摸的位置信息。触摸屏多覆盖在显示器上。常见的触摸屏有两种结构：电阻式触摸屏和电容式触摸屏。图10.4是电阻式触摸屏的示意图。触摸屏由用隔离球分开的两层导电薄膜构成。在底层导电电阻膜的一边加上电压UC，另一边接地，则从薄膜一边向另一边的电位是线性减小的(见图10.4)。当触摸按压上层表面的导电薄膜时，就使得两层薄膜短路，从而可以取得按压位置上的电压。根据所取的电压(如图10.4中的UX)，就可以计算出按压点的位置。

图10.4电阻式触摸屏的示意图

(4)笔输入设备。笔输入设备也称为手写笔，通常由与主机接口相连接的基板、在基板上写字用的笔以及相应的识别软件构成。可以利用笔输入设备输入汉字等各种信息。笔输入设备可分为两大类：电阻式手写板和电磁感应式手写板。前者根据笔在触压基板时产生的电阻变化来决定笔的运动笔画。后者利用基板感应到手写笔所发出的电磁波来决定笔的运动笔画。现在使用更多的是电容触控板，即笔的运动及笔画由触压基板时的电容变化来感知。

(5)其他输入设备。接在PC机上的输入设备还有许多，例如扫描仪、数码相机、数字摄像机(头)等。

2.输出设备输出设备是构成计算机系统所必需的，下面说明最常见的一些输出设备。

(1)显示器(设备)。显示器是计算机(包括PC机)不可缺少的组成部分。在PC机中，显示器由两部分组成：一是插在AGP接口上的显示控制卡(简称显卡)；二是用于显示的显示器。显卡产生的视频信号加到显示器上进行显示。

①显示控制卡。显示控制卡(显卡)是一块插在AGP接口上的电路板，其功能就是对图形、图像信号的运算进行加速，使图形(图像)处理的绝大部分工作由显卡来完成，从而大大减少了主机CPU的负担。在显示卡上的主要配置包括：图形处理器芯片、显示缓冲存储器、D/A变换器、卡上BIOS及AGP插头。图形处理器芯片是一块图形处理功能非常强的超大规摸集成电路，目前这种芯片的集成度在1.2亿晶体管/片到2亿晶体管/片之间。例如GeForce6800GS图形处理器芯片的集成度为1.86亿晶体管。从处理器芯片的集成度可以想像其功能之强大。

显示缓冲存储器简称显存，用于暂时存放图形处理器所处理的图形(图像)信息。由于图像信息的数据量非常大，尤其是进行三维(3D)运算时，需要更大的存储空间，因此，对显存容量的要求也愈来愈大。目前，显存容量为128MB或256MB。显卡上都配置有厂家针对所使用的图形处理器的BIOS，这是存放在闪存(EEPROM)中的基本指令程序，用以支持图形处理器的工作。显卡上的D/A变换器将数字图像信号转换成显示器所需要的模拟视频信号，以便显示器直接进行显示。

显卡输入接在AGP接口插槽上。显卡的输出接口可将要显示的视频信号加到显示器上。此前经常采用的是15针的标准VGA接口，它包括传送色彩信号RGB的三对信号线、行同步信号、帧同步信号及其他信号。

1999年数字显示工作组发布了新的用于平板数字视频接口(DVI)的标准，该标准向下兼容支持CRT显示器。

这一标准包括只支持数字信号的DVI-D和既支持数字信号又支持模拟信号的DVI-I。DVI接口使用3行8列24引脚的方形插头插座。

②显示器。目前的显示器主要有两种：阴极射线管(CRT)显示器和液晶(LCD)显示器。

CRT显示器的主要技术指标有：

a.显示屏尺寸。与彩色电视机的定义一样，显示屏尺寸是指显像管屏幕对角线的尺寸。目前用得比较多的是17英寸和19英寸。

b.分辨率。分辨率就是一屏所能显示的像素点的数目。例如，显示器的分辨率为800×600或1024×768等。显然，一屏所能显示的像素点的数目愈多，其分辨率愈高。

c.扫描方式及刷新速率。在电视机中，普遍采用隔行扫描的方式，即将一帧画面分成两场：扫描行为奇数的叫奇数场，扫描行为偶数的叫偶数场，两场叠在一起构成一帧画面。在计算机中均采用逐行扫描的方式，从上到下逐行扫描显示一帧画面。刷新速率包括水平刷新速率(即行速率)和垂直刷新速率(即帧速率)。垂直刷新速率是指每秒钟刷新多少个帧画面，通常用Hz表示，如垂直刷新速率为85Hz，就是每秒帧画面更新85次。显然，垂直刷新速率愈高，画面愈稳定，人也不易疲劳。水平刷新速率的计算方法是：

