第2章2.3 PC機的主機

2.3PC機的主機2.3.1

主板、芯片組與BIOS

2.3.2內(nèi)存儲器2.3.3I/O總線和I/O接口臺式PC的物理組成臺式機1音箱5CPU2調(diào)制解調(diào)器6鍵盤3麥克風7鼠標器4內(nèi)存條8CD驅(qū)動器9軟驅(qū)10硬盤驅(qū)動器11打印機12I/O接口13CRT顯示器14擴展卡2.3.1

主板、芯片組與BIOS臺式PC機(立式)的主機箱擴展空間(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存儲器：存放系統(tǒng)的基本參數(shù)（日期、時間、口令等）存儲器插座

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總線主板擴展槽PCI接口南橋芯片I/O總線寄存器組運算器中央處理器指令計數(shù)器指令寄存器控制器磁盤控制器以太網(wǎng)卡USB控制器和接口鼠標器鍵盤網(wǎng)線disk聲卡視頻卡光驅(qū)主存儲器0A北橋芯片y存儲器總線顯卡芯片組舉例芯片組的作用：是PC機各組成部分相互連接和通信的樞紐北橋芯片：1.存儲器控制功能；2.連接CPU、存儲器、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)ROMBIOS硬盤接口(x2)音頻CodecSuperI/O鍵盤,鼠標,軟驅(qū),并口,串口等電話ModemDDR2電源管理、時鐘生成DDR2存儲器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，中國臺灣）nVIDIA（美國）ATI（加拿大）AMD（美國）(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器（ROM）芯片中的一組機器語言程序功能：診斷計算機故障啟動計算機工作控制基本的輸入輸出操作(鍵盤、鼠標、磁盤讀寫、屏幕顯示等)BIOS芯片保存BIOS的只讀存儲器(ROM)芯片F(xiàn)lashromPC機的啟動工作過程接通電源時CPU自動執(zhí)行BIOS中的POST程序1.1按CMOS中的內(nèi)容來識別硬件的配置,測試各部件的工作狀態(tài)(發(fā)現(xiàn)錯誤則報錯)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自動執(zhí)行自舉程序按照CMOS中預(yù)先設(shè)定的啟動順序，搜尋外存儲器（軟、硬盤或光盤）從外存儲器讀出引導(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)，整個計算機由操作系統(tǒng)所控制BIOS芯片中包含的程序加電自檢程序程序（POST）

(PowerOnSelfTest)用于檢測計算機硬件故障系統(tǒng)自舉程序（Boot）啟動計算機工作，加載并進入操作系統(tǒng)運行狀態(tài)CMOS設(shè)置程序設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：日期、時間、口令、配置參數(shù)等常用外部設(shè)備的驅(qū)動程序（Driver）實現(xiàn)對鍵盤、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芯片這是一個容量很小的RAM存儲器，易失性，由電池供電，即使計算機關(guān)機后也不會丟失所存儲的信息作用：存放計算機硬件的參數(shù)（稱為“配置信息”），包括日期和時間、口令、軟盤/硬盤/光盤驅(qū)動器的數(shù)目、類型及參數(shù)、顯卡類型、cache使用狀況、啟動機器時訪問外存的順序等，供BIOS程序使用設(shè)置和修改CMOS參數(shù)的方法：在開機啟動BIOS工作時，按下Del鍵(或F2或F8健)，即可進入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、時間、口令或啟動盤的順序或者因為CMOS內(nèi)容因掉電、病毒侵害等原因被破壞PC機組裝好后第一次加電時需設(shè)置CMOS中的配置信息2.3.2內(nèi)存儲器復(fù)習：內(nèi)存與外存的關(guān)系及比較內(nèi)存儲器(簡稱內(nèi)存或主存)存取速度快成本高、容量相對較小直接與CPU連接，CPU(指令)可以對內(nèi)存中的指令及數(shù)據(jù)進行讀、寫操作屬于揮發(fā)性存儲器(volatile)，用于臨時存放正在運行的程序和數(shù)據(jù)內(nèi)存儲器外存儲器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)啟動時，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久保存③逐條執(zhí)行指令，按指令要求完成對數(shù)據(jù)的運算和處理外存儲器(簡稱外存或輔存)存取速度慢成本低、容量很大不與CPU直接連接，計算機運行程序時，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)性存儲器(Nonvolatile)，用于長久存放系統(tǒng)中幾乎所有的信息計算機中存儲器的層次結(jié)構(gòu)cache存儲器主存儲器(RAM和ROM)外存儲器（軟盤、硬盤、光盤）后備存儲器（磁帶庫、光盤庫）內(nèi)存儲器外存儲器寄存器典型容量<1KB1MB256MB-1GB40GB-200GB10TB-100TB典型存取時間1ns2ns10ns10ms10s分析：速度越快，成本較高。為了獲得好的性能/價格比，計算機中各種存儲器組成一個層狀的塔式結(jié)構(gòu)，取長補短，協(xié)調(diào)工作工作過程：1）CPU運行時，需要的操作數(shù)大部分來自寄存器2）如需要從(向)存儲器中取(存)數(shù)據(jù)時，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)存儲器的分類及應(yīng)用內(nèi)存由半導(dǎo)體存儲器芯片組成，芯片有多種類型：半導(dǎo)體存儲器只讀存儲器(ROM)隨機存取存儲器(RAM)靜態(tài)隨機存取存儲器SRAM動態(tài)隨機存取存儲器DRAM不可在線改寫內(nèi)容的ROM快擦除存儲器（FlashROM）（用作Cache存儲器）

