第二章计算机组成原理——2.3.ppt

1、2.3 PC机的主机,2.3.1 主板、芯片组与BIOS 2.3.2 内存储器 2.3.3 I/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,PC机的物理结构,2.3.1 主板、芯片组与BIOS,1、主板（母板）“Mainboard”或“Motherboard”，简称M/B,华硕P4T主板实物照片,超链内存条,CMOS芯片,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

2、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,北桥芯片,南桥芯片,Intel 865P 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

3、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） VI

4、A（威盛，中国台湾） nVIDIA（美国） ATI（加拿大） AMD（美国）,2.3.3 I/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

5、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,硬盘，光驱,主板,）,内存,主,板,插,槽,机箱,芯片组,IDE,接口,CPU,I/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/

6、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

7、制 DMA控制器（Direct Memory Access） 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/

8、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,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/S 2.0版本为500MB/S，3.0版本将达到1GB/S PCI-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-E x16的 支持，在南桥芯片中

9、添加了对PCI-E x1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

10、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,台式PC机箱背板照片,常用I/O接口,常用I/O接口VGA,关于USB接口,通用串行总线式接口（Universal Serial Bus ） 高速、可连接多个设备、串行传输 传输速率： USB的1.0版：1.5 Mb/s（慢速） USB的1.1版：1.5 MB/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 传输速度：50 MB/s 100 MB/s 支持即插即用和热插拔 此接口的连接

11、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（small computer system interface）接口,关于IEEE-1394接口,关于SCSI接口,small computer system interface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

12、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 Ultra ATA/100或Ultra ATA/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(150300MB/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

13、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；,小结,小结1：I/O总线,I/O控制器,I/O接口与I/O设备

14、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,3、BIOS（Basic Input/Output System）,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,BI

15、OS主要包含4部分程序, 一般情况下是不能被修改的 POST程序(Power On Self Test，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

16、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

17、中存放的是CMOS设置程序， CMOS RAM中存放的是这个程序所设置的数据； BIOS是主板上一块EPROM或Flash ROM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、

18、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,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 cache 3）如操作数不在cache，则访问RAM，如在RAM中，则取自RAM 4）如操作数不在RAM，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出RA

19、M cache,内存又称主存，分为ROM和RAM ROM（Read Only Memory，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 - Mask ROM（掩膜ROM）、PROM ：不能改写； - EPROM ：用专用装置改写 Flash ROM（快擦除ROM、闪存） 用于BIOS，U盘，数码相机中。,RAM(Random Access Memory，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：

20、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，1 ns = 10-9 s）,0000 0000 0000 0001,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,10110

21、111,Read/Write信号,内存,主存储器的结构与工作原理,10110111,PC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,DDR SDRAM 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: EDO DRAM、SDRAM （单速率同步DRAM）、 双通道RDRAM DDR SDRAM （双倍速率同步DRAM） DDR2 SDRAM （DDR2拥有

22、两倍于DDR的预读取数据的能力） DDR3 SDRAM,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,DDR存储器的类型、速率及相关参数,半导体存储器芯片的类别,例题,右图是PC机主板的示意图，其中(1)(2)(3)分别是：,C,I/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： A. SRAM B. SDRAM C. EPROM D. Flash ROM,D,下列叙述正确的是 。 A. 大多数PC机只有一块CPU芯片，即使是“双核”CPU也是一块芯片 B. 所有Pentium系列微机的内存条相同，仅有速度和容量大小之分 C. 主板上芯片组的作用是提供存储器控制功能，I/O控制与芯片组无关 D. 主板上CMOS芯片用于存储CMOS设置程序和一些软硬件设置信息,A,下面哪些是提高CPU速度的有效措施 ？ 增加CPU中寄存器的数目 提高CPU的主频 增加CPU中高速缓存（