第2章2.3 主板、内存和IO

2.3主板、内存和I/O2.3.1

主板、芯片组与BIOS2.3.2内存储器2.3.3

I/O总线和I/O接口台式PC的物理组成台式机1音箱5CPU2调制解调器6键盘3麦克风7鼠标器4内存条8CD驱动器9软驱10硬盘驱动器11打印机12I/O接口13CRT显示器14扩展卡主板2.3.1

主板、芯片组与BIOS台式PC机(立式)的主机箱扩展空间(1)主板主板的作用：安装所有的电子器件、电路与连接件ROMBIOS：存放最基础的软件——基本输入/输出系统(BIOS)CMOS存储器：存放硬件配置信息和系统基本参数（日期、时间、口令等）内存条插座处理器

USB、VGA、HDMI

等I/O接口光驱及硬盘连接器电源连接器扩充卡插座(PCI)CPU插座芯片组

BIOSCMOS存储器扩充卡插座(PCI-Ex1)显示卡插座(PCI-Ex16)例：华硕P8B75-VCorei7/i5/i3独立显卡PCI插槽(3个)最大容量32GB(5个)PCI-Ex1插槽(2个)音频端口PS/2接口(4个)安装了CPU和内存条的主板(2)芯片组的作用芯片组是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CPU芯片CPU前端总线北桥MCH图形卡接口双通道南桥ICH5USB2.0接口(x8)以太网接口PCI插槽(≤6个)ROMBIOS硬盘接口(x2)音频CodecSuperI/O键盘,鼠标,软驱,并口,串口等电话ModemDDR2电源管理、时钟生成DDR2存储器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、声卡等功能由于CPU芯片越来越复杂，功能越来强大（如Corei3/i5/i7），有些已将北桥芯片的存储器控制器和图形控制器功能集成在CPU芯片之中，因此主板上北桥芯片已经消失，只需一块南桥芯片即可。单芯片的芯片组DDR42133内存条DDR42133内存条10xSATA3.0Intel硬盘阵列技术IntelME固件与BIOS支持8x1通道PCI-E2.0IntelCorei75960xX99芯片组40GB/s

17GB/s17GB/sDMI2.0Intel高清晰音频2x16通道PCI-E3.01x8通道PCI-E3.0Intel集成以太网10/100/1000MAC千兆以太网连接支持3个显示器8xUSB2.06xUSB3.0PCI-Ex1SMbus（独立显卡接口）DDR42133内存条DDR42133内存条17GB/s17GB/s5Gb/s4GB/s6Gb/s(3)BIOS什么是BIOS（BasicInput/OutputSystem）？“基本输入/输出系统”，存放在主板上只读存储器（ROM）芯片中的一组机器语言程序（固件）功能：诊断计算机故障启动计算机工作在启动阶段控制基本外设的输入输出操作(键盘、鼠标、磁盘读写、屏幕显示等)BIOS芯片保存BIOS的只读存储器(ROM)芯片BIOS芯片中包含的程序加电自检程序程序（POST）

(PowerOnSelfTest)用于检测计算机硬件故障系统自举程序（Boot）启动计算机工作，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、配置参数等常用外部设备的驱动程序（Driver）在计算机启动阶段实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输入输出操作的控制2.3.2内存储器复习：内存与辅存的关系及比较内存储器(简称内存或主存)存取速度快，成本高、容量相对较小按字节编址和存取直接与CPU连接，CPU(指令)可以对内存中的指令及数据进行读、写操作大多属于易失性存储器(volatile)，用于临时存放正在运行的程序和数据内存储器辅助存储器CPU指令1指令2指令k指令n程序数据1数据2数据m数据①任务启动时，执行该任务的程序和数据将从辅存成批传送到内存②CPU从内存中逐条读取该程序的指令及相关的数据④将指令的运算处理结果送回内存保存⑤任务完成后，将处理得到的全部结果成批传送到辅存以长久保存③逐条执行指令，按指令要求完成对数据的运算和处理辅助存储器(俗称外存，简称辅存)存取速度慢，成本低、容量很大按数据块编址和存取不与CPU直接连接，计算机运行程序时，外存中的程序及相关数据必须先传送到内存，然后才能被CPU使用。属于非易失性存储器(Nonvolatile)，用于长久存放系统中几乎所有的信息半导体存储器的分类及应用半导体存储器有多种类型：半导体存储器非易失性存储器易失性存储器(RAM)静态随机存取存储器SRAM动态随机存取存储器DRAM