1.05×垂直刷新速率×水平线数

d.视频带宽。视频带宽是指显示器中的视频放大器的带宽。带宽愈宽，响应速度愈快，愈能显示图像的细节，即视频信号的高频部分。视频带宽可按下式计算：视频带宽＝分辨率×垂直刷新率×1.344例如，分辨率为800×600，垂直刷新率为85Hz时，显示器的视频带宽为：

800×600×85×1.344＝54.84MHz若分辨率为1024×768，垂直刷新率仍为85Hz，则显示器的视频带宽就增加到89.85MHz。

e.点距。点距即显示屏上两相邻像素点间对角线方向上的距离。可见，它既不是两点间的垂直距离，也不是两点间的水平距离。点距愈小，所显示的图像画面愈好。只是许多商家提供给消费者的是水平点距，例如，商家给出(水平)点距为0.23mm，实际上真实的点距为0.25mm。

f.控制调节。现在的显示器内部均设置有微控制器，用户可以对显示器的显示效果进行控制和调节。目前，LCD显示器已得到广泛应用，与CRT相比，其优点是体积小、重量轻、耗电省、无辐射污染；其缺点是价格高、响应速度慢、可视角度小。这些缺点正在或已经得到克服，可以想像，今后LCD显示器会发展更快，也许在不久的将来会完全取代CRT显示器。

LCD显示器的主要技术指标如下：

a.可视面积。LCD用于显示的面积称为可视面积。例如，14英寸的LCD屏的可视面积为285mm×214mm。

b.点距。LCD中定义的点距就是指水平点距和垂直点距。如果上述14英寸LCD显示分辨率为1024×768，则其水平点距为285mm÷1024点＝0.28mm，垂直点距为214mm÷768点＝0.28mm。

c.亮度及对比度。LCD的亮度以流明/平方米(cd/m2)为单位，使用中希望亮度高一些，一般应在300流明左右。目前市场上17英寸、19英寸LCD显示器的亮度指标在250流明到500流明之间。LCD对比度是指对图像信号所能分解的层次数，对比度愈高，画面的层次感就愈好。目前市场上17英寸、19英寸LCD显示器的对比度一般在500∶1～600∶1，有的可高达1500∶1。

d.响应时间。响应时间是指LCD对加在其上的输入信号的反应时间。该时间应愈小愈好。当响应时间比较长时，LCD显示器会对对比度比较强的动态图面产生拖尾现象。过去的LCD的响应时间在35ms左右，其滞后的影响还是很明显的。目前市场上17英寸、19英寸LCD显示器的响应时间多在8ms左右，更快的有2～3ms的，慢的也有十几到二十几ms的。总的来看，随着技术的发展，LCD的响应时间已不再是一个严重的问题。

e.可视角度。由于液晶显示器的结构特点，人们在对LCD进行观察时需要正对屏幕，偏离屏幕正中(即法线方向)就会引起失真。在观察到失真时的观察方向与屏幕法线方向的夹角便是可视角度。早期的LCD的可视角度比较小，且垂直方向比水平方向还要小。今天的LCD的可视角度一般都在120°以上，更好的可做到大于170°。

f.色彩数目。在LCD显示器上，每一像素由红绿蓝(RGB)三基色构成，每一基色都是用二进制编码来描述的。如果RGB三基色只用8位二进制编码来表示，则它所能表示的色彩数只有256色。若用16位二进制编码来表示RGB，则可以构成216即65536种色彩。同样，若RGB三基色每一种基色都用8位二进制编码来表示，则可以产生224即16777216种颜色。显然，色彩数目越多，则显示的图像画面色彩越丰富，层次感越好。

