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03微型计算机硬件组成
微型计算机系统也由硬件和软件两大部分组成
3.1微型计算机
3.1.1微型计算机概述
1)微型计算机与大、中、小型计算机的区别在于微型计算机的CPU采用了大规模和超大规模集成电路技术。
2)通常将微型计算机的CPU芯片称作微处理器(MicroProcessingUnit,MPU),微型计算机的发展是与微处理器的发展同步的。
3)摩根定律:
计算机的CPU性能每18个月,集成度将翻一番,速度将提高一倍,而其价格将降低一半。
4)微型计算机的发展方向:
Ø高速化
Ø超小型化
Ø多媒体化
Ø网络化
Ø隐形化
3.1.2微型计算机分类
1)按组成结构分类
根据微型计算机的CPU、内存、I/O接口和系统总线组成部件所在的位置可分为:
1单片机:
组成部分集成在一个超大规模芯片上,具有体积小、功耗低、控制能力强、扩展灵活、微型化和使用方便等有点,广泛用于控制、仪器仪表、通信、家用电器等领域。
2单板机:
各组成部分装配在一块印刷电路板上,单板机结构简单、价格低廉、性能较好,常用于过程控制或作为仪器仪表的控制部件。
由于单板机易于使用、便于学习,所以普遍将其作为学习微型计算机院里的实验机型。
3多板机:
各组成部分装配在多块印刷电路板上,如台式、便携式PC机。
2)按用途分类
微型计算机按用途可分为台式、便携式、手持式等。
3)微型计算机的主要性能指标
1CPU指标:
主要包括CPU字长、时钟频率
2运算速度:
平均运算速度,即每秒钟所能执行的指令条数。
3内存容量:
反映了内存储器的存储数据的能力。
存储容量越大,其处理数据的范围就越广,并且运算速度一般也越快。
3.2微型计算机硬件系统
现流行的微型计算机,他们的基本结构都是由显示器、键盘、主机构成。
台式计算机的主机安装在主机箱内:
系统主板(主机板/母板)、硬盘驱动器、CD-ROM驱动器、软盘驱动器、电源、显示器适配器(图形加速卡/显示卡)等。
3.2.1主板
1)主板架构
Ø系统主板是微型计算机中最大的集成电路板,是微型计算机中各种设备的连接载体。
ØPC99技术规格规范了主板设计要求,提出主板各种接口必须采用有色识别标识,方便识别。
Ø主板采用开放式结构,主板上有CPU插座、控制芯片组、BIOS芯片、内存条插槽,系统板上也集成了软盘接口、硬盘接口、并行接口、串行接口、USB(UniversalSerialBus,通用串行总线)接口、AGP(AcceleratedGraphicsport,加速图形接口)总线扩展槽、PCI局部总线扩展槽、键盘接口、鼠标接口、多媒体和通信设备接口以及一些连接其它部件的接口。
Ø微型计算机通过主板将CPU等各种部件和外部设备有机的结合起来,形成一套完整的系统。
Ø主板在结构上主要有AT、ATX、NLX、EATX、WATX、以及BTX等类型。
他们的主要区别在于主板上各元器件的布局排列方式、尺寸大小、形状以及所使用的电源规格和控制方式的不同。
ATX是目前最常用的主板结构,配合ATX电源可以实现软关机和Modem远程遥控开关机。
EATX和WATX多用于服务器/工作站主板。
2)芯片组
Ø芯片组是系统主板的灵魂,它决定了主板的结构及CPU的使用。
芯片组就行人体的中枢神经一样,控制着整个主板的运作。
Ø根据芯片的功能分为:
Ø南桥芯片:
主要负责I/O接口控制、IDE设备(硬盘等)控制以及高级能源管理等
Ø北桥芯片:
主要负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI数据在北桥内部传输,由于北桥芯片的发热量较高,所以芯片上装有散热片。
Ø常见芯片组有Intel865/875/925系列、SIS650系列等。
3)主板上的辅助功能
ØCPU监控功能:
对CPU电压的自动侦测、CPU测温和过热保护。
Ø高级电源管理接口(ACPI)功能:
作为操作系统和硬件之间的一个共同的电源管理接口,ACPI使得操作系统能够执行各种对电源和系统配置控制的功能。
1自动开机:
进入CMOS设置界面->选择电源管理窗口(PowerManagementSetup)->定时开机(ResumeByAlarm)设为Enable->指定开机日前(DateAlarm)和开机时间(TimeAlarm)。
计算机将按时自动启动。
2系统休眠功能:
目前的休眠方法有休眠至硬盘(SuspendToDisk,STD)、休眠至内存(SuspendToRAM,STR)。
STD将系统状态存入硬盘,系统进入低功耗状态,开机时系统跳过自检,直接从硬盘恢复原来的状态,缩短开机时间。