EEPROM闪速存储器（FlashMemory）（用作Cache存储器）

（用作主存储器）每个存储单元(cell)由6个晶体管组成只要加上电，信息就能一直保持对电器干扰相对不很敏感比DRAM更快，也更贵每个存储单元由1个电容和1个晶体管组成.每10-100ms必须刷新一次对电器干扰比较敏感比SRAM慢，但便宜可用于存储BIOS等固件用作辅存：U盘、固态硬盘NOR型NAND型速度较慢、容量不大，价格便宜，在低端产品中用得较多智能手机/平板电脑的辅助存储器：NAND型闪速存储器主存储器(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（8个二进位）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）····· 0110100110101010存储内容00001000000001000011001001111011111·······存储单元地址地址码存储单元地址寄存器地址译码器地址线读写控制电路数据线控制线读/写的数据读/写控制信号

(64位)(36位)PC机主存储器的物理结构主存储器由1～4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目前流行的是DDR3和DDR4内存条：均采用双列直插式，其触点分布在内存条的两面PC机主板中一般都配备有2个或4个内存条插槽

4个内存条插槽教学参考：

DDR内存条的类型、速率及相关参数时钟频率=100MHz总线频率=200MHz传输频率=400MHz存储单元阵列x4数据总线时钟频率=100MHz总线频率=100MHz传输频率=200MHz存储单元阵列x2数据总线缓冲器缓冲器DDRDDR2存储器时钟频率数据总线频率

100MHz400MHz存储单元阵列存储单元阵列存储单元阵列x8读/写缓冲器(预取8位)数据总线数据传输次数800MT/s读/写缓冲器(预取16位)存储单元阵列存储单元阵列存储单元阵列x16存储单元阵列x16存储单元阵列x16存储器时钟频率数据总线频率

100MHz800MHz数据总线数据传输次数1600MT/sDDR3DDR4存储器与CPU速度差距愈来愈大DRAM,硬盘与CPU之间的速度差距愈来愈大：问题：由于CPU工作速度很快，内存速度比较慢（差1～2个数量级），从内存取数或向内存写数时，CPU往往需要等待解决方案——高速缓存(cache)cache是一种小容量高速缓冲存储器，它由SRAM组成cache直接制作在CPU芯片内，速度几乎与CPU一样快程序运行时，CPU使用的一部分数据/指令会预先成批复制在cache中，cache的内容是主存储器中部分内容的映象当CPU需要从内存读(写)数据或指令时，先检查cache中有没有，若有，就直接从cache中读取，而不用访问主存储器012345678910111213141589143444101010主存中的部分信息复制在cache存储器中cache主存储器CPUCPU芯片教学参考：

如何提高cache的命中率？增大cache容量采用多级cache技术(2级或3级等)cache中采用快速的查找算法，判定是否命中不能命中时，采用有效的算法将读入的内容替换cache中暂时不使用的内容编译器优化目标程序程序员写出cache-friendly的程序小结：计算机存储器的层次结构cache存储器主存储器(RAM和ROM)辅助存储器（硬盘、光盘、闪速存储器）后备存储器（磁带库、光盘库）内存储器辅助存储器寄存器典型容量<1KB几个MB几个GB100GB-1TB10TB-100TB典型存取时间1ns2ns10ns10ms10s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→cache2.3.3

I/O控制与I/O接口输入的任务：将输入设备输入的信息送到内存储器的指定区域输出的任务：将内存储器指定区域的内容送出到输出设备

（I/O操作也包括辅存与内存之间的数据传输）I/O操作的特点：I/O操作与CPU的运算可同时进行多个I/O设备的操作也可同时进行工作每类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操作的任务与特点关于计算机中的总线总线的定义：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高速总线的类型：CPU总线（前端总线FSB）；存储器总线I/O总线（目前使用的是PCI和PCI-E两种）总线的带宽：单位时间内可传输的最大数据量I/O总线：第1代：ISA总线、EISA总线第2代：PCI总线、PCI-X总线第3代：PCI-Express（简称PCI-E或PCIe）总线对应主板上的两种扩充插槽：