g.功耗。与CRT相比，液晶显示器的功耗要小得多，一般均在几瓦特到几十瓦特以内。这也是笔记本计算机无一例外地采用LCD显示器的原因之一。

(2)打印机。①分类。常见的打印机分为如下几种：

a.针式打印机。20世纪80、90年代是针式打印机的天下。这种打印机有9针、16针和24针的。这些针纵向成列排列，打印时根据字符或图形在此针点上的有或无，控制电磁铁击打该针或不击打该针。一旦击打，该针就撞到色带上，从而在色带底下的打印纸上印上一个点。不击打的针自然无点印出。在打印机内部微型机的控制下，通过控制击打不同的针、打印头的移动和走纸，便可以打印出字符和图形。显然，9针打印机只能打印简单的字符，16或24针打印机可打印汉字和图形。但由于针式打印机精度差、噪声大，因此现在只在打印票据、存折时使用，一般已很难见到。

b.喷墨打印机。喷墨打印机价格低、打印质量好，目前使用十分广泛。喷墨打印机采用的是压电喷墨或热喷墨技术。前者是利用压电陶瓷在电压作用下伸缩，压迫墨滴喷出。后者是在墨滴喷嘴的中间加热，使部分墨汁汽化，将喷嘴前端的墨滴吹出去打在打印纸上。当多个不同颜色的喷嘴在打印机内部微型机的控制下喷射到一点上时，可以产生彩色效果。目前多使用4色或6色，可以打印出效果很好的彩色相片。

c.激光打印机。激光打印机是激光技术与复印技术相结合的产物。打印机中的微控制器将要打印的图形或字符转变为激光头光源的控制信号，使激光束在感光鼓上形成与图形或字符相对应的带有或未带有静电电荷的影像，即人们所说的潜像。带有静电电荷的地方就能够吸附极细的炭粉，再利用温度和压力将炭粉附着在打印纸上，从而得到打印的图形或字符。激光打印机速度快，打印质量好，但价格高，尤其是彩色激光打印机的价格就更高一些。

d.其他打印机。除了上面提到的三种常见打印机外，尚有热转印打印机、大幅面打印机、微型打印机等。它们多应用于某些特定的专业。

②打印机的主要技术指标。打印机的主要技术指标如下：

a.打印精度。打印精度也称为打印机的分辨率，通常用每英寸的打印点数(dpi)表示，它是衡量打印机打印图像清晰度最重要的指标。一般当打印精度达到300dpi时，人眼就很难观察到字符或图像有锯齿边缘的存在。也就是说，打印机的打印精度在300dpi以上时，其打印效果才能令人满意。目前市场上价格在几百元到两三千元的喷墨打印机的水平及垂直分辨率在2400×600dpi到9600×2400dpi之间。彩色激光打印机的分辨率也能达到9600×1200dpi。

b.打印速度。打印机的打印速度可用每秒钟打印的字符数(CPS)或每分钟打印的页数(PPM)来描述。打印速度是打印机的一个重要技术指标，显然打印速度愈快愈好，尤其是在进行多页打印时。打印机的打印速度受到多种因素的影响：同一打印机在黑白和彩色打印下速度不一样；打印文本和打印图像的速度不一样；不同的分辨率，打印速度也会不一样。目前，喷墨或激光彩色打印机的打印速度在每分钟几页到二十几页之间。

c.色彩数目。这是指彩色激光或喷墨打印机可打印的不同色彩的总数。早期的彩色打印机只有3色墨盒，打印的色彩数目比较少，效果不是太好。目前都采用4色或6色墨盒，6色包括原来的青、黄、洋红、黑4色再加上淡蓝、淡红两色。6色打印机能打印出效果甚佳的彩色图像。

d.接口。早期的打印机多采用并行接口(Centronic)，也有采用串行接口(RS-232C)的。目前，有的打印机仍采用并行接口(Centronic)，有的采用通用串行总线接口(USB)，还有的高速打印机采用小型计算机系统接口(SCSI)。

e.其他指标。打印机的其他指标有打印幅面、打印机可靠性、打印噪声、价格等。

(3)其他输出设备。接在计算机(包括PC机)上的输出设备还有许多，如绘图仪、音频输出设备(声卡及音箱)、视频输出设备等，这里不再一一说明。

3.外部存储设备

(1)硬磁盘(简称硬盘)。①硬磁盘的主要技术指标。目前，硬磁盘是构成PC机不可缺少的外部存储器。有关硬磁盘的结构、数据在盘片上的记录原理及方式在其他有关课程中已经讲述，这里仅说明硬磁盘的一些技术指标。

