第2章2.3 PC機(jī)的主機(jī)

2.3PC機(jī)的主機(jī)2.3.1

主板、芯片組與BIOS

2.3.2內(nèi)存儲(chǔ)器2.3.3I/O總線和I/O接口臺(tái)式PC的物理組成臺(tái)式機(jī)1音箱5CPU2調(diào)制解調(diào)器6鍵盤3麥克風(fēng)7鼠標(biāo)器4內(nèi)存條8CD驅(qū)動(dòng)器9軟驅(qū)10硬盤驅(qū)動(dòng)器11打印機(jī)12I/O接口13CRT顯示器14擴(kuò)展卡2.3.1

主板、芯片組與BIOS臺(tái)式PC機(jī)(立式)的主機(jī)箱擴(kuò)展空間(1)主板主板的作用：安裝所有的電子器件、電路與連接件主板安裝內(nèi)容：見上圖ROMBIOS：存放最基礎(chǔ)的軟件——基本輸入/輸出系統(tǒng)(BIOS)CMOS存儲(chǔ)器：存放系統(tǒng)的基本參數(shù)（日期、時(shí)間、口令等）存儲(chǔ)器插座

處理器插槽外部設(shè)備插口(I/O接口)軟驅(qū)及硬盤的IDE連接器電源連接器PCI總線槽CPU插座顯示卡的AGP插槽南橋芯片ROMBIOSCMOS存儲(chǔ)器北橋芯片CPU插座內(nèi)存條插座軟驅(qū)、硬盤IDE連接器電源連接器PCI總線插槽

芯片組

I/O端口例：華碩P4T主板照片(2)芯片組的作用yALU寄存器組CPU總線接口R6CPU(前端)總線I/O總線主板擴(kuò)展槽PCI接口南橋芯片I/O總線寄存器組運(yùn)算器中央處理器指令計(jì)數(shù)器指令寄存器控制器磁盤控制器以太網(wǎng)卡USB控制器和接口鼠標(biāo)器鍵盤網(wǎng)線disk聲卡視頻卡光驅(qū)主存儲(chǔ)器0A北橋芯片y存儲(chǔ)器總線顯卡芯片組舉例芯片組的作用：是PC機(jī)各組成部分相互連接和通信的樞紐北橋芯片：1.存儲(chǔ)器控制功能；2.連接CPU、存儲(chǔ)器、顯卡、南橋芯片的樞紐南橋芯片：1.多種I/O設(shè)備的控制功能；2.I/O總線(PCI總線)功能；3.提供了各種I/O接口Pentium4CPU前端總線北橋82865PMCH圖形卡接口雙通道南橋82801EICH5USB2.0接口(x8)以太網(wǎng)接口PCI插槽(≤6個(gè))ROMBIOS硬盤接口(x2)音頻CodecSuperI/O鍵盤,鼠標(biāo),軟驅(qū),并口,串口等電話ModemDDR2電源管理、時(shí)鐘生成DDR2存儲(chǔ)器CPU關(guān)于芯片組的一些說明芯片組與CPU芯片同步發(fā)展，有什么樣功能和速度的CPU，就有什么樣的芯片組與之配套由于集成電路集成度越來越高，為降低系統(tǒng)成本，芯片組中集成了越來越多的功能，包括網(wǎng)卡、顯卡、聲卡等功能芯片組產(chǎn)品：Intel芯片(如865、915、945、955、975系列等）VIA（威盛，中國(guó)臺(tái)灣）nVIDIA（美國(guó)）ATI（加拿大）AMD（美國(guó)）(3)BIOS什么是BIOS（BasicInput/OutputSystem）？中文名為“基本輸入/輸出系統(tǒng)”，它是存放在主板上只讀存儲(chǔ)器（ROM）芯片中的一組機(jī)器語言程序功能：診斷計(jì)算機(jī)故障啟動(dòng)計(jì)算機(jī)工作控制基本的輸入輸出操作(鍵盤、鼠標(biāo)、磁盤讀寫、屏幕顯示等)BIOS芯片保存BIOS的只讀存儲(chǔ)器(ROM)芯片F(xiàn)lashromPC機(jī)的啟動(dòng)工作過程接通電源時(shí)CPU自動(dòng)執(zhí)行BIOS中的POST程序1.1按CMOS中的內(nèi)容來識(shí)別硬件的配置,測(cè)試各部件的工作狀態(tài)(發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則報(bào)錯(cuò))1.2初始化CPU、內(nèi)存、ROM、主板、CMOS、顯示卡、鍵盤、軟驅(qū)和硬盤等設(shè)備CPU自動(dòng)執(zhí)行自舉程序按照CMOS中預(yù)先設(shè)定的啟動(dòng)順序，搜尋外存儲(chǔ)器（軟、硬盤或光盤）從外存儲(chǔ)器讀出引導(dǎo)程序，然后由引導(dǎo)程序讀出操作系統(tǒng)并裝入內(nèi)存最后，將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，整個(gè)計(jì)算機(jī)由操作系統(tǒng)所控制BIOS芯片中包含的程序加電自檢程序程序（POST）

