第3章微型计算机硬件系统基础概要

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1、第3章 微型计算机硬件系统基础,主讲教师：,3.1微型计算机硬件系统的组成 3.2主机及其内部结构 3.3 外部存储器 3.4 输入输出设备 3.5 计算机硬件的DIY,第3章 微型计算机硬件系统基础,计算机中发展最快、应用最广泛的是微型计算机。 微型计算机仍遵循冯诺依曼体系结构。 完整的微型计算机系统是由微型计算机硬件系统和软件系统两大部分组成的。 微型计算机的硬件系统是以CPU和总线为核心的。,3.1微型计算机硬件系统的组成,图3-1 微型计算机系统组成,CPU是微型计算机的核心。除内存外，CPU不直接与其它部件连接。 微型计算机的硬件系统结构普遍采用总线(BUS)结构来实现各种部件之间的

2、连接。 总线，是指计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道(连接线集)。 微型计算机中的总线有多种类型。CPU与外部电路(设备)的连接线集称为系统总线，它包括数据总线(DB)、地址总线(AB)和控制总线(CB)三种。,3.1微型计算机硬件系统的组成,3.1微型计算机硬件系统的组成,图3-2微型计算机硬件结构图,3.1微型计算机硬件系统的组成,图3-3 部分微型计算机外观,微型计算机由主机和外设组成。而主机一般包括中央处理器、主存储器等。 3.2.1 中央处理器(CPU) 中央处理器(Central Processing Unit，CPU)是一块超大规模集成电路芯片，通过专门的CPU插座

3、安装在主板上。 CPU主要包括运算器、控制器和寄存器三个部件： 运算器主要完成各种算术运算和逻辑运算； 控制器是指挥控制中心，控制运算器及其它部件工作； 寄存器是用来暂时存放运算的中间结果或数据。,3.2主机及其内部结构,CPU有许多型号和类型，其分类方法也有多种： 台式机CPU和笔记本CPU； Intel CPU和AMD CPU； 单核CPU和多核CPU； PC机CPU和服务器CPU等。 单核CPU 由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等构成。 其基本内部结构如图3-4所示。,3.2主机及其内部结构,3.2主机及其内部结构,图 3-4 单核CPU基本结构,(1)运算器和内部寄存器 运算器的主

4、要部件是算术逻辑单元ALU，其核心功能是实现数据的算术运算和逻辑运算。 内部寄存器包括通用寄存器组和段寄存器组，其功能是用来暂时存放数据(包括参加运算的运算数、运算结果等)。 (2)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需要的时序逻辑等。 (3)CPU内部总线 数据和指令在CPU内的传送通道，包括ALU数据总线等。,3.2主机及其内部结构,多核CPU 多核处理器是指在一块CPU芯片内集成两个以上完整的计算引擎(内核)。 多种因素限制了单核CPU的性能进一步提高： 半导体物理性能限制了单核芯片的工作频率进一步提高； 半导体物理性能限制了单核芯片的集成的晶体

5、管数目。 用单芯片多处理器(CMP)技术来替代复杂性较高的单线程CPU，但从结构到工艺都有许多的问题需要解决。,3.2主机及其内部结构,2005年4月，Intel公司才推出双核的“奔腾D型”CPU，AMD公司在之后也发布了双核皓龙(Opteron)和速龙(Athlon)64X2型处理器。至今已经有多达16核的服务器CPU面市。 从单核到双核，再到多核的发展，证明了摩尔定律仍是非常正确的。 多核处理器已经成为被广泛采用的计算模型： 在推动PC机安全性和虚拟化技术的重大进程中扮演着中心作用； 极大地扩展其家庭PC和数字媒体计算系统的使用； 实现更大的性能/能耗比。,3.2主机及其内部结构,CPU的

6、主要性能指标 主频：以GHz为单位。主频越高，CPU的运算速度也就越快。 CPU的字长：字长越长，性能越好。当前主流CPU的字长为64位。 缓存(Cache)：CPU缓存的工作频率与CPU相同。CPU缓存可分L1 Cache、L2 Cache和L3 Cache三级，缓存容量越大，CPU内部读取数据的命中率越高。 内核数目：一般说，内核数越多，性能越高。 前端总线(FSB)频率：CPU与内存直接数据交换速度。FSB越高，性能越高。 指令执行速度：即CPU每秒能执行的指令数，单位为MIPS(百万次/秒) 工作电压：指的也就是CPU正常工作所需的电压。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题，这对于笔记