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

每10-100ms必須刷新一次對電器干擾比較敏感比SRAM慢，但便宜，集成度高，功耗?。ㄓ米鰾IOS存儲器）(圖形卡、硬盤控制器)PromEPROM主存儲器(RAM)的功能與原理主存是CPU可直接訪問的存儲器，用于存放供CPU處理的指令和數(shù)據(jù)特點：以字節(jié)為單位進行連續(xù)編址，每個存儲單元為1個字節(jié)（8個二進位）存儲容量：主存儲器中所包含的存儲單元的總數(shù)（單位：MB或GB）存取時間：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）所需要的時間（單位：ns，1ns=10-9s）····· 0110100110101010存儲內(nèi)容00001000000001000011001001111011111·······存儲單元地址地址碼存儲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(64位)(36位)PC機主存儲器的物理結(jié)構(gòu)主存儲器由若干內(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，其觸點分布在內(nèi)存條的兩面DDR條有184個引腳，DDR2有240個引腳PC機主板中一般都配備有2個或4個DIMM插槽

存儲器與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：問題：由于CPU工作速度很快，內(nèi)存速度比較慢（差1～2個數(shù)量級），從內(nèi)存取數(shù)或向內(nèi)存寫數(shù)時，CPU往往需要等待關(guān)于cache存儲器什么是cache(高速緩存)？cache是一種小容量高速緩沖存儲器，它由SRAM組成cache直接制作在CPU芯片內(nèi)，速度幾乎與CPU一樣快程序運行時，CPU使用的一部分數(shù)據(jù)/指令會預(yù)先成批拷貝在cache中，cache的內(nèi)容是主存儲器中部分內(nèi)容的映象當CPU需要從內(nèi)存讀(寫)數(shù)據(jù)或指令時，先檢查cache中有沒有，若有，就直接從cache中讀取，而不用訪問主存儲器012345678910111213141589143444101010主存中的部分信息拷貝在cache存儲器中Cache存儲器主存儲器關(guān)于cache存儲器如何提高cache的命中率？增大cache容量采用多級cache技術(shù)(2級或3級等)cache中采用快速的查找算法，判定是否命中不能命中時，采用有效的算法將讀入的內(nèi)容替換cache中暫時不使用的內(nèi)容編譯器優(yōu)化目標程序程序員寫出cache-friendly的程序關(guān)于cache存儲器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)存儲器的指定區(qū)域輸出的任務(wù)：將內(nèi)存儲器指定區(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ζ?/p>

I/O操作的任務(wù)I/O操作的特點I/O操作與CPU的運算可并行進行多個I/O設(shè)備可同時進行工作配置的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共享的信息傳輸通路及其控制部件?？偩€的特點：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)的一組公用信號線，這些信號線在物理上與主板擴展槽中插入的擴展卡（I/O控制器）直接連接。目前PC機使用的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）×每個總線周期的傳輸次數(shù)PCI總線擴展槽關(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（多位一起進行傳輸）從是否能連接多個設(shè)備來分：總線式（可連接多個設(shè)備）獨占式（只能連接1個設(shè)備）從是否符合標準來分：標準接口（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器接口(安裝在主板上的I/O設(shè)備接口)臺式PC機箱背板照片鍵盤接口鼠標接口串行接口電源接口打印機(并行)接口(游戲)操縱桿接口顯示器接口揚聲器接口麥克風接口電話線/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”擴展機器的USB接口，最多連接127個設(shè)備可通過USB接口由主機向外設(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、移動硬盤等設(shè)備經(jīng)常使用USB集線器,可擴展PC機的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個設(shè)備注意：

有些設(shè)備可以連接到主機的不同接口上，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連接打印機掃描儀顯示器麥克風網(wǎng)線I/O總線I/O接口硬盤光驅(qū)I/O設(shè)備CPU主板I