(PowerOnSelfTest)用于檢測(cè)計(jì)算機(jī)硬件故障系統(tǒng)自舉程序（Boot）啟動(dòng)計(jì)算機(jī)工作，加載并進(jìn)入操作系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)CMOS設(shè)置程序設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：日期、時(shí)間、口令、配置參數(shù)等常用外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序（Driver）實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤、顯示器、軟驅(qū)和硬盤等常用外部設(shè)備輸入輸出操作的控制關(guān)于CMOS芯片這是一個(gè)容量很小的RAM存儲(chǔ)器，易失性，由電池供電，即使計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)后也不會(huì)丟失所存儲(chǔ)的信息作用：存放計(jì)算機(jī)硬件的參數(shù)（稱為“配置信息”），包括日期和時(shí)間、口令、軟盤/硬盤/光盤驅(qū)動(dòng)器的數(shù)目、類型及參數(shù)、顯卡類型、cache使用狀況、啟動(dòng)機(jī)器時(shí)訪問外存的順序等，供BIOS程序使用設(shè)置和修改CMOS參數(shù)的方法：在開機(jī)啟動(dòng)BIOS工作時(shí)，按下Del鍵(或F2或F8健)，即可進(jìn)入BIOS中的CMOS設(shè)置程序CMOS信息需要設(shè)置的情況：用戶希望更改日期、時(shí)間、口令或啟動(dòng)盤的順序或者因?yàn)镃MOS內(nèi)容因掉電、病毒侵害等原因被破壞PC機(jī)組裝好后第一次加電時(shí)需設(shè)置CMOS中的配置信息2.3.2內(nèi)存儲(chǔ)器復(fù)習(xí)：內(nèi)存與外存的關(guān)系及比較內(nèi)存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱內(nèi)存或主存)存取速度快成本高、容量相對(duì)較小直接與CPU連接，CPU(指令)可以對(duì)內(nèi)存中的指令及數(shù)據(jù)進(jìn)行讀、寫操作屬于揮發(fā)性存儲(chǔ)器(volatile)，用于臨時(shí)存放正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)內(nèi)存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器CPU指令1指令2指令k指令n程序數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)①任務(wù)啟動(dòng)時(shí)，執(zhí)行該任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)將從外存成批傳送到內(nèi)存②CPU從內(nèi)存中逐條讀取該程序的指令及相關(guān)的數(shù)據(jù)④將指令的運(yùn)算處理結(jié)果送回內(nèi)存保存⑤任務(wù)完成后，將處理得到的全部結(jié)果成批傳送到外存以長(zhǎng)久保存③逐條執(zhí)行指令，按指令要求完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理外存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱外存或輔存)存取速度慢成本低、容量很大不與CPU直接連接，計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序時(shí)，外存中的程序及相關(guān)數(shù)據(jù)必須先傳送到內(nèi)存，然后才能被CPU使用。屬于不揮發(fā)性存儲(chǔ)器(Nonvolatile)，用于長(zhǎng)久存放系統(tǒng)中幾乎所有的信息計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)cache存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器(RAM和ROM)外存儲(chǔ)器（軟盤、硬盤、光盤）后備存儲(chǔ)器（磁帶庫(kù)、光盤庫(kù)）內(nèi)存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器寄存器典型容量<1KB1MB256MB-1GB40GB-200GB10TB-100TB典型存取時(shí)間1ns2ns10ns10ms10s分析：速度越快，成本較高。為了獲得好的性能/價(jià)格比，計(jì)算機(jī)中各種存儲(chǔ)器組成一個(gè)層狀的塔式結(jié)構(gòu)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，協(xié)調(diào)工作工作過程：1）CPU運(yùn)行時(shí)，需要的操作數(shù)大部分來自寄存器2）如需要從(向)存儲(chǔ)器中取(存)數(shù)據(jù)時(shí)，先訪問cache，如在，取自cache3）如操作數(shù)不在cache，則訪問RAM，如在RAM中，則取自RAM4）如操作數(shù)不在RAM，則訪問硬盤，操作數(shù)從硬盤中讀出→RAM→cache內(nèi)存儲(chǔ)器的分類及應(yīng)用內(nèi)存由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片組成，芯片有多種類型：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器(ROM)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器DRAM不可在線改寫內(nèi)容的ROM快擦除存儲(chǔ)器（FlashROM）（用作Cache存儲(chǔ)器）

（用作主存儲(chǔ)器）每個(gè)存儲(chǔ)單元(cell)由6個(gè)晶體管組成只要加上電源，信息就能一直保持對(duì)電器干擾相對(duì)不很敏感比DRAM更快，也更貴，集成度低，功耗大每個(gè)存儲(chǔ)單元由1個(gè)電容和1個(gè)晶體管組成.

