微型计算机硬件基础

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第章 微型计算机硬件基础,本章重要概念,人们平时所说的“电脑”的准确称谓应是微型计算机系统，简称微机。,一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统组成。,随着计算机技术的飞速发展，计算机的硬件和软件正朝着相互渗透、相互融合的方向发展，在计算机系统中，硬件与软件之间的分解线越来越模糊。计算机硬件和计算机软件既相互依存，又互为补充。本章就微型计算机系统，对其硬件进行综合介绍。,2.1微机系统的组成,构成一个完整的计算机系统必须要有硬件和软件两部分，微型计算机也是如此，由硬件系统和软件系统组成。,2.1.1硬件系统,计算机的硬件系统，是指计算机中的电子线路和物理设备。,1,、,硬件系统组成,一台微机的硬件系统必须由,5,个部分组成，即运算器、控制器、存储器、输人设备和输出设备。,如图,2.1,所示。,2、微机的基本结构,2.1.2微机系统的3个层次,在微型计算机系统中存在着从局部到全局3个层次：微处理器,微型计算机,微型计算机系统。,1微处理器,(MPU，Micro Processor Unit),微处理器是微型计算机的,CPU,。通常由一片或几片大规模集成电路或超大规模集成电路组成。,2微型计算机(,Micro Computer),微型计算机以微处理器为核心，加上存储设备、,I0,接口和系统总线组成。有的微型计算机将这些部件集成在一个超大规模芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。,3微型计算机系统(,Micro Computer System),微型计算机系统是以微型计算机为核心，再配以相应的外部设备、电源、辅助电路和控,制微型计算机工作的软件而构成的完整计算系统。,2.2 微机主机系统,微型计算机主机系统通常被封装在主机箱内。主要包括主板总线、微处理器（,CPU,）、,内存储器系统、输入输出接口等,4,个部分。制成一块或多块印刷电路板，称为主机板，简称主板,(,Mainboard,),，,2.2.1 主板,主板又叫母板或系统板，,如果,把,CPU,看成是计算机的大脑，那么主板就是计算机的身躯。是一个插槽的集合体，也是整个硬件系统的平台，微机的各个部件都要直接插在主板上或通过电缆连接在主板上，它上面的一组组的细金属线就是总线的物理体现。主板的中心任务是维系,CPU,与外部设备之间能协同工作，不出差错。在控制芯片组的统一调度之下，,CPU,首先接受各种外来数据或命令，经过运算处理，再经由,PCI,或,AGP,等总线接口，把运算结果高速、准确地传输到指定的外部设备上。,主板主要功能有两个：一是提供安装,CPU,、,内存和各种功能卡的插座，部分主板甚至将一些功能卡的功能制作在主板上；二是为各种常用外部没备，如打印机、扫描仪、调制解调器、外部存储器等提供通用接口。,对于主板而言，芯片组几乎决定了主板的功能，进而影响到整个微机系统性能的发挥，芯片组是主板的灵魂。实际上微机通过主板将,CPU,等各种器件和外部设备有机地结合起来形成一套完整的系统。微机在正常运行时对系统内存、存储设备和其他,I,O,设备的操控都必须通过主板来完成，因此微机的整体运行速度和稳定性在相当程度上取决于主板的性能。,随着计算机的不断发展，不同型号的微机主板结构是不一样的，典型的主板系统逻辑结构如图2.3所示。,1,ATX,主板,(1),ATX,结构,ATX,结构规范是由,Intel,公司提出的一种主板标准，该标准的设计充分考虑到主板上,CPU、RAM、,长短卡的位置，其中将,CPU、,外接槽、,RAM、,电源插头的位置固定，较好地解决了硬件散热问题，为安装、扩展硬件提供了方便。,ATX,结构与,AT,结构外形的不同是两者的主要区别。,ATX,结构规范有以下3点好处。,第一，主板横向宽度加宽可使主板上许多输入输出信号接口直接从主板上引出。简单的外型改造提高了系统的稳定性和可维护性。如串、并口、鼠标接口等，这些信号在,AT,型主板上是依靠定制的线缆联接到主机箱的后面板上。第二，主板上元器件排列位置更趋合理。第三，提高了效率及系统的可维护性，降低了系统开销。,(2),ATX,主板规范,ATX,标准的设计规格为宽,12,英寸,(305,mm),高为,9.6,英寸,(244,mm),。,(3)主板图,ATX,主板物理结构如图,2.4,所示。,2主板主要部件,(1)芯片组,芯片组是主板的灵魂，由一组超大规模集成电路芯片构成。芯片组控制和协调整个计算机系统的正常运转和各个部件的选型，它被固定在母板上，不能像,CPU、,内存等进行简单的升级换代。,芯片组的作用是在,BIOS,和操作系统的控制下，按照统一规定的技术标准和规范为计算机中的,CPU、,内存、显卡等部件建立可靠的安装、运行环境，为各种接口的外部没备提供可靠的连接。,(2),CPU,插座,用于固定连接,CPU,芯片。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,上。为了使,CPU,安装更加方便，现在,CPU,插座基本上采用零插槽式设计。如果另配,CPU,的话，则必须注意和主机板,CPU,插座相匹配。,(3)内存插槽,随着内存扩展板的标准化，主板给内存预留专用插槽，只要购买所需数量与主板插槽匹配的内存条，如,SDRAM(168,线)、,DDR(184,线)，就可以实现扩充内存和即插即用。,(4)总线扩展槽,主板上有一系列的扩展槽，用来连接各种功能插卡。任何插卡插入扩展槽后，都可以通过系统总线与,CPU,连接，在操作系统的支持下实现即插即用。,(5)输入输出接口,接口是指不同设备为实现与其他系统或设备连接和通信而具有的对接部分。,输入输出接口是,CPU,与外部设备之间交换信息的连接电路，它们通过总线与,CPU,相连，简称,IO,接口。,IO,接口分为总线接口和通信接口两类。当需要外部设备或用户电路与,CPU,之间进行数据、信息交换以及控制操作时，应使用微机总线把外部设备和用户电路连接起来，这时就需要使用微机总线接口；当微机系统与其他系统直接进行数字通信时使用通信接口。