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PC结构
2.1 计算机基本结构
在网吧工作的网吧网管可能首先要面对的就是计算机组装(也就是通常所说的"电脑组装"),因为在网吧中的电脑为了节省成本,通常是自己组装的,而不会去购买品牌原装机。
但是我们中的有些网吧在进网吧网管工作前对计算机内部结构都不是很清楚,甚至还没有真正打开过一台计算机,看看里面的究竟,更别说组装了。
于是,我们在正式讲解网吧网管技能前必须先事了解一下计算机的内部结构,这不仅是为我们日后的计算机组装打基础,也是日后的计算机维护必备的基础。
如果从原理上来讲,现在的计算机(在这里仅是指主机部分),包括服务器都是遵循着一种称之为"冯·诺依曼"的存储结构。
"冯·诺依曼"是一个人名,1903年12月28日生于匈牙利,1957年2月8日在美国去世,是公认的现代计算机之父。
为了纪念这位伟大的计算机之父,就以它的名字来命名我们的计算机体系结构,也称"普林斯顿结构"。
基本的冯·诺依曼计算机体系结构如图2-1所示。
从中可以看出它包括5个基本的部分:
控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。
(点击查看大图)图2-1 冯·诺依曼计算机体系结构
在这种结构中,计算机执行工作前都必须事先编成电脑能识别的编码(程序),然后存储到电脑的存储器(仅指内存)中。
执行时,由控制器从存储器中取出编码"翻译"成控制指令,指挥计算机的其他各部件协调工作。
其中,运算器(也叫"算术逻辑单元")执行具体的计算工作,如加、减、乘、除算术运算以及与、或、非等逻辑运算。
"控制器"和"运算器"加在一起就构成了中央微处理器,也就是通常所说的CPU,内存为"存储器"(注意,硬盘并不是存储器(在当时也没有硬盘),鼠标、键盘这类是输入设备,显示器、打印机之类的就是输出设备。
冯·诺依曼结构是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构,也就是程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置。
从以上结构可以看出,它离我们目前所使用的计算机结构还是存在一些差异(如并没有把像软盘驱动器、硬盘驱动器和光盘驱动器之类的存储设备包括在内,也没有包括现在新的接口,如USB?
IEEE1394之类的),这只是冯·诺依曼当初设计的计算机体系结构。
图2-2所示就是我们最常接触的计算机结构。
图2-3所示是一台现代计算机的内部结构图。
(点击查看大图)图2-2 现代计算机基本结构
(点击查看大图)图2-3 现代计算机内部结构示例
.2 计算机主板
计算机主板(Mainboard),或称"系统板"(Systemboard)和"母板"(Motherboard),是计算机用来连接、协调其他各部件的关键部件。
计算机主板一般为矩形电路板,上面安装了组成计算机的主要电路系统,主要有CPU插座、南/北桥芯片、外设扩展插槽、内存插槽、磁盘接口、电源插座,以及各种I/O设备接口等,如图2-4所示。
计算机主板关系着整个计算机性能、稳定性和可用性。
一台计算机的几乎所有技术都可以从计算机主板中得到体现,因为它是连接其他各部件的,必须要有相应的技术来支持。
当然这其中主要决定于主板的芯片组。
芯片组中所包括的就是这台计算机主板上的各种部件接口提供者,也是对应计算机技术的最终体现者。
具体将在本节后面介绍。
先看一下常见的计算机主板结构类型。
(点击查看大图)图2-4 计算机主板的基本结构
2.2.1 计算机主板结构
(1)
根据结构的不同,主板可以分为以下几种(由早到晚出现的顺序):
AT结构、BabyAT结构、ATX结构、MicroATX结构和BTX结构5种(后面3种都属于XT结构)。
下面分别予以介绍。
AT结构
AT主板结构(如图2-5所示)是IBM于1984年推出的,尺寸规格为12"×11"~13"(注意单位是"英寸"相当于305mm×279~330mm),板上集成有控制芯片和8个I/O扩充插槽。
由于AT主板尺寸较大,因此系统单元(机箱)水平方向增加了2英寸,高度增加了1英寸,这一改变也是为了支持新的较大尺寸的AT格式适配卡。
将8位数据、20位地址的XT扩展插槽改变到16位数据、24位地址的AT扩展插槽。