a.道密度。为了减少干扰，磁道之间要保持一定的间隔。沿磁盘半径方向，单位长度内磁道的数目称为道密度。常用的道密度单位是道/mm或道/英寸。

b.位密度。位密度是指在磁道圆周上单位长度内存储的二进制位的个数。常用的位密度单位是bit/mm，或bit/英寸。为了简化电路设计，规定每个磁道上记录的比特数目是相同的。由于磁盘中各个磁道的圆周长度不同，因此不同磁道上的位密度是不一样的，越靠近盘心的磁道的位密度就越高，并用最内圈磁道的位密度来定义磁盘的位密度。

c.容量。容量是指一商品硬磁盘的存储总容量。从前面的课程我们已经知道，硬磁盘的容量包括格式化容量和非格式化容量。非格式化容量＝位密度×内圈磁道周长×每个记录面上的磁道数×记录面数格式化容量＝每个扇区的字节数×每道的扇区数×每个记录面的磁道数×记录面数一般情况下，磁盘容量是指格式化容量，但厂家经常给出的是非格式化容量，因为它更大一些。目前，PC机上配置的硬磁盘的容量一般在几十到几百吉字节之间。

d.转速。转速愈高，硬盘的读/写速度就愈快。早期的硬盘转速为3600转/min，后来发展到5400转/min，直到目前的7200转/min、10000转/min。

e.平均存取时间。平均存取时间是指从发出读/写命令开始，磁头从某一位置移动到指定位置并开始读/写数据所需的时间。它包括平均寻道时间和平均等待时间，是两者之和。●

平均寻道时间是指磁头移动到目标磁道(或柱面)所需要的时间，寻道时间由驱动器的性能决定，是一个常数，由厂家给出，一般为几毫秒。

●平均等待时间(rotationallatency)指待读/写的扇区旋转到磁头下方时所用的时间。一般选用磁道旋转一周所用时间的一半作为平均等待时间，可见提高磁盘转速可缩短这个时间。例如，对于转速为7200转/min的硬盘来说，平均等待时间为4.2ms；而对于转速为

10000转/min的硬盘来说，平均等待时间为3ms。

f.硬盘缓存。在硬盘上都设置有高速缓冲存储器，目的是为了提高CPU读/写硬盘的速度。CPU将要写入硬盘的数据以很高的速度先传送到硬盘的缓存，然后由硬盘的控制器再写到硬盘上。同样，在读出数据时，先由硬盘的控制器将数据逐个读出，放在缓存中，当缓存放满时才通知CPU以很快的速度将数据从缓存中读走。

g.数据传输速率。数据传输率是指CPU与硬盘高速缓存间交换数据的速率。该传输速率比磁头在盘片表面上的读/写速度要高得多。通常将前者称为硬磁盘的外部数据传输速率，而将后者称为硬磁盘的内部数据传输速率。根据硬盘接口总线的不同，目前外部数据传输速率在80～320MB/s之间。数据传输速率可由下式计算：数据传输速率＝每个扇区的字节数×每道扇区数×磁盘的转速

h.接口。硬盘接口常用ATA或SCSI，目前也在使用串行ATA(即SATA)和串行SCSI(即SAS)。有关这些总线接口的内容见第4章。

i.可靠性。厂家经常用平均故障间隔时间(MTBF)来表示硬盘的可靠性。早期硬盘的MTBF为几千小时，目前厂家提供的硬盘MTBF达50000小时。

②移动硬盘。随着用户的需求和技术的发展，大容量存储设备也得到了迅速发展。目前，主要的存储设备有移动硬盘、可读/写光盘、U盘及各种存储卡等。其中，移动硬盘在移动存储设备中占有重要地位。移动硬盘的主要特点是：

a.体积小、容量大、便于携带。目前移动硬盘的容量为几十吉字节到100GB，甚至超过100GB。

b.速度快。目前的移动硬盘大多采用USB2.0或者IEEE1394接口标准，其传输速率在400MB/s以上。

c.使用方便。目前PC机上安装的操作系统多是Windows98以上的操作系统，这些操作系统均支持对移动硬盘的使用。无论是USB2.0还是IEEE1394接口，均不需要另外安装驱动程序，而且对接口来说是支持即插即用和热插拔的。不过请读者注意，移动硬盘本身是不支持热插拔的，因此在使用时务必小心，不可在硬盘正在读/写时拔下插头。

d.高可靠性。考虑到移动硬盘的使用环境，于是在其设计制造过程中在防震、防磁、防静电等多方面采取了措施，保证了移动硬盘的可靠性。

e.功耗低。移动硬盘的功耗一般为5V300～500mA。但有的移动硬盘的峰值电流超过了500mA。而USB所提供的电源只有5V500mA，在使用时应特别注意，必要时可采用外接电源。若用IEEE1394接口，则不存在这样的问题，因为该接口最大可提供1500mA电流。