每10-100ms必須刷新一次對(duì)電器干擾比較敏感比SRAM慢，但便宜，集成度高，功耗小（用作BIOS存儲(chǔ)器）(圖形卡、硬盤控制器)PromEPROM主存儲(chǔ)器(RAM)的功能與原理主存是CPU可直接訪問的存儲(chǔ)器，用于存放供CPU處理的指令和數(shù)據(jù)特點(diǎn)：以字節(jié)為單位進(jìn)行連續(xù)編址，每個(gè)存儲(chǔ)單元為1個(gè)字節(jié)（8個(gè)二進(jìn)位）存儲(chǔ)容量：主存儲(chǔ)器中所包含的存儲(chǔ)單元的總數(shù)（單位：MB或GB）存取時(shí)間：從CPU送出內(nèi)存單元的地址碼開始，到主存讀出數(shù)據(jù)并送到CPU（或者是把CPU數(shù)據(jù)寫入主存）所需要的時(shí)間（單位：ns，1ns=10-9s）····· 0110100110101010存儲(chǔ)內(nèi)容00001000000001000011001001111011111·······存儲(chǔ)單元地址地址碼存儲(chǔ)單元地址寄存器地址譯碼器地址線讀寫控制電路數(shù)據(jù)線控制線讀/寫的數(shù)據(jù)讀/寫控制信號(hào)(64位)(36位)PC機(jī)主存儲(chǔ)器的物理結(jié)構(gòu)主存儲(chǔ)器由若干內(nèi)存條組成內(nèi)存條的組成：把若干片DRAM芯片焊裝在一小條印制電路板上制成內(nèi)存條必須插在主板上的內(nèi)存條插槽中才能使用目前流行的是DDR和DDR2內(nèi)存條：均采用雙列直插式，其觸點(diǎn)分布在內(nèi)存條的兩面DDR條有184個(gè)引腳，DDR2有240個(gè)引腳PC機(jī)主板中一般都配備有2個(gè)或4個(gè)DIMM插槽

存儲(chǔ)器與CPU速度差距愈來愈大DRAM,硬盤與CPU之間的速度差距愈來愈大：?jiǎn)栴}：由于CPU工作速度很快，內(nèi)存速度比較慢（差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)），從內(nèi)存取數(shù)或向內(nèi)存寫數(shù)時(shí)，CPU往往需要等待關(guān)于cache存儲(chǔ)器什么是cache(高速緩存)？cache是一種小容量高速緩沖存儲(chǔ)器，它由SRAM組成cache直接制作在CPU芯片內(nèi)，速度幾乎與CPU一樣快程序運(yùn)行時(shí)，CPU使用的一部分?jǐn)?shù)據(jù)/指令會(huì)預(yù)先成批拷貝在cache中，cache的內(nèi)容是主存儲(chǔ)器中部分內(nèi)容的映象當(dāng)CPU需要從內(nèi)存讀(寫)數(shù)據(jù)或指令時(shí)，先檢查cache中有沒有，若有，就直接從cache中讀取，而不用訪問主存儲(chǔ)器012345678910111213141589143444101010主存中的部分信息拷貝在cache存儲(chǔ)器中Cache存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器關(guān)于cache存儲(chǔ)器如何提高cache的命中率？增大cache容量采用多級(jí)cache技術(shù)(2級(jí)或3級(jí)等)cache中采用快速的查找算法，判定是否命中不能命中時(shí)，采用有效的算法將讀入的內(nèi)容替換cache中暫時(shí)不使用的內(nèi)容編譯器優(yōu)化目標(biāo)程序程序員寫出cache-friendly的程序關(guān)于cache存儲(chǔ)器2.3.3I/O控制與I/O接口輸入的任務(wù)：將輸入設(shè)備輸入的信息送到內(nèi)存儲(chǔ)器的指定區(qū)域輸出的任務(wù)：將內(nèi)存儲(chǔ)器指定區(qū)域的內(nèi)容送出到輸出設(shè)備