为了保持向下兼容,它保留了少量的62脚XT扩展插槽(图中黑色的扩展槽就是,用于ISA总线类型的扩展卡),然后在同列增加36脚的扩展插槽。
XT扩展卡仍使用62脚扩展槽(每侧31脚),AT扩展卡使用共98脚的两个同列扩展插槽。
AT结构的主板现在已被淘汰。
BabyAT结构
BabyAT主板(如图2-6所示)是AT主板的改良型,它的尺寸规格为8.5"×10"~13"(相当于216mm×254~330mm)。
可以看出它与AT主板一样,而宽度大大窄于AT主板(由原来的12"改为了8.5")。
BabyAT主板沿袭了AT主板的I/O扩展插槽、键盘插座等外设接口及元器件的摆放位置,而对内存槽等内部元器件结构进行紧缩,再加上大规模集成电路使内部元器件减少,使BabyAT主板比AT主板布局更合理些。
BabyAT主板上,一般都同时内建有两个6针连接器和20针电源连接器,所以可以使用AT或ATX电源供应器。
不过,目前这种结构的主板也不见了,也已被淘汰。
(点击查看大图)图2-5 AT结构主板示例
(点击查看大图)图2-6 BabyAT结构主板示例
但随着计算机硬件技术的进一步发展,计算机主板上集成功能越来越多,BabyAT主板有点不负重荷,而AT主板又过于庞大,于是很多主板商又采取另一种折衷的方案,即一方面取消主板上使用较少的零部件以压缩空间(如将I/O扩展槽减为7个甚至6个),另一方面将BabyAT主板适当加宽,增加使用面积,这就有了市场中规格不一的BabyAT主板。
当然这些主板对基本I/O插槽、外围设备接口和主板固定孔的位置不加改动,使得即使是最小的BabyAT主板也能在标准机箱上使用。
ATX结构
由于BabyAT主板市场的不规范和AT主板结构过于陈旧,英特尔在1995年1月公布了扩展AT主板结构,即ATX(ATextended)主板(如图2-7所示)标准。
主板规格为:
12"×9.6"(相当于305mm×244mm)。
这一标准得到了世界主要主板厂商的支持,目前已经成为最广泛的工业标准。
1997年2月推出了ATX2.01主版。
(点击查看大图)图2-7 扩展ATX结构主板示例
从外观上看,ATX与角度转了90度的BabyAT类似(与图2-6进行比较)。
ATX主板的较长边紧贴机箱后部,外设接口可以直接集成到主板上。
ATX结构中具有标准的I/O面板插座,提供了两个串行口、一个并行口、一个PS/2鼠标接口和一个PS/2键盘接口。
由于I/O接口信号可直接从主板上引出,取消了连接线缆,使得主板上可以集成更多的功能,也就消除了电磁干扰、争用空间等弊端,进一步提高了系统的稳定性和可维护性。
另外在设计上,由于ATX主板横向宽度加宽,内存插槽可以紧挨最右边的I/O槽设计,CPU插座也设计在内存插槽的右侧或下部,使I/O扩展槽上安插较长板卡不再受限,内存条更换也更加方便。
软驱接口与硬盘接口的排列位置也有利于节省数据线。
ATX标准重新设计了20针的电源插座位置(位于CPU插座的右侧)。
ATX规格的电源也是新设计的,旧的AT电源内只有一只向外抽出热空气的风扇,而ATX电源则把风扇方向,从吹出改为吸入,把外界冷空气吸进机箱内,并使冷却气流直接吹过处理器,从而给CPU及机箱内各配器件散热。
ATX电源插座的第14针"PS-ON"引脚可以控制电源进行开关机。
因此,现在的ATX主板支持网络唤醒、Modem开机、键盘开机、定时开关机等功能。
而转了90度后保证了较长的一端向外,使得很容易放置这些I/O接口;软驱、硬盘的插槽则位于机身前方,便于安装,同时避免了机箱内纷杂的连线;ATX电源则提供了更佳的风流模式,提高散热效率等。
MicroATX结构
MicroATX主板(微型ATX,如图2-8所示)结构保持了ATX标准主板背板上的外设接口位置,与ATX结构兼容。
MicroATX主板把扩展插槽减少为3~4个,DIMM内存插槽为2~3个(也有4个的),从横向减小了主板宽度,其规格尺寸为9.6"×9.6"(相当于244mm×244mm),比ATX标准主板结构更为紧凑。
按照MicroATX标准,主板上通常还集成图形和音频处理功能,也就是集成了显卡和声卡。
【说明】在ATX家族中,其实还有像LPXATX、NLXATX、FlexATX这几个变种,FlexATX结构比MicroATX主板面积还要小三分之一左右。