f.价格便宜。目前40GB的移动硬盘的价格已在千元以下，这对使用者来说每兆字节的价格已经很低了。

③磁盘阵列。在工业企业中，经常将多个硬磁盘依照某种方式组织到一起构成磁盘阵列，即RAID。采用硬磁盘构成的阵列可以获得更大的容量和更高的速度，而且数据更安全，可靠性也更高。在RAID中经常采用的技术有：

a.镜像技术。该技术是指将数据同时存放在两个以上的磁盘上，构成数据的多个拷贝。采用这种冗余存储技术，可保证数据更加安全。

b.校验技术。RAID在数据的读或写时均采用校验技术，对数据进行校验，从而提高了数据的可靠性。奇偶校验、海明码校验及循环冗余码校验是经常被采用的校验技术。

c.条块技术。条块技术是将数据分成块，在写入RAID时各块并行写入各个磁盘驱动器的磁盘中，读出时也是并行读出。显然，这样做可以提高RAID的传输速率。

RAID分为许多级，常见的有：●

0级冗余磁盘阵列(RAID0)。这是一种不具备容错能力的阵列，仅把多个硬盘看成一个容量大N倍(假定由N台硬盘构成阵列)、速度高N倍的硬盘。

●1级冗余磁盘阵列(RAID1)。这是采用镜像技术改善可靠性的一种磁盘阵列。当某一磁盘出现故障时，其镜像仍然可用。●2级冗余磁盘阵列(RAID2)。这是采用海明码校验的一种磁盘阵列。●

3级冗余磁盘阵列(RAID3)。这一级磁盘阵列采用奇偶校验，从而可将2级的多个校验用硬盘减少到只有一个，以降低磁盘阵列的成本。

●

4级冗余磁盘阵列(RAID4)。该级阵列是以磁盘扇区为单位，对多个硬盘进行交叉存取的。当数据很少(不多于一个扇区)时，可只对两个硬盘进行操作，一个写(读)数据，另一个写(读)奇偶校验。而在3级冗余磁盘阵列中，数据是以位或字节为单位进行交叉存取的，因此每次存取都需要对更多的磁盘进行操作。

●5级冗余磁盘阵列(RAID5)。在前面的级别中，存放数据和存放校验的盘是分开的，每次读/写数据都需要对校验盘进行操作，经常会发生争用。RAID5采用数据条块技术和分布式奇偶校验技术，不设置专用的校验盘，而是以某种规则指定存放校验码的硬盘。因此，每一台硬盘既记录数据也记录校验码。RAID5在传输速率、容错能力及有效性均比前几种级别的RAID要好。除上述六个级别的RAID外，还有一些复合形式的RAID，如RAID6、RAID7、RAID10等。

(2)光盘存储器。光盘存储器具有记录密度高、存储容量大、采用非接触式读/写信息、所存储的信息可以长期保存等诸多优点，已成为计算机使用者不可缺少的一种外存储器。①

CD家族的发展。激光通过聚焦，可获得直径为1μm的光束。技术人员经研究发现，可以利用这种光束来记录和重放信息。为此，从20世纪70年代初不少国家就致力于这方面的研究工作。到1972年已在实验室研制成功并于1978年将LV激光视盘正式投入市场。从那之后，这方面的研究成果陆续出现，其发展过程如图10.5所示。

图10.5光盘的发展

为了使大家了解目前书刊上经常出现的有关光盘的产品，下面对它们进行简要介绍。●LV(LaserVision)：激光视盘。●音频CD和MD。●CD-G(CompactDiscGraphic)：图形光盘。●CD-V(CompactDiscVideo)：视频光盘。●CDDA(CompactDiscDigitalAudio)：激光唱盘。●CD-ROM(CompactDiscReadOnlyMemory)：光盘只读存储器。●CDI(CompactDiscInteractive)：交互式光盘。●CD-ROMXA(CD-ROMeXtendedArchitecture)：扩展结构CD-ROM●

PhotoCD：相片CD。

●CD-R(CompactDiscRecordable)：可记录光盘。●VCD(VideoCompactDisc)：视频紧凑光盘。●DVD(DigitalVideoDisc)：数字视盘。●MO(MagnetoOptical)：磁光盘。●PCD(PhaseChangeDisc)：变相光盘。●

