微機(jī)原理第十四章

第十四章主機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理14.116位微機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)板上的電路分成5個(gè)主要功能塊CPU子系統(tǒng)接口部件子系統(tǒng)總線ROM子系統(tǒng)RAM子系統(tǒng)圖14-1系統(tǒng)板各部分器件配置示意圖圖14-2系統(tǒng)板各功能塊數(shù)據(jù)流示意圖14.1.1CPU子系統(tǒng)見書上P470圖CPU：8088時(shí)鐘發(fā)生器：8284總線控制器：8288地址鎖存器：8286/74LS373數(shù)據(jù)收發(fā)器：8282/74LS245①時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器8284A

時(shí)鐘發(fā)生電路如圖14-3所示，它產(chǎn)生5個(gè)系統(tǒng)需要的信號(hào)。②總線控制器82888288總線控制器，它對(duì)8088輸出的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行譯碼，以產(chǎn)生相應(yīng)的命令及時(shí)序信號(hào)，作為系統(tǒng)總線的控制信號(hào)。8288的連接電路如圖14-4所示。圖14-3時(shí)鐘發(fā)生電路圖14-48288總線控制器的連接電路14.1.2接口部件子系統(tǒng)DMA控制器8237A-5，提供4個(gè)DMA通道；計(jì)數(shù)器/定時(shí)器8253-5，提供3路計(jì)數(shù)/定時(shí)信號(hào)；中斷控制器8259A，管理8級(jí)中斷源；并行接口8255A，包含3個(gè)8位并行口。系統(tǒng)中4個(gè)DMA通道的使用情況通道0（CH0） RAM刷新；通道1（CH1） 為用戶保留；通道2（CH2） 軟盤驅(qū)動(dòng)器使用；通道3（CH3） 硬盤驅(qū)動(dòng)器使用；DMA的端口地址為00～0FH；DMA的頁(yè)面寄存器的端口地址為80H～83H。8253的3個(gè)計(jì)數(shù)器在系統(tǒng)中的使用情況計(jì)數(shù)器0作為定時(shí)器，為計(jì)時(shí)電子鐘提供時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，每54.936ms請(qǐng)求一次中斷；計(jì)數(shù)器1為DMA通道0提供RAM刷新請(qǐng)求；計(jì)數(shù)器2產(chǎn)生揚(yáng)聲器的音調(diào);8253的端口地址為40H～43H。8259A的8級(jí)中斷分配(20H~21H)中斷輸入中斷類型碼中斷源IR008H系統(tǒng)計(jì)時(shí)時(shí)鐘請(qǐng)求IR109H鍵盤接口電路IR20AH為用戶保留IR30BH網(wǎng)絡(luò)通信IR40CH保留IR50DH硬盤IR60EH軟盤IR70FH并行打印機(jī)其中IR0中斷優(yōu)先級(jí)最高,IR7

