新程基礎(chǔ)2013級(jí)計(jì)算機(jī)-第2章2.3pc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)臺(tái)式PC主機(jī)機(jī)箱、電源主板芯片組BIOSROMCMOSPCI插槽(I/O總線)CPU內(nèi)存條顯示卡網(wǎng)卡外部設(shè)備輸入設(shè)備鍵盤(pán)鼠標(biāo)器麥克風(fēng)攝像頭輸出設(shè)備顯示器打印機(jī)音箱/耳機(jī)外存儲(chǔ)器U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)聲卡插頭和插座(I/O接口)硬盤(pán)、軟驅(qū)光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器1音箱5CPU2調(diào)制解調(diào)器6鍵盤(pán)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(pán)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(jiàn)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(pán)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(pán)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(pán)控制器以太網(wǎng)卡USB控制器和接口鼠標(biāo)器鍵盤(pán)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(pán)接口(x2)音頻CodecSuperI/O鍵盤(pán),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(shuō)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(lái)越高，為降低系統(tǒng)成本，芯片組中集成了越來(lái)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(yǔ)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(pán)、鼠標(biāo)、磁盤(pán)讀寫(xiě)、屏幕顯示等)BIOS芯片保存BIOS的只讀存儲(chǔ)器(ROM)芯片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(pán)、顯示器、軟驅(qū)和硬盤(pán)等常用外部設(shè)備輸入輸出操作的控制PC機(jī)的啟動(dòng)工作過(guò)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(lái)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(pán)、軟驅(qū)和硬盤(pán)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(pán)或光盤(pán)）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)所控制關(guān)于CMOS芯片這是一個(gè)容量很小的RAM存儲(chǔ)器，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(pán)/硬盤(pán)/光盤(pán)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(wèn)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(kāi)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(xiě)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(pán)、硬盤(pán)、光盤(pán)）后備存儲(chǔ)器（磁帶庫(kù)、光盤(pán)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(guò)程：1）CPU運(yùn)行時(shí)，需要的操作數(shù)大部分來(lái)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(wèn)cache，如在，取自cache3）如操作數(shù)不在cache，則訪問(wèn)RAM，如在RAM中，則取自RAM4）如操作數(shù)不在RAM，則訪問(wèn)硬盤(pán)，操作數(shù)從硬盤(pán)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(xiě)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

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（用作BIOS存儲(chǔ)器）(圖形卡、硬盤(pán)控制器)主存儲(chǔ)器(RAM)的功能與原理主存是CPU可直接訪問(wèn)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(kāi)始，到主存讀出數(shù)據(jù)并送到CPU（或者是把CPU數(shù)據(jù)寫(xiě)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(xiě)控制電路數(shù)據(jù)線控制線讀/寫(xiě)的數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)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(lái)愈大DRAM,硬盤(pán)與CPU之間的速度差距愈來(lái)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(xiě)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(xiě))數(shù)據(jù)或指令時(shí)，先檢查cache中有沒(méi)有，若有，就直接從cache中讀取，而不用訪問(wèn)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Cache的操作過(guò)程如果被訪問(wèn)的信息不在cache中，稱為失效(miss)如果被訪問(wèn)的信息在cache中，稱為命中(hit)Cache從CPU收到地址A讀出A內(nèi)容送CPUA的內(nèi)容在cache中嗎？訪問(wèn)主存讀出A及相鄰地址內(nèi)容將A內(nèi)容發(fā)送給CPU在cache中騰出空位置供接收用cache接收A及相鄰地址的內(nèi)容

命中率H是CPU需要的指令或數(shù)據(jù)在cache中能直接找到的概率，通常在95％以上設(shè)平均訪問(wèn)時(shí)間T

：T

=HTc+(1-H)(Tc+TM)=Tc+(1-H)TM例1，H=0.95,Tc=1ns,

TM=20ns則：T

=2ns例2，若命中率提高為0.99,則:T

=1.2ns關(guān)于cache存儲(chǔ)器H=n1n1+n2Cache的命中率如何提高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(xiě)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(guò)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總線存儲(chǔ)器總線I/O總線關(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(lái)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(lái)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(lái)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(pán)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(pán)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(pán)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接口常用的I/O接口及其性能參數(shù)名稱數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸速率標(biāo)準(zhǔn)插頭/插座形式可連接的設(shè)備數(shù)目通常連接的設(shè)備串行口串行,雙向50～19200b/sEIA-232或EIA-422DB25F或DB9F1鼠標(biāo)器，MODEM并行口(增強(qiáng)式)并行,雙向1.5MB/sIEEE1284DB25M1打印機(jī)，掃描儀USB(1.0)USB(1.1)串行,雙向1.5Mb/s(慢速)1.5MB/s(全速)USBA最多127鍵盤(pán)，鼠標(biāo)器，數(shù)碼相機(jī)，移動(dòng)盤(pán)等USB(2.0)串行,雙向60MB/s(高速)USBA最多127外接硬盤(pán)，數(shù)字視頻設(shè)備，掃描儀等IEEE1394aIEEE1394b串行,雙向12.5,25,50MB/s100MB/sFireWire(i.Link)最多63數(shù)字視頻設(shè)備IDE并行,雙向66MB/s100MB/s133MB/sUltraATA/66

UltraATA/100UltraATA/133(E-IDE)1~4硬盤(pán)，光驅(qū)，軟驅(qū)SATA串行,雙向150MB/s300MB/sSATA1.0SATA2.07針插頭/插座1硬盤(pán)顯示器輸出接口并行,單向200～500MB/sVGAHDB151顯示器PS/2接口串行,雙向低速I(mǎi)BM1鍵盤(pán)或鼠標(biāo)器紅外線接口(IrDA)串行,雙向115,000bps或4Mbps紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)不需要1鍵盤(pán)，鼠標(biāo)器，打印機(jī)等關(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(guò)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,