STR指系统关系或进入休眠模式后,将重启所需的数据存入内存中,系统重启操作主要是从内存里快速完成,而不必频繁的读/写慢速的硬盘。
STR状态下,并非是一种真正的关机状态,此时电源还向内存提供电压以维持内存中的数据。
3.2.2CPU
1)CUP分类
CPU有通用CPU和嵌入式CPU。
区别:
主要在于应用模式的不同,通用CPU追求高性能,功能比较强,能运行复杂的操作系统和大型应用软件。
嵌入式CPU则强调处理特定应用问题的高性能,主要用于运行面向特定领域的专用程序,配备轻量级操作系统,在功能和性能上有很大的变化范围。
2)衡量CPU性能的主要技术指标
1CPU字长:
CPU内部各寄存器之间一次能够传递的数据位,即在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数。
CPU内部有一系列用于暂时存放数据或指令的存储单元,称为寄存器。
各寄存器之间通过内部数据总线来传递数据,每条内部数据总线智能传递1位数据位。
该指标反映出CPU内部运算处理的速度和效率。
2位宽:
CPU通过外部数据总线与外部设备之间一次能够传递的数据位。
3X位CPU:
通常用CPU的字长和位宽来称呼CPU。
例如字长、位宽都是16位:
16位CPU;字长32位,位宽16位:
准32位CPU;字长32位,位宽64位:
超32位CPU。
4CPU外频:
即CPU总线频率,是由主板为CPU提供的基准时钟频率。
正常情况下CPU总线频率与内存总线频率相同,所以当CPU外频提高后,与内存之间的交换速度也相应的提高了,对提高计算机整体运行速度影响很大。
5CPU主频:
即工作频率,是CPU内核(整数和浮点运算器)电路的实际运行频率。
用户可以超频。
6CPU的生产工艺技术:
用单位μm来描述。
同样体积的硅材料上集成更多的元件,CPU工作主频可以做的很高。
3)Intel微处理器
4)国产CPU——龙芯
Ø以通用CPU为核心兼顾嵌入式CPU特点的32位CPU。
Ø基于0.18μm工艺
Ø定点和浮点最高运算速度均超过每秒2亿次
Ø内建的基于硬件的系统安全支持是龙芯的一大特点,对防御黑客与病毒攻击有重要作用。
Ø2004年9月,我国首款多媒体芯片“凤芯一号”也研制成功。
3.2.3存储器
1)内存储器
内存一般由记忆元件和电子线路构成。
内存储器按其功能特征可分为三类:
1随机存取存储器(RandomAccessMemory,RAM):
计算机内存容量均指RAM存储器容量,即计算机的主存,CPU对其既可以读也可以写。
但是一旦断电,RAM中的信息将全部消失。
DRAM(动态随机存储器)的特点是数据信息以电荷形式保存在小电容器里,但必须对小电容器周期性刷新来保持数据,功耗低、集成度高、成本低。
SDRAM(同步动态随机存储器)
2只读存储器(ReadOnlyMemory,ROM):
CPU只能读不能写,断电后信息不丢失,存放计算机系统管理程序。
基本输入/输出系统BIOS(BasicInput/OutputSystem)是一组固化到计算机主板上的一个ROM芯片上的程序,是面向硬件的底层软件。
3高速缓冲存储器Cache:
Cache是介于CPU与内存之间的一种可高速存取信息的芯片,是CPU和RAM之间的桥梁,用于解决它们之间的速度冲突问题。
Cache一般采用静态随机存储器SRAM构成,他的访问速度是DRAM的10倍左右。
Cache按功能分为两种:
CPU内部的Cache(一级Cache)和CPU外部的Cache。
2)外存储器
外存中的数据一般不能直接送到运算器,只能成批的将数据转运到内存,在进行处理。
常用的外存储器有:
Ø磁介质存储
1软盘
磁片逻辑的划分成若干个同心圆,每个同心圆称为一个磁道(从外向里编号,最外侧为0磁道),磁道又等分成若干段,每段称为一个扇区,每个扇区一般可以存放512B的数据。
磁盘总容量=磁道数×扇区数×磁面数×扇区字节数
2硬盘
每个盘面对应1个读/写磁头
柱面数等于每个盘面上的磁道数
硬盘容量=盘面数(磁头数)×磁道数(柱面数)×扇区数×扇区字节数
3磁盘阵列RAID
RAID(廉价冗余磁盘阵列),它由若干个磁盘组成,通常用于大容量数据存储,在网络中使用RAID,可提高服务器存储系统容量、传输数据的速度,保证数据的冗余。
RAID的主要用途有两个:
资料备份、加速存取。
磁盘阵列中针对不同的应用使用不同的技术,目前常用的标准是RAID0~RAID5:
RAID0是加速功能(将所有的盘构成一个磁盘阵列,可以同时对多个硬盘进行读/写操作,在存储数据时,采用分个技术将数据分割后同时写入各个硬盘。
),RAID1是备份功能(每个硬盘上都有一个镜像盘,数据同时写在两个硬盘响应的位置上,读数据时只有一个硬盘工作。
)。
Ø光介质存储