,(6)基本输入输出,BIOS,和,CMOS,BIOS,是一组存储在,EPROM,中的软件，固化在母板的,BIOS,芯片上，主要作用是负责对基本,IO,系统进行控制和管理。,CMOS,是一种存储,BIOS,所使用的系统存储器，是微机主板上的一块可读写的芯片，用来保存当前系统的硬件配置和用户对某些参数的设定。当计算机断电时，由一块电池供电使存储器中的信息不被丢失。用户可以利用,CMOS,对微机的系统参数进行设置。,BIOS,是母板上的核心，由,BIOS,负责从计算机开始加电到完成操作系统引导之前的各个部件和接口的检测、运行管理。在操作系统引导完成后，由,CPU,控制完成对存储设备和,I0,设备的各种操作、系统各部件的能源管理等。,现代计算机系统的复杂结构，使各部件之间需要有一个能够有效高速传输各种信息的通道，这就是总线。,在微机中总线一般分为内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是用于芯片一级的互联；系统总线是用于插件板一级的互联；外部总线是用于设备一级的互联。,另外，从广义上说，计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信，相应的通信总线称为并行总线和串行总线。并行通信速度快、实时性好，但由于占用线多，不适于小型化产品；而串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的情况下则显得更加简易、方便、灵活。,1.内部总线,内部总线就是微处理器级总线，也叫前端总线。包括地址总线(,AB，address bus)、,数据总线(,DB，,databus,),和控制总线(,CB，control bus)。,常见有：,I2C,总线、,SPI,总线,、,SCI,总线,。,2系统总线,系统级总线也称为,IO,通道总线，同样包括地址线(,AB)、,数据线(,DB),和控制线(,CB)，,用于,CPU,与接口卡的连接。为使各种接口卡能够在各种系统中实现,“,即插即用,”,，系统总线的设计要求与具体的,CPU,型号无关，而有自己统一的标准，以便按照这种标准设计各类适配卡。常见的总线标准有：,ISA,总线、,PCI,总线、,AGP,总线等。,现代微型计算机中的多总线结构示意图如图2.5所示。图中的“北桥”、“南桥”是控制芯片组的两个部分。,3.外部总线,(1),RS-232 C,总线,RS-232 C,是美国电子工业协会(,EIA，Electronic Industry Association),制定的一种串行物理接口标准。,RS,是英文,“,推荐标准,”,的缩写，其中232为标识号，,C,表示修改次数。,(2),RS.485,总线,RS.485,串行总线标准可以满足通信距离要求为几十米到上千米的场合。,RS.485,采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200,mV,的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。,RS.485,用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用,RS.485,可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。,(3),IEEE-488,总线,IEEE-488,总线是并行总线接口标准。,IEEE-488,总线用来连接系统，如微计算机、数字电压表、数码显示、其他仪器仪表器等设备。,(4)USB,总线,通用串行总线(,USB，Universal Serial Bus),是由,Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom,等7家计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展,PC,连接外设范围的目的。,USB,总线不像普通使用的串、并口的设备需要单独的供电系统，它可以为外设提供电源。,USB,技术的突出特点之一时速度快，,USB,的最高传输率可达12,Mb/s，,比串口快100倍，比并口快近10倍。,CPU（Central Processing Unit）,中文名称是中央处理器，微型计算机的,CPU,又称为微处理器(,Micro-Processor)，,如图2.6所示。,图2.6,CPU,它负责系统的数值运算和逻辑判断等核心工作，并将运算结果分送内存或其他部件，以控制计算机的整体运作。,2.2.3 微处理器（,CPU）,1微处理器的一般结构,微处理器内部从总体上讲由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成，如图2.7所示，它们通过,CPU,内部总线连接在一起，现代微处理器中还包含有高速缓冲存储器(,cache)。,各部分由集成电路技术集成在一片硅片上。,（1）运算器和内部存储器组,运算器由算术逻辑单元(,ALU)、,通用或专用寄存器组及内部总线3个部分组成。其主要功能就是进行算术运算和逻辑运算。,（2)控制逻辑单元,控制逻辑单元主要完成指令的分析、指令及操作数的传送、产生控制和协调整个,CPU,工作所需要的时序逻辑等。,除了微处理器,CPU,外，计算机还拥有一种称为协处理器的配套芯片。它是通过硬件电路高速度地完成原来用软件完成的数学运算或其他处理工作的专用处理器。,2微处理器的性能,(1),CPU,执行指令的速度，即,CPU,每秒所能执行的指令的条数,CPU,执行指令的速度与“系统时钟”有直接的关系。,在一台计算机中，系统时钟的频率是根据部件的性能决定的。,CPU,的标准工作频率就是人们常说的,CPU“,主频”。,CPU,主频以,MHz(,兆赫)为单位计算，1,MHz,指每秒一百万次(脉冲)。,CPU,主频的高低与,CPU,的外频和倍频有关，其计算公式为：主频外频倍频。,(2),CPU,的“字长”，即,CPU,一次所能处理的数据的二进制位数,如果一个,CPU,的字长为8位，它每执行一条指令可以处理8位二进制数据。,Pentium 4,微处理器的字长是32位，即执行一条指令可以处理32位数据。因此，按,CPU,字长可将微型机分为8位、16位、32位和64位等类