但因为多见于国外的品牌机,国内尚不多见,所以在此不作介绍了。
BTX结构
BTX是英特尔提出的新型主板架构"BalancedTechnologyExtended"的简称,被认为是AT结构(包括ATX结构)时代的终结者,类似于以前的ATX结构取代AT和BabyAT结构一样。
革命性的改变是新的BTX规格能够在不牺牲性能的前提下做到最小的体积。
新架构对接口、总线、设备将有新的要求。
(点击查看大图)图2-8 MicroATX主板示例
BTX规格是Intel于2002年春季IDF正式提出的,此种结构的主板提供了7个扩展槽,采用10个安装点,可以提供3个以上的3.5英寸和3个以上的5.25英寸驱动器槽,尺寸标准为12.8"×10.5"(相当于325mm×267mm),很明显它又回过头来了,因为它比ATX结构的主板尺寸还要大。
事实上,不仅包括主板规格,也涵盖机箱、散热器及电源等组件作出进一步改良,以面对当年处理器频率不断提升,寻求更佳的系统散热设计。
ATX在当时看来解决了一些问题,例如让各零组件排列更合理,而且当时100MHz上下的CPU时钟频率,产生的热气并没有太明显的影响,不过随着Intel不断飙高CPU频率,现在最快的CPU已经逼近4GHz,也连带产生了惊人的热气。
在ATX中,散热器的运作方式很简单,就是利用风扇将冷空气吸入,并从散热片排出CPU上的热气,不过ATX杂乱的格式却让散热器运作起来力不从心。
因此市面上出现了各式各样的散热装置,例如强调静音、高转速的强力风扇,宣称导热效果最好的散热片等,甚至出现水冷式的散热装置,可以想象处理机壳内热源问题的复杂性。
按照Intel的BTX结构主板部署如图2-9所示。
在这种BTX结构主板(如图2-10所示)中,CPU被放在最前面,配合上大型的散热器将冷空气从机壳前方的透气孔吸入,通过CPU后将热器从后方散热片送出,再通过南北桥芯片及显卡GPU(图形处理单元),一起把热气带走,最后从机壳背面的透气孔将热气排出,整体的空气流向是一直线,比起ATX混乱的空气对流不可同日而语。
(点击查看大图)图2-9 BTX主板结构
(点击查看大图)图2-10 BTX结构主板示例
原先Intel满怀希望地推出BTX架构,希望以其出色的散热效率和更低的噪音来解决NetBurst架构CPU的高发热量问题,但随着IntelCPU架构的调整,以Core核心CPU的功耗来看,采用BTX架构的必要性存在疑问。
DTX结构
因为Intel的BTX存在诸多问题,如使PC机箱成本提高、增加用户成本(因为散热装置比较贵),于是AMD推出DTX主板结构(如图2-11所示)标准。
DTX结构最大的特点是小型化,DTX主板尺寸只有ATX的2/3,为200mm×244mm,主板上的扩充插槽数量也将大为减少。
尽可能压低成本,可以说是DTX结构主板最大的特点。
还有一种微型的DTX(Mini-DTX)结构主板,大小仅为200mm×170mm,只有一个成人的巴掌那么大,如图2-12所示。
图2-11 DTX结构主板示例
图2-12 Mini-DTX结构主板示例
2.2.2 计算机主板芯片组
在本章的前面我们已提到了决定计算机主板性能、技术、稳定性和可用性的关键因素就是主机芯片组(Chipset)。
在以前,主板芯片组中是包括了两块主要芯片的,那就是我们通常所说的"南桥芯片"(SouthBridgeChip)和"北桥芯片"(NorthBridgeChip)。
其中"北桥芯片"是主板芯片组中起主导作用的组成部分,也称为主桥(HostBridge)。
一般来说,芯片组的名称,就是以北桥芯片的名称来命名的。
例如,Intel845E芯片组的北桥芯片是82845E,Intel875P芯片组的北桥芯片是82875P等。
计算机主板上芯片组中的北桥芯片是离CPU最近的一颗大芯片,现在的计算机主板北桥芯片有一个明显的特征,那就是通常安装有一个大的散热器,有些还安装有专门的散热风扇(注意不是CPU那个)。
图2-13所示的散热器下面就是该主板上的北桥芯片。
(点击查看大图)图2-13 北桥芯片示例
北桥芯片负责与CPU的联系,并控制内存、AGP、PCI-E总线数据流在北桥内部传输,提供对CPU的类型和主频、系统前端总线、内存类型(SDRAM、DDRSDRAM、DDR2、RDRAM、DDR3等)和PCI/AGP/PCI-E等外设插槽、内存ECC纠错等功能的支持。