7、本电脑尤其重要。 制造工艺：现在CPU制造工艺已经普遍采用了32nm和22nm的生产工艺，20nm工艺的CPU已于2014年底投入市场以提高CPU的集成度和工作频率。,3.2主机及其内部结构,3.2.2 图形处理器GPU 图形处理器(Graphic Processing Unit，GPU)，是相对于CPU的一个概念。 在现代的计算机中，图形处理变得越来越重要。 3D图形处理涉及大量的计算，因此需要能够从硬件上支持T&L图形处理器而不占用CPU资源。 基于GPU、海量显存和高速接口技术的显示器适配卡(简称显卡)在3D图形处理上获得了极大的成功。,3.2主机及其内部结构,GPU的特点 体系结构：G

8、PU的体系结构既不同于CPU； 浮点运算：GPU所有计算均使用浮点算法，没有位或整数运算指令； 二维存储空间：GPU存储系统采用二维的分段存储空间，包括一个区段号(从中读取图像)和二维地址(像素坐标)； 直接写指令：没有任何间接写指令。输出写地址由光栅处理器确定，且不能由程序改变； 独立执行碎片代码：不同碎片的处理过程间不允许通信，在所有碎片中独立执行代码。,3.2主机及其内部结构,基于GPU的显示器适配卡 通常GPU安装在显示卡上作为PC的扩展卡。 Intel则把GPU集成在控制芯片中。,3.2主机及其内部结构,图3-8 GeForce GTX 480显示器适配卡及其安装,3.2.3 内部存

9、储器 内部存储器简称内存，又称为主存储器。它是一组或多组具备数据读/写操作和数据存储功能的集成电路。 内存的分类 只读存储器(Read Only Memory，ROM) 存储在ROM中的数据理论上是永久的，既使断电后，保存在ROM中的数据也不会丢失。ROM中常用于存储微型机不可丢失的重要信息，如主板上的基本输入输出系统(BIOS)等。 只读存储器通常又分为ROM、PROM、EPROM)、EEPROM等。,3.2主机及其内部结构,随机存取存储器(Random Access Memory，RAM) RAM用来存放系统中正在运行的程序、数据和中间结果、与外部设备交换的信息等。 它的存储单元根据需要可

10、以进行读/写操作，但它只能用于暂时存放信息，一旦断电，其中的数据就会丢失。 随机存储器就是内存条，是最重要计算机部件。 随机存储器又分为动态随机存储器DRAM和静态随机存储器SRAM两大类，而动态随机存储器又可以有SDRAM、DDR和RDRAM等类型。,3.2主机及其内部结构,图3-12 DDR 3内存条,高速缓冲存储器(Cache) Cache是一种容量较小、但速度很高的存储器，通常由SRAM组成。 凡传输速率不同的器件或设备相连，接口处均需要设置一定容量的Cache以确保数据传输正确和提高运行速率。 在CPU、控制芯片、硬盘、软盘驱动器、光盘驱动器、显卡和网卡内均设计了一定容量的Cache

11、。,3.2主机及其内部结构,内存储器的主要技术指标 存储器容量：基本单位是字节(Byte简称B)。以1024为倍律。 存储速度：存储器进行一次存取数据所需的时间，单位为纳秒。 内存带宽：与存储器时钟频率、数据总线位数有关。 奇偶校验和ECC：为检验存取数据是否准确无误，内存条中每8bit容量要配备1bit作为奇偶校验位，并配合主板的奇偶校验电路对存取的数据进行正确校验。多用于服务器。,3.2主机及其内部结构,3.2.4 主板 主板(Mainboard)又称为系统板(System Board)或母板(Motherboard)，采用开放式结构。它是在多层印刷电路板上焊接了主板芯片组、接口芯片、稳压