PCI插槽

PCI-E插槽PCI-E主控制器PCI-E端点PCI-E端点PCI-E端点PCI-E端点桥接器CPU芯片内存储器PCI-Ex16PCI-Ex1

PCI-E总线PCI和PCI-E扩充卡插槽各种I/O插口PCI插槽工作频率:33MHz，数据线:32位传输速率:133MB/sPCI-Ex1插槽1个串行传输通道；最高传输速率:250MB/s显卡插槽(PCI-Ex16)16个串行传输通道；最高传输速率:5GB/s教学参考：

什么是PCI-E？由英特尔提出，原名为“3GIO”，改名为“PCI-Express”（PCI-E或PCIe）。目标是全面取代现行的PCI和AGP，实现总线接口的统一采用高速串行传输，以点对点的方式与主机进行通信教学参考：

PCI-E的优点传输速率高：x1速率可达250MB/s，x16速率可达5GB/s（2.0版速率提高为2倍,3.0版为4倍）适应性好：包括x1、x4、x8及x16多个类型台式PC机箱背部的I/O设备接口显示器接口(3种)麦克风音箱键盘接口HDMI接口USB接口以太网RJ-45接口鼠标器接口数字音频接口(同轴电缆接口)

数字音频接口（光纤接口）

e-SATA接口常用的I/O接口及其性能参数名称传输方式数据传输速率插头/插座形式连接设备数目连接的设备USB(2.0)串行,双向60MB/s（高速）矩形4线最多127几乎所有外围设备USB(3.0)串行,双向400MB/s（超高速）矩形8线最多127几乎所有外围设备USB(3.1)串行,双向10Gb/s(800MB/s)2x12(正反相同)插头/插座最多127几乎所有外围设备显示器接口VGA并行,单向200～500MB/sHDB151显示器显示器接口DVI并行,单向3.7/7.6Gbit/s24针插座1显示器高清晰多媒体接口HDMI并行,单向10.2Gbps19针插座1显示器、电视机关于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：USB2.0版：最高达480Mb/s（60MB/s）USB3.0版：最高达3.2Gbps（400MB/s）USB2.0使用4线标准连接器，体积小，符合即插即用规范（Plug&Play,即PnP）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)

USB标识USB3.0USB接口的3种类型标准USB接口(A型),通常在PC上出现标准USB接口(B型),通常在USB设备上出现黑地GND4绿数据＋＋DATA3白数据－－DATA2红电源VCC1导线颜色名称信号引脚Mini-USB,数码相机、移动硬盘等设备经常使用Micro-USB,智能手机、平板电脑、数码相机等使用USB接口及常用的连接器新型连接器“Type-C”（也称为USB-C），外形比2.0微型B连接器略大，正反两面各有12个触点，不再需要区分插头和插座的方向，正反均可插入，为用户提供了方便。更为重要的是，它有多种工作模式，不仅支持USB3.1版，而且支持3.0/2.0/1.1等各种版本，不仅用于主设备，也可用于从设备；它还支持高品质的音视频信号输出功能，有望取代HDMI接口。USB2.0OTG接口功能：扩展传统USB2.0的功能，使得智能手机/平板电脑既可作为“从”设备（外围设备）连接到PC（“主控设备”），又可作为“主控设备”，去连接U盘、打印机、键盘等“从”设备U盘OTG数据线小结：

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Corei7/i5/i3CPU芯片附录SRAM的存储单元6管静态NMOS存储单元读出时：

-置2个位线为高电平

-

置字线为1-根据存储单元的状态改变位线的输出电平写入时：

-位线上是被写入的二进位信息0或1-置字线为1-存储单元(触发器)按位线的状态设置成0或1信息存储原理：看作带时钟的RS触发器存储单元字线位线D位线DDRAM的存储单元单管动态MOS存储单元读出时：字线位线V~Cnode/CBL写入时：字线位线V电容Cnode信息存储原理电容Cnode处于充电状态时，表示1；电容Cnode处于放