最低。并行接口8255A在系統(tǒng)中的使用加電自檢時(shí)，CW=89H；自檢完成后，CW=99H端口A自檢時(shí)：輸出當(dāng)前檢測(cè)部件的標(biāo)志；普通工作時(shí)：輸入鍵盤掃描碼端口B輸出一些控制信號(hào)允許RAM奇偶校驗(yàn)信號(hào)允許I/O通道奇偶校驗(yàn)信號(hào)清除鍵盤數(shù)據(jù)信號(hào)控制揚(yáng)聲器發(fā)聲的信號(hào)端口C 輸入一些狀態(tài)信息系統(tǒng)配置開關(guān)DIP的配置情況系統(tǒng)板上RAM的奇偶校驗(yàn)狀態(tài)揚(yáng)聲器的狀態(tài)8255A的端口地址為60H~63H.14.1.3總線（1）按照布局范圍分，內(nèi)部總線：連接CPU內(nèi)部各功能部件。局部總線：連接主機(jī)板上各個(gè)主要部件，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和應(yīng)用人員最關(guān)心的總線。系統(tǒng)總線：多處理器系統(tǒng)（高性能計(jì)算機(jī)）中連接各CPU插件板的信息通道。外部總線：微型機(jī)和外設(shè)、微型機(jī)之間的通信總線。按照總線的功能，總線又分為:數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線14.1.3總線（2）PC機(jī)的局部總線（1）1.IBMPC/XT的62芯總線數(shù)據(jù)線（8根）地址線（20根）控制線（21根）：IOR*、IOW*、IRQ（6）、MEMR*、MEMW*、DRQ（3）等。狀態(tài)線（2根）：I/O通道奇偶校驗(yàn)、I/O通道準(zhǔn)備好信號(hào)。輔助線（3根）：OSC、CLOCK、插件板選中信號(hào)。電源線（8根）：＋5V、-5V、+12V、-12V、地。圖14-562芯總線擴(kuò)展插槽各引腳信號(hào)定義PC機(jī)的局部總線（2）2.ISA總線：工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)用在IBMPC/AT（286）主槽：62腳，即IBMPC/XT的62芯總線槽。附加槽：36腳。數(shù)據(jù)線：16位；地址線：24位；11個(gè)外部中斷輸入端；7個(gè)DMA通道。工作頻率8.33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率16MB/s。PC機(jī)的局部總線（3）3.MCA總線：微通道結(jié)構(gòu)（386/486）數(shù)據(jù)傳輸率是ISA的4倍與ISA不兼容分為16位的MCA和32位的MCA由于IBM公司為了壟斷市場(chǎng)不將MCA標(biāo)準(zhǔn)公布于眾，所以MCA總線結(jié)構(gòu)沒有得到廣泛的流行。PC機(jī)的局部總線（4）4.EISA總線：擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線具有MCA的所有技術(shù)和功能與ISA完全兼容數(shù)據(jù)寬度32位，地址線32條工作頻率8.33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率為33.3MB/s。目前的最高檔微機(jī)中，仍保留了多個(gè)EISA總線擴(kuò)展槽PC機(jī)的局部總線（5）5.VESA(VLB)總線：視頻局部總線應(yīng)用在80486和Pentium與ISA、EISE兼容增加了高速插槽數(shù)據(jù)寬度32位，可擴(kuò)展為64位，地址線32條工作頻率為33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)132MB/s。允許外設(shè)適配器直接連到CPU總線上，以CPU的速度運(yùn)行。只能連接3個(gè)擴(kuò)展卡。PC機(jī)的局部總線（6）6.PCI總線：外部設(shè)備互連總線在當(dāng)前高檔微機(jī)系統(tǒng)中廣泛采用高傳輸率：數(shù)據(jù)寬度32位/64位，工作頻率為33MHz/66MHz，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)132MB/s/528MB/s。高效率：PCI總線控制器中集成了高速緩沖器，并支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸模式。即插即用功能獨(dú)立于CPU：有長(zhǎng)久的生命期負(fù)載能力強(qiáng)、易于擴(kuò)展兼容各類總線可連接10個(gè)擴(kuò)展卡。PC機(jī)的外部總線(1)IDE（ATA)總線專門為主機(jī)和硬盤子系統(tǒng)連接設(shè)計(jì)的總線，也適用于和軟盤、光驅(qū)的連接。IDE的傳輸率為8.33MB/s，每個(gè)硬盤的最高容量為528MB。一個(gè)IDE口最多連接2個(gè)設(shè)備，多數(shù)微機(jī)設(shè)置了2個(gè)IDE口。EIDE(ATA-2)總線增強(qiáng)IDE總線又推出了ATA-3，ATA33和ATA66，后者傳輸率達(dá)到66MB/s，硬盤容量允許達(dá)到40GB～70GB.PC機(jī)的外部總線(2)RS-232-C使用已久的串行總線標(biāo)準(zhǔn)傳輸距離可達(dá)15m當(dāng)前微型機(jī)中，RS-232-C用來連接調(diào)制解調(diào)器、串行打印機(jī)等。通用串行總線USBUSB是一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)支持即插即用，使用方便用兩根信號(hào)線以差分方式串行傳輸數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)5米IBMPC/XT的內(nèi)存空間分配00000H9FFFFHBFFFFHFFFFFHRAM區(qū)