12、电路、时钟电路等多种器件和接插件的微机主要部件。 主板既是计算机各个部件连接的支架和物理通路，也是各部件之间数据传输的逻辑通路。计算机整体运行速度和稳定性也在很大程度上取决于主板的性能。 高度集成和高性能是主板发展必然趋势。集成声卡、网卡、磁盘阵列Raid、集成显卡以及各种新型接口。,3.2主机及其内部结构,主板分类： 从应用角度可分为微机主板和服务器主板两大类； 按其支持的CPU类型又可分为Intel主板和AMD主板两大类。 PC机主板的特征： 只支持单个CPU及相应的芯片组； 一般都不支持内存ECC校验； 提供丰富的输入/输出接口，包括IDE/SATA接口、FFD接口、AGP Pro、PC

13、I-E 2.0 8X/16X显示卡接口、USB2.0/1.1、IEEE1394、COM、LPT、IrDA等接口以满足用户的不同需求； 多数整合10/100M/1000网卡； 价格便宜等。,3.2主机及其内部结构,图3-13 华硕P6X58D Premium主板,CPU插槽：不同类型的CPU使用的CPU插槽结构是不一样的。CPU插槽在安装形式上主要有Socket和Slot两大工业标准。 内存插槽：有DIMM 和SIMM两种类型。主板上内存插槽的数量和类型直接影响系统内存的扩展能力及性能。 主板芯片组：主板芯片组是焊接在主板上的一组超大规模集成电路芯片的总称，芯片组的功能在很大程度上决定主板的功能

14、。主板芯片组由南桥芯片和北桥芯片构成。 扩展插槽：CPU通过系统总线与外部设备连接的通道，每种扩展插槽都有其相应的标准。扩展插槽越多，系统的功能就越强。 CMOS与BIOS：是主板上的一块由主板电池供电的可读写的芯片，用来保存当前计算机系统的硬件配置和用户对某些参数的设定。即便系统掉电，这些设置的信息也不会丢失。CMOS中各项参数的设定要通过专门的程序（即BIOS设置程序）来完成。,3.2主机及其内部结构,3.2.5 计算机电源 微型计算机电源是微机能源的提供者，采用开关电源技术将交流220伏特的电压转换为计算机中所需的土5V、土12V、+3.3V等各种直流电压。 AT电源 ：AT电源是IBM

15、 PC的标准电源。如今AT电源随老式主机淡出了市场。 ATX电源 ：与AT标准相比，主要增加了+3.3V和+5V StandBy两路输出和一路PSON信号，输出的各路电源用一个20芯接线插头给主板供电。是主流产品。,3.2主机及其内部结构,3.2.6 总线、接口与连接电缆 总线 总线是计算机中将各大部件如CPU、存储器、各种控制芯片和输入输出接口电路芯片等互相物理连接，传输各种数据和控制信息的电路和通道。 总线分类： 内部总线：在CPU内，是CPU连接各寄存器、运算器和控制器等的总线。 系统总线：由CPU引出，它由地址总线(AB)、数据总线(DB)和控制总线(CB)组成： DB是双向的，它是C

16、PU与各部分的数据通路； AB是单向的，负责传送由CPU发出的地址编码，到内存或外部接口电路； CB是双向的，负责传送CPU送到内存和接口电路的读写信号、中断响应信号等，也包括其他部件送给CPU的信号，如时钟信号、中断申请信号、准备就绪信号、读/写操作等信号。,3.2主机及其内部结构,系统总线以标准扩展插槽形式对外开放： AGP是一种3D标准图像接口，AGP还采用了一种“双激励的传输技术”，从而推出了AGP 2X、AGP 4X、AGP 8X多个版本，最高数据传输速率可2.1GBps。 PCI是一种位于CPU和系统总线之间的局部总线，是目前微型机最广泛的接口，它的工作频率为33MHz/66MHz，为显卡、声卡、网卡等设备提供了连接接口。 PCIE接口总线按位宽不同而有X1、X4、X8以及X16模式。短PCIE卡可以插入长PCIE插槽中使用。PCIE接口支持热拔插。用于取代AGP接口的是PCIE X16，它能够提供4GBps的实际带宽，远远高于AGP 8X的2.1GBps的带宽。,3.2主机及其内部结构,外部总线：指主机系统与外部设备之间的总线，例如主机与硬盘设备，主机与