FD(FlopticalDisk)：光软盘。

②DVD。前几年市场上广为流行的CD-ROM已经衰落，取而代之的是DVD。目前流行的是：

DVD-ROM。这是DVD只读存储器，其容量为4.7GB。随着技术的发展，采用双面双层技术的DVD-ROM一片盘片的容量可达到17GB。

DVD刻录机。这种刻录机可以刻录DVD盘片，使用中刻录速度快、单一盘片的容量大、价格便宜(三四百元)，是目前市场的主流。康宝(COMBO)。这种光盘驱动器的兼容性特别好，可实现对CD-ROM、CD-R、CD-RW及DVD-ROM的读取，又能实现对CD-R、CD-RW的写入刻录。康宝常配置在笔记本计算机上，为使用者带来很大的方便。

③主要技术指标。目前的个人计算机都配置有光盘驱动器、CD或DVD。其主要技术指标有：

a.盘片尺寸。目前使用最多的光盘尺寸直径为120mm，中心卡孔为15mm，厚度为1.2mm。也有其他尺寸，大到800mm，小到30mm。

b.存储容量。CD光盘的容量为580～680MB，而DVD可高达4.7GB、9.4GB、17GB等。

c.传输速率。早期的CD-ROM驱动器的传输速率为150kb/s，后来很快发展到该速率的几倍乃至几十倍。例如，某光盘驱动器以8X倍速进行DVD刻录，以12X倍速读出DVD。它也可以以24X倍速刻录CD-R，而以40X倍速读出CD。1X指的就是传输速率为150kb/s。

d.缓冲器大小。缓冲器的大小直接影响光盘驱动器的性能。早期的光盘驱动器的缓冲器只有几十千字节到256KB。今天的光盘驱动器的缓冲器都在1～2MB之间，更有大到8MB的。

e.平均存取时间。光盘驱动器的平均存取时间类似于磁盘驱动器的平均存取时间，它包括光头寻找到光道并在光道上找到起始信息的时间，通常由厂家给出。早期的光盘驱动器的平均存取时间在100～200ms之间。

f.接口类型。目前常用的是SCSI接口和EIDE(增强的集成设备电气接口)。随着技术的发展，也有的可接在USB或IEEE1394上。

g.其他。包括光盘驱动器的可靠性、功耗、检错及纠错能力等。

10.2PC机的软件系统

计算机系统中如果仅有硬件系统，那它只具备了计算的功能，并不能真正运算。只有将解决问题的步骤编制成程序，并由输入设备输入到计算机内存中，由系统软件支持，才能完成运算。软件是指为管理、运行、维护及应用计算机所开发的程序和相关文档的集合。可见，计算机系统除了硬件系统，还必须有软件系统。软件系统是计算机系统中的重要组成部分。通常可将软件分为两大类：系统软件和应用软件，如图10.6所示。

图10.6计算机软件系统

10.2.1操作系统在系统软件中最重要的就是操作系统。操作系统负责对计算机的各种资源，包括硬件资源和软件资源进行统一控制、管理、调度、监督，合理地组织计算机的工作流程，使计算机按照使用者的要求有条不紊地工作，从而最大限度地提高计算机各种资源的利用率，为使用者提供更大的方便。

1.PC机操作系统的发展

20世纪80年代初，IBM公司开发出PC机使用的操作系统——PCDOS。后来使用微软的MSDOS。DOS操作系统从1.0一直到6.0，经历了多种版本。直到20世纪90年代中期才逐渐被Windows操作系统所取代。由微软公司开发的Windows操作系统版本1.0是1985年发布的，1987年推出2.0，1990年推出3.0，接着是3.1。这些版本因其风格统一、使用简便而受到广泛欢迎。

1995年推出的Windows95操作系统增加了许多新的功能，同时提供了全新的图形用户界面。

1998年微软推出Windows98操作系统，它在Windows95的基础上进行了改进，又增加了许多新的功能。

Windows9x操作系统是面向个人用户的。

在微软开发9x操作系统的同时，从1989年开始，公司专门组织力量为商业用户开发PC机的操作系统。从那时开始，微软开发出多种版本的WindowsNT操作系统，一直到1996年发布的NT4.0、1998年发布的NT5.0。在2000年，微软公司推出NT系列的操作系统Windows2000。