640KB保留區(qū)128KBROM區(qū)256KB顯示存儲(chǔ)區(qū)A0000H～BFFFFH的128KB的保留區(qū)是作為顯示緩沖區(qū)。對(duì)于不同的顯示器適配器，實(shí)際使用的顯示存儲(chǔ)區(qū)域各不相同。這部分存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)器擴(kuò)展板上。14.1.4只讀存貯器ROM子系統(tǒng)C0000H~FFFFFH位ROM區(qū)。系統(tǒng)板上有可支持64KB的ROM空間，板上備有兩個(gè)ROM插座，其中每個(gè)可插入32KB或8KB的PROM或EPROM器件。在PC/XT配置時(shí)，一個(gè)插了32KB的ROM，用于固化BASIC解釋程序，其絕對(duì)地址從F6000H～FDFFFH。另一個(gè)插8KBROM，用于固化基本輸入輸出系統(tǒng)(BIOS)，它包括加電后的自動(dòng)測(cè)試程序、I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、軟盤引導(dǎo)輸入程序和用于顯示的128個(gè)字符的點(diǎn)陣，該ROM占用的絕對(duì)地址是FE000H～FFFFFH。其余ROM在存儲(chǔ)器擴(kuò)展板上。14.1.5隨機(jī)存貯器RAM子系統(tǒng)IBMPC/XT中，RAM的最大容量是640KB。RAM的地址范圍是00000～9FFFFH。用于存放中斷向量、DOS數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)程序以及用戶程序。系統(tǒng)板上的RAM有256KB。分為4個(gè)體，由64K×1位的4164動(dòng)態(tài)存貯器芯片組成，每個(gè)體9片，包括8個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)校驗(yàn)位。其余部分在存儲(chǔ)器擴(kuò)展板上。14.1.6I/O適配器系統(tǒng)板上配置有用于鍵盤接口的串行接口適配電路，鍵盤通過5芯電纜與適配電路連接,當(dāng)某一個(gè)鍵被按下時(shí)，適配器就會(huì)向CPU提出中斷請(qǐng)求，然后由CPU執(zhí)行BIOS中的鍵盤中斷處理程序，讀取該鍵的信息。14.1.7I/O擴(kuò)展插槽系統(tǒng)板上有八個(gè)62引腳的擴(kuò)展插槽,除第八個(gè)插槽以外，相同序號(hào)的引腳都用引線連在一起，只有第八個(gè)插槽的B-8引腳，在CPU選中此槽的卡時(shí),要求提供一個(gè)“卡選中”信號(hào)。雙列插槽引腳分A面(即對(duì)應(yīng)于接口卡的元件面)和B面，插槽引腳的信號(hào)均是TTL邏輯電平，其負(fù)載能力為兩個(gè)低功耗肖特基TTL門，一般標(biāo)準(zhǔn)接口卡對(duì)擴(kuò)充槽引腳所呈現(xiàn)的負(fù)載為一個(gè)低功耗TTL門。62引腳的信號(hào)含義見后面注解。

1.OSC

該信號(hào)頻率為14.318MHz,占空比為50%，是系統(tǒng)中頻率最高的信號(hào)，系統(tǒng)中的所有時(shí)鐘信號(hào)均由該信號(hào)分頻得到。

2.CLK

該信號(hào)是頻率為4.77MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，一般占空比為1/3，即高電平持續(xù)時(shí)間為70ns，低電平持續(xù)時(shí)間為140ns。它主要用于總線同步。3.RESETDRV

該信號(hào)是系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)，它由8284時(shí)鐘發(fā)生器的RESET輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)后得到，高電平有效。4.A0～A19

它是20位的地址信號(hào)輸出線。

5.D0～D7

這是8條雙向的數(shù)據(jù)線，D0為最低有效位(LSB)，D7為最高有效位(MSB)。

6.ALE

地址鎖存允許信號(hào)，它是8288輸出的一個(gè)脈沖信號(hào)，高電平有效。

7.I/OCHCK*

它是I/O通道校驗(yàn)信號(hào)，低電平有效。

8.I/OCHRDY

它是I/O通道就緒信號(hào)，高電平輸出有效。9.IRQ2～I(xiàn)RQ7

中斷請(qǐng)求2至中斷請(qǐng)求7的輸入信號(hào)，這些信號(hào)由插槽中的各接口卡發(fā)出，分別送到中斷控制器8259，按優(yōu)先級(jí)的順序排隊(duì)，優(yōu)先級(jí)最高者將首先得到中斷處理。10.IOR*