整合型芯片组的北桥芯片,还集成了显示芯片。
北桥芯片的主要功能是控制内存的数据读写,不同芯片组中北桥芯片是肯定不同的。
南桥芯片位于主板上离CPU插槽较远的下方。
相对于北桥芯片来说,南桥芯片的数据处理量并不算大,所以南桥芯片一般都没有覆盖散热片。
图2-14所示就是一块主板上的南桥芯片。
(点击查看大图)图2-14南桥芯片示例
南桥芯片不与CPU直接相连,而是通过一种总线(如Intel的HubArchitecture,SIS的Multi-Threaded)与北桥芯片相连。
尽管南桥芯片不是芯片组中的最重要部分,但它担负的功能却是非常多的,而且都是些最基础的功能。
它负责I/O总线之间的通信,如PCI/PCI-E总线、USB、LAN、ATA/SATA等硬盘、音频控制器、键盘控制器、BIOS系统、高级电源管理等。
这些技术相对来说比较稳定,所以不同芯片组中南桥芯片可能是一样的。
也正因如此,现在主板芯片组中北桥芯片的类型要远远多于南桥芯片的类型。
如同一个系列(如i865系列)的芯片组中,各具体芯片组的北桥芯片是不一样的(如i865系列中有i865G、i865P、i865GV等),但南桥芯片可能是一样的(如i865系列中都是采用ICH6作为南桥芯片的)。
南桥芯片的发展方向主要是集成更多的功能,例如网卡、RAID、IEEE1394、甚至WI-FI无线网络等。
图2-15所示是i945芯片组的体系架构,而图2-16所示是i955芯片组的体系架构。
从这两个芯片组体系架构就可以验证以上所介绍的南/北桥芯片(上面是北桥,下面是南桥)的主要功能。
两个芯片组结构中的北桥所连接的主要是3个方面:
CPU(最上面那部分)、DDR2内存、用于安装显卡的PCI-E×16总线。
(点击查看大图)图2-15 i945芯片组体系架构
(点击查看大图)图2-16 i955芯片组体系架构
南桥芯片连接的功能就多许多了(但这些都是最基础的,所以尽管担负的功能多,仍不是最主要的),如硬盘接口SATA及相应的磁盘阵列技术支持,PCI/PCI-E×1总线接口、USB2.0接口、LAN网卡、高保真声卡、BIOS系统、电源管理系统等。
2.2.3 PC机总线插槽
在PC机中,用来连接扩展板卡的总线技术目前来说主要有3种:
传统的PCI、专用显卡的AGP8x,以及可以全面取代PCI和AGP的PCI-E。
下面分别认识一下这3种不同总线技术所对应的插槽结构。
1.PCI总线
PCI技术尽管已经很"旧"了,但是就是要目前最新的PC机中,见到最多的扩展插槽仍是PCI结构的。
目前市场上常见的PCI插槽有3种类型:
第一种是我们常见的32位、33MHz的PCI插槽,工作电压是5V,理论带宽为133MB/s(注意,这里大写的"B"是指Byte,是"字节"的意思,下同);第二种是64位、33MHz的PCI插槽,工作电压也是5V,理论带宽为256MB/s;第三种类型的PCI插槽是64位、66MHz的PCI插槽,工作电压是3.3V,理论带宽为512MB/s。
3种PCI插槽结构对比如图2-17所示。
(点击查看大图)图2-17 3种PCI总线插槽结构
对比一下,大家就可看出来,64位PCI比普通32位PCI插槽多出一段,这种类型的PCI插槽主要由对带宽要求较高的SCSI卡使用。
而且64位、33MHzPCI插槽前面两段的结构与32位、33MHz的PCI插槽结构完全一样,且它们两个的工作电压都是5V,所以普通的32位PCI设备也可以插在这种64位33MHz的PCI插槽上。
但64位、66MHz的PCI插槽与64位、33MHz的PCI插槽和32位、33MHz的PCI插槽的物理结构都不一样,工作电压也不相同,所以普通的32位PCI和64位、33MHz的PCI设备都不能插到64位、66MHz的PCI插槽上使用。
当然事实上也插不上去,同时,这也是出于避免因误插而导致板卡甚至计算机主板烧毁考虑的。
其实大家可以从这3种PCI插槽的结构很快区别哪种插槽采用哪种PCI技术。
32位PCI插槽只有两段,最短,后面两个64位PCI插槽都是三段的,但64位、33MHz的只是在32位PCI插槽后面附加一段,而64位、66MHz的PCI插槽是在调换了原来32位PCI插槽两段位置后再附加一段。
2.AGP总线
AGP(Accelerated-Graphics-Port,图形加速端口)接口是专门用于连接显卡的。