应用激光在某种介质上写入信息,然后再用激光读出信息的技术称为光存储技术。
衡量光盘驱动器传输数据速率的指标叫倍速,一倍速率为150Kb/s,如果在一个40倍速的光驱上读取数据,数据传输速率可达到40×150Kb/s=6Mb/s。
DVD采用波长更短的红色激光、更有效的调制方式和更强的纠错方法,具有更高的道密度,并支持双面双层结构。
DVD的一倍速率为1.3MB/S,他向下兼容,可读CD和CD-ROM
移动存储产品
1移动硬盘
移动硬盘的接口类型分为USB1.1、USB2.0、IEEE1394三种(现在已有USB3.0),USB2.0传输的峰值速率为480MB/S
2Flash存储设备
FlashMemory是一种非易失性半导体存储器,即在无电源状态仍能保持片内信息,不需要特殊的高电压就可实现片内信息的擦除和重写。
Flash存储设备是采用FlashMemory芯片构成的存储介质。
例如U盘、MP3播放器、数码相机、录音笔等
3.2.4总线与接口
1)总线
Ø为了简化硬件电路设计、简化系统结构,通常用一组线路,配备以适当的接口电路,与各部件和外围设备连接,这组共用的连接线路称为总线。
Ø微型计算机中的总线分为内部总线、系统总线和外部总线三个层次:
1内部总线:
位于CPU芯片内部,用于连接CPU的各个组成部件;
2系统总线:
主板上连接微型计算机中各大部件的总线;
3外部总线:
微型计算机和外部设备之间的总线,微型计算机作为一种设备,通过该总线和其他设备进行信息与数据交换。
Ø按照总线内所传输的信息种类,可将总线分类为:
1数据总线(DataBus,DB):
用于CPU与内存或I/O接口之间的数据传输,它的条数取决于CPU的字长,信息传送是双向的。
2地址总线(AddressBus,AB):
用于传送存储单元或I/O接口的地址信息,信息传送是单向的,它的条数决定了计算机内存空间的范围大小,即CPU能管辖的内存数量。
3控制总线(ControlBus,CB):
传送控制器的各种控制信息,它的条数有CPU的字长决定。
Ø微型计算机上常用的系统总线标准:
1ISA(IndustryStandardArchitecture)总线:
工业标准结构总线,数据传送宽度是16位,工作频率是8MHz,数据传输率最高可达8Mb/s,寻址空间1Mb
2PCI(PeripheralComponentInterconnect)总线:
外部设备互联总线,数据传送宽度是32位,可扩展到64位,工作频率是33MHz,数据传输率最高可达133Mb/s
3AGP(AdvancedGraphicsPort):
它是一种可自由扩展的图形总线结构,能增大图形控制器的可用带宽,有效地解决了3D图形处理的瓶颈问题,总线宽为32位,时钟频率66MHz和133MHz两种
2)计算机与外部设备接口
Ø外部总线常以接口的形式表现,是外部设备与计算机连接的端口。
计算机上常见的接口:
1串行接口
串行接口分为9针或25针,COM1,COM2,……在一个方向上一次只能传输一位数据。
串行接口常被称为异步通信适配器接口(RS-232-C),是美国电子工业协会指定的一种接口标准,最大通信距离为15m。
必须在软件的控制下才能够输入输出数据。
2并行接口
并行接口上有25个导电小孔,并行接口被命名为LPT1,LPT2,……,并口可同时传输8路信号,因此可以一次并行传送完整的一个字节的数据。
必须在软件的控制下才能够输入输出数据。
3USB(UniversalSerialBus)通用串行总线接口
USB接口为外设提供电源,能同时连接127个外设,可同时支持高速和低速设备的访问。
USB2.0最大数据传输率为480Mb/s。
USB必须在软件的控制下才能正常工作。
4IEEE1394接口(火线)
一种连接外设的机外总线标准,按串行方式通信,带宽可以达到480Mb/s。
该接口技术有苹果公司率先创立。
IEEE1394接口标准允许把计算机、计算机外设(硬盘、打印机、扫描仪)、各种家电(数码、DVD播放机)非常简单的连接在一起。
5硬盘接口
目前最广泛的硬盘接口标准是IDE和SCSI标准。
IDE(IntegratedDeviceElectronics,集成设备电子部件)管理的最大硬盘容量不超过528MB;EIDE(EnhanceIDE)支持最大容量是8.4G,最多可以连接4台EIDE设备;SCSI(SmallComputerSystemInterface,小型计算机系统接口)是一个多任务接口,具有总线仲裁功能,SCSI总线上的适配器和控制器可以并行工作,同一个SCSI控制器下多台外设可以同时工作。
3.2.5输入/输出设备
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