它是I/O讀信號(hào)，由8288總線控制器輸出，低電平有效。11IOW*

它是I/O寫信號(hào)，由8288總線控制器輸出，低電平有效。

12.MEMW*

它是存貯器寫信號(hào)，由8288總線控制器輸出，低電平有效。

13.MEMR*

它是存貯器讀信號(hào)，由8288總線控制器輸出，低電平有效。

14.DRQ1～DRQ3

它是DMA請(qǐng)求1至DMA請(qǐng)求3的請(qǐng)求輸入信號(hào)，高電平有效，可以分別由三個(gè)I/O設(shè)備發(fā)出。

15.DAK0*～DAK3*

這是由DMA控制器發(fā)出的響應(yīng)信號(hào)，低電平有效。

16.AEN

地址允許信號(hào)，它由DMA控制器輸出(在多微機(jī)系統(tǒng)中，該信號(hào)也可由總線裁決電路提供)，高電平有效。

17.T/C

它是計(jì)數(shù)結(jié)束信號(hào)，高電平有效。

18.CARDSLCTD*

它是擴(kuò)充槽的接口卡被選中信號(hào)，低電平有效，該信號(hào)僅適應(yīng)于第八個(gè)擴(kuò)充槽，是接口卡向主機(jī)發(fā)出的已被選中信號(hào)，由該信號(hào)引導(dǎo)，系統(tǒng)將對(duì)該接口卡進(jìn)行讀寫操作。接口卡應(yīng)用OC門進(jìn)行驅(qū)動(dòng)輸出。

19.±5V，±12V和GND

每個(gè)插槽有+5V，-5V，+12V，-12V四種電源引腳，由它們向插槽中的接口卡提供工作電源電壓。還有二個(gè)接地引腳。14.1.8電源系統(tǒng)系統(tǒng)直流電源為130W，是可提供四路直流電壓輸出的開關(guān)穩(wěn)壓電源。國(guó)內(nèi)使用要求輸入220V交流電壓(原裝機(jī)為110V交流電壓)。它向主機(jī)箱各部件及接口卡供電?？晒┑碾妷簽?+5V15A(電壓誤差允許±5%)+12V4.2A(電壓誤差允許±5%)-5V300mA(電壓誤差允許±10%)-12V250mA(電壓誤差允許±10%)所有電源電壓均經(jīng)過穩(wěn)壓，并帶有過壓和過流保護(hù)。在電源出現(xiàn)過壓和過流狀態(tài)時(shí)，會(huì)自動(dòng)切斷電源，直到電源正常為止。電源系統(tǒng)提供了一個(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)，稱為“POWERGOOD”信號(hào)。系統(tǒng)加電壓,直流電壓上升到正常值，再經(jīng)100ms～500ms后，電源就向8284發(fā)出“POWERGOOD”信號(hào)，使其產(chǎn)生一個(gè)高電平的復(fù)位信號(hào)(RESET)送給系統(tǒng)，使系統(tǒng)所有部件復(fù)位。14.1.9系統(tǒng)資源配置的選擇在系統(tǒng)板上有一組帶有8個(gè)選擇開關(guān)的DIP，它的設(shè)置，對(duì)系統(tǒng)板上的內(nèi)存容量大小及軟、硬磁盤配置等都有直接影響。DIP開關(guān)的外形如圖14-6所示。圖14-6DIP開關(guān)示意圖每個(gè)開關(guān)的選擇狀態(tài)含義如下:開關(guān)1——在常規(guī)操作時(shí)一定要處于斷開狀態(tài)，如果接通將進(jìn)入循環(huán)POST狀態(tài)。開關(guān)2——該開關(guān)為協(xié)處理器保留，必須接通。開關(guān)3～4——該2位開關(guān)主要用于系統(tǒng)板存貯器容量的選擇。開關(guān)5～6——這2位開關(guān)用于顯示器適配器的類型選擇，可以選擇彩色顯示器，也可以選擇單色顯示器。開關(guān)7～8——這2位開關(guān)的設(shè)置狀態(tài)，可代表系統(tǒng)中所安裝的5.25英寸軟盤驅(qū)動(dòng)器的個(gè)數(shù)。為了使IBM-PC/XT能正常工作，一般內(nèi)存需要640K字節(jié)，另外，還需一臺(tái)CRT顯示器，一個(gè)鍵盤，二臺(tái)軟盤驅(qū)動(dòng)器，一臺(tái)硬盤驅(qū)動(dòng)器，一臺(tái)打印機(jī)。上述除了鍵盤接口在系統(tǒng)板上已具備外，其余都需在擴(kuò)展槽上插入相應(yīng)的擴(kuò)展或接口卡。這樣，一臺(tái)IBM-PC/XT最常用的系統(tǒng)應(yīng)配備以下的接口卡:存貯器擴(kuò)展卡(其容量為384K字節(jié))；單色或彩色顯示器和打印機(jī)接口卡；軟盤驅(qū)動(dòng)器接口卡；硬盤驅(qū)動(dòng)器接口卡。除上述基本配置以外，根據(jù)需要還可以選擇異步通訊接口卡、游戲機(jī)操縱桿控制接口卡、同步數(shù)據(jù)鏈路控制接口卡等。14.2Pentiumx系統(tǒng)及其主機(jī)板14.2.1Pentium的主機(jī)系統(tǒng)基本配置：主機(jī)板；彩色顯示器，分辨率為1024×768；102鍵或104鍵鍵盤；256～512MB的內(nèi)存；40～80GB的硬盤；光盤驅(qū)動(dòng)器；3.5英寸軟盤驅(qū)動(dòng)器；鼠標(biāo)。除了上述的基本配置外，通常還有以下配置：網(wǎng)卡；聲卡和音響設(shè)備；圖象卡和攝象機(jī)；掃描儀。圖14－7現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖14.2.2Pentium主機(jī)板結(jié)構(gòu)主機(jī)板包含CPU插座存儲(chǔ)器插座:二級(jí)Cache插座、內(nèi)存插槽多功能芯片組（內(nèi)含中斷控制器、DMAC、I/O模塊、總線驅(qū)動(dòng)器）總線（PCI總線）