从20世纪80年代中期开始，微软为PC机开发操作系统时是沿着两条不同的渠道进行的：一条是开发个人用户消费型操作系统；另一条是为工商企业开发商用型操作系统。到2001年推出WindowsXP操作系统时微软才结束了两条渠道同时开发的历史。WindowsXP操作系统成功地将两者结合到一起，既适合于个人家用也适合于商用，成为目前应用于PC机上的主流操作系统。

2.Windows操作系统的主要功能

(1)CPU管理。

(2)存储管理。

(3)文件管理。

(4)设备管理。

(5)其他功能。

3.其他操作系统在PC机上安装的主流操作系统就是Windows操作系统。除此之外，在一些个人或商用计算机上也安装有Unix或者Linux操作系统。

Unix从20世纪70年代开发出来之后，经历了不断的发展，现已成为世界范围内最流行的操作系统之一。Unix是一个典型的分时操作系统，其最大的特点是其系统的开放性。用户可以方便地向系统添加新的功能，使该操作系统的功能愈加完善。

10.2.2应用软件常见的应用软件包括：

(1)文字处理软件。文字处理软件包括比较简单的文本录入、存储、编辑、打印等基本功能，例如人们常用的Word、WPS、Wordperfect等；也包括比较专业的高级排版系统，如国内广泛使用的方正、华光等排版系统。

(2)电子表格软件。在各行各业的办公应用中，会需要大量的报表。为此，在PC机的应用软件中配置有电子表格软件，如人们熟悉的Excel、Lotus123等。

(3)图形、图像软件。在PC机上可以配置绘图软件和用于彩色图像处理的图像处理软件。这类软件种类繁多，如与Windows捆绑的VISIO、AutoCAD、Protel以及Photoshop等。

(4)网络通信软件。在Windows98之后的操作系统中都包含了一般用户上网、收发电子邮件等所需要的网络通信软件，例如OutlookExpress、InternetExplorer等。

(5)简报软件。这些软件主要用来制作幻灯片、演讲报告等，常见的如PowerPoint、ShowPartner等。

10.3SOC的概念、结构及SOC下的PC机系统

10.3.1SOC的概念

SOC(SystemOnChip)即片上系统，是20世纪90年代出现的概念。Dataquest定义SOC为包含处理器、存储器和片上逻辑的单片集成电路，这大致反映了20世纪90年代中期SOC设计的基本情况。随着技术的发展，SOC的定义也在不断地完善，今天的SOC中包含一个或多个处理器，还包括存储器、数字电路模块、模拟电路模块、数模混合电路模块以及片上可编程逻辑。

从SOC的定义可以看到，它是一种具有如下特征的系统级芯片：①功能高度复杂；②芯片采用超亚微米的微细加工工艺制作；③芯片中至少有一个或多个CPU或处理器；④包含多种数字、模拟信号接口；⑤芯片可以通过外部重新编程改变功能。随着集成电路技术的发展，SOC的发展极为迅速，已广泛应用于工业、企业及军事装备之中，在可以预见的未来，SOC必将会更进一步发展。

10.3.2SOC的结构

1.IntelXScale结构处理器硬件

IntelXScale结构处理器的硬件框图如图10.7所示。

图10.7XScale结构处理器的硬件框图

2.PXA27XSOC处理器芯片

PXA27X是一种高性能、低功耗(可达到MIPS/mW)、功能强劲的SOC处理器，它采用Intel公司的XScale结构作为其内核。在PXA27X中包括了除浮点运算指令之外的全部ARMV5TE的指令集，同时还包括Intel公司的整数无线MMX指令。这就使得该处理器的指令功能及对多媒体信号的处理能力十分强大。

PXA27X有两种封装形式：13mm×13mm的FVBGA和23mm×23mm的PBGA。前者有356条球状引线，而后者有360条球状引线。

PXA27X的结构框图如图10.8所示。在图10.8中，用实线框起来的各个部分组成PXA27X芯片，实线框之外是芯片外接的部分。由图10.8可以看到，在硬件上PXA27X包括如下部分：

(1)PXA27X内部集成有4个体的SRAM，每个体64KB，4个体共256KB。

(2)PXA27X内部有LCD控制器，可以支持显示分辨率达800×600像素的LCD显示。

(3)该处理器集成有存储器控制器(见图10.8虚线框部分)，该控制器提供了各种控制信号，用以支持芯片外接SDRAM、闪速存储器、PC卡等存储器件