I/O操作也包括將外存儲(chǔ)器的內(nèi)容傳輸?shù)絻?nèi)存，或?qū)?nèi)存中的內(nèi)容傳輸?shù)酵獯鎯?chǔ)器

I/O操作的任務(wù)I/O操作的特點(diǎn)I/O操作與CPU的運(yùn)算可并行進(jìn)行多個(gè)I/O設(shè)備可同時(shí)進(jìn)行工作配置的I/O設(shè)備數(shù)量和品種可經(jīng)常增減或變換每類I/O設(shè)備都有各自的控制器，它們按照CPU的I/O操作命令，獨(dú)立地控制I/O操作的全過程關(guān)于總線總線的定義：用于在CPU、內(nèi)存、外存和各種輸入輸出設(shè)備之間傳輸信息的一個(gè)共享的信息傳輸通路及其控制部件?？偩€的特點(diǎn)：1共享；2高速總線的性能：數(shù)據(jù)通路寬度；總線工作頻率；傳輸次數(shù)總線帶寬＝(數(shù)據(jù)通路寬度/8)x總線工作頻率x傳輸次數(shù)總線的類型：CPU總線（前端總線）I/O總線（主板總線）：數(shù)據(jù)線、地址線、信號(hào)線關(guān)于I/O總線I/O總線是各類I/O控制器與CPU、內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)的一組公用信號(hào)線，這些信號(hào)線在物理上與主板擴(kuò)展槽中插入的擴(kuò)展卡（I/O控制器）直接連接。目前PC機(jī)使用的I/O總線PCI總線PCI-Express(高速PCI總線)I/O總線的帶寬總線的數(shù)據(jù)傳輸速率(MB/s)=數(shù)據(jù)線位數(shù)/8×總線工作頻率（MHz）×每個(gè)總線周期的傳輸次數(shù)PCI總線擴(kuò)展槽關(guān)于I/O接口I/O接口：I/O設(shè)備與I/O控制器之間的連接器包括：插頭/插座的形式、通訊規(guī)程和電器特性等分類：從數(shù)據(jù)傳輸方式來分：串行（一次只傳輸1位）并行（多位一起進(jìn)行傳輸）從是否能連接多個(gè)設(shè)備來分：總線式（可連接多個(gè)設(shè)備）獨(dú)占式（只能連接1個(gè)設(shè)備）從是否符合標(biāo)準(zhǔn)來分：標(biāo)準(zhǔn)接口（通用接口）專用接口（專用接口）串行口并行口I/O設(shè)備接口串行口9針并行口VGA視頻口鍵盤接口雙絞線接口PS/2接口串行口25針同軸電纜網(wǎng)絡(luò)接口顯示器接口麥克風(fēng)音箱鍵盤接口并行口USB接口以太網(wǎng)雙絞線接口串行口鼠標(biāo)器接口(安裝在主板上的I/O設(shè)備接口)臺(tái)式PC機(jī)箱背板照片鍵盤接口鼠標(biāo)接口串行接口電源接口打印機(jī)(并行)接口(游戲)操縱桿接口顯示器接口揚(yáng)聲器接口麥克風(fēng)接口電話線/MODEM接口關(guān)于USB接口通用串行總線式接口（UniversalSerialBus）高速、可連接多個(gè)設(shè)備、串行傳輸傳輸速率：USB的1.1版：1.5Mb/s和12Mb/sUSB2.0版：高達(dá)480Mb/s（60MB/s）使用4線連接器，體積小，符合即插即用規(guī)范（Plug&Play,即PnP）使用“USB集線器”擴(kuò)展機(jī)器的USB接口，最多連接127個(gè)設(shè)備可通過USB接口由主機(jī)向外設(shè)提供電源（＋5V，100～500mA）。USB接口的3種類型接口類型A,通常在PC上出現(xiàn)接口類型B,通常在USB設(shè)備上出現(xiàn)Mini-USB,數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)硬盤等設(shè)備經(jīng)常使用USB集線器,可擴(kuò)展PC機(jī)的USB接口黑地GND4綠數(shù)據(jù)＋＋DATA3白數(shù)據(jù)－－DATA2紅電源VCC1導(dǎo)線顏色名稱信號(hào)引腳IEEE-1394（1394，i-link，fire-link）用于高速傳輸大量數(shù)據(jù)的音頻和視頻設(shè)備，支持即插即用6線連接，最多以菊花鏈方式連接63個(gè)設(shè)備注意：

有些設(shè)備可以連接到主機(jī)的不同接口上，取決于設(shè)備本身是什么接口；大部分串口啊并口啊都基本被USB1394所取代包括scsi小結(jié)1：

I/O總線,I/O控制器,I/O接口與I/O設(shè)備的關(guān)系I/O設(shè)備通常都是物理上相互獨(dú)立的設(shè)備，它們一般通過I/O接口與I/O控制器連接I/O控制器通過擴(kuò)展卡或者南橋芯片與I/O總線連接I/O總線經(jīng)過北橋芯片與內(nèi)存、CPU連接打印機(jī)掃描儀顯示器麥克風(fēng)網(wǎng)線I/O總線I/O接口硬盤光驅(qū)I/O設(shè)備CPU主板I