ROMBIOS芯片鼠標(biāo)和鍵盤的接插口外設(shè)插槽EIDE總線擴(kuò)展槽（PCI插槽和ISA插槽）。CPU插座串行接口AGP擴(kuò)展槽PCI擴(kuò)展槽內(nèi)存條插槽北橋南橋圖14-8微型機(jī)的主機(jī)板圖14－9PentiumPC的主板總線結(jié)構(gòu)框圖1CPU及CPU插座CPU是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，在主機(jī)板上它被安置在專門的CPU插座上。CPU在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此CPU安裝散熱器與散熱風(fēng)扇是必須的，不安裝這些散熱裝置可能導(dǎo)致處理器過熱并且會(huì)損壞CPU。由于集成化程度和制造工藝的不斷提高，越來越多的功能被集成到CPU中去，使CPU管腳數(shù)量不斷增加，導(dǎo)致插座尺寸也越來越大。CPU插座主要分為Socket和Slot兩大工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前的PentiumⅣ微處理器采用的是Socket478插座，將來會(huì)過渡到Socket-_T（LGA775）。2控制芯片組

（1）芯片組實(shí)現(xiàn)CPU與計(jì)算機(jī)中的所有部件互相溝通，用于控制和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件的運(yùn)行，在CPU與內(nèi)存、外設(shè)之間架起了一座橋梁。就目前流行的主板結(jié)構(gòu)來說，芯片組一般由兩個(gè)超大規(guī)模集成電路芯片組成，按照它們?cè)谥靼宓牟煌恢?，通常把兩個(gè)芯片分別稱作“南橋（SouthBridge）”和“北橋（NorthBridge）”。南北橋結(jié)構(gòu)是386以來就開始采用的一種主板芯片組架構(gòu)。2控制芯片組

（2）北橋芯片提供對(duì)CPU、內(nèi)存、AGP顯卡等高速部件的支持，以及與PCI總線的橋接；南橋芯片則提供對(duì)鍵盤接口、鼠標(biāo)接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器、串行口、并行口、USB接口及磁盤驅(qū)動(dòng)器接口的支持，以及與ISA總線的橋接。2控制芯片組（3）芯片組是主板上最昂貴的部件。在南橋和北橋兩個(gè)芯片中，北橋芯片的集成度和工作頻率都比南橋芯片高，所以一些主板在北橋芯片上也設(shè)置了散熱片。北橋芯片比起南橋芯片要貴許多，它決定了主板的檔次和質(zhì)量，因此也叫做主橋（HostBridge），芯片組的名稱往往就是以北橋芯片的型號(hào)命名的（比如Intel845芯片組中北橋芯片的型號(hào)為Intel82845GE），南橋芯片則往往可以根據(jù)需要任意搭配。2控制芯片組（4）早期的微機(jī)由于功能比較單一，其整體性能主要決定于CPU的性能。但是，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，情況已經(jīng)有所變化。一臺(tái)高性能的微機(jī)僅有高性能的CPU是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，芯片組作為主板的核心部分，對(duì)電腦的整體性能有著至關(guān)重要的影響。3內(nèi)存儲(chǔ)器插槽在微型計(jì)算機(jī)的主機(jī)板上，都安裝有若干個(gè)內(nèi)存插槽，只要插入相應(yīng)的內(nèi)存條，就可構(gòu)