AGP总线技术经历了AGP1.0(AGP1X、AGP2X)、AGP2.0(AGPPro、AGP4X)、AGP3.0(AGP8X)三个主要发展阶段,其传输速度也从最早的AGP1X的266MB/s的带宽发展到了目前AGP8X的2.1GB/s。
1996年7月AGP1.0图形标准问世时分为1X和2X两种模式,数据传输带宽分别达到了266MB/s和533MB/s。
这种图形接口规范是在66MHzPCI2.1规范的基础上经过扩充和加强而形成的,其工作频率为66MHz,工作电压为3.3V,在一段时间内基本满足了显示设备与系统交换数据的需要。
但由于这种规范中的AGP带宽仍然很小,不能满足图形显示发展的带宽需求,很快被淘汰了。
1998年5月,AGP2.0规范正式发布,工作频率依然是66MHz,但工作电压降低到了1.5V,并且增加了4x模式,这样它的数据传输带宽达到了1066MB/sec,数据传输能力大大增强了。
AGPPro接口与AGP2.0同时推出,这是一种为了满足显示设备功耗日益加大的现实而研发的图形接口标准,应用该技术的图形接口的主要特点是比AGP4x略长一些,其加长部分可容纳更多的电源引脚,使得这种接口可以驱动功耗更大(25-110w)或者处理能力更强大的AGP显卡。
这种标准其实是专为高端图形工作站而设计的,完全兼容AGP4x规范,使得AGP4x的显卡也可以插在这种插槽中正常使用。
2000年8月,Intel推出AGP3.0规范,工作电压降到0.8V,并增加了8x模式,这样它的数据传输带宽达到了2133MB/sec,数据传输能力相对于AGP4X成倍增长,能较好地满足当前显示设备的带宽需求。
目前,PC机主板上如果没有提供PCI-E插槽,则基本上会有一个专门用于显卡安装的AGP8x插槽,因为PCI总线技术早已不能满足高分辨、高传输速度图形显示的带宽需求。
AGP8x是AGP总线的最新版本,也可能是最后一个版本。
AGP总线技术最初是由Intel于1996年7月推出的。
AGP8x的工作频率为66MHz,传输带宽为2.1GB/s,是64位、66MHzPCI带宽的4倍(64位、66MHzPCI的带宽为512MB/s)。
AGP插槽比较好认,一般来说,主板中的AGP插槽不是与PCI插槽并列的,而是一般向后退一个距离的,而且颜色也与PCI插槽不一样(一般为棕色,或者蓝色、绿色、黄色等),如图2-18所示。
其他类型的板卡,如PCI板卡是插不进AGP插槽的,因为结构不一样,所以无须担心会插错。
3.PCI-E总线
现在新的PC机主板上都提供了新的总线插槽--PCI-E(PCI-Express)。
PCI-E是最新的总线和接口标准,它原来的名称为"3GIO",喻意为第三代输入/输出接口,是由Intel公司提出的,交由PCI-SIG(PCI特殊兴趣组织)认证发布后才改名为"PCI-Express"。
这个新标准将全面取代现行的PCI和AGP,最终实现总线标准的统一。
PCI-E采用了目前业内流行的点对点串行连接,比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构,每个设备都有自己的专用连接,不需要向整个总线请求带宽,而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率,达到PCI所不能提供的高带宽。
相对于传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输,PCI-E的双单工连接能提供更高的传输速率和质量,它们之间的差异跟半双工和全双工类似。
(点击查看大图)图2-18 主板上的AGP插槽
PCI-E的接口根据总线位宽不同而有所差异,包括X1、X4、X8以及X16,而X2模式将用于内部接口而非插槽模式。
PCI-E规格从1条通道连接到32条通道连接,有非常强的伸缩性,以满足不同系统设备对数据传输带宽不同的需求。
此外,较短的PCI-E卡可以插入较长的PCI-E插槽中使用,PCI-E接口还能够支持热拔插,这也是个不小的飞跃。
PCI-EX1的250MB/s传输速度已经可以满足主流声效芯片、网卡芯片和存储设备对数据传输带宽的需求,但是远远无法满足图形芯片对数据传输带宽的需求。
因此,用于取代AGP接口的PCI-E接口位宽为X16,能够提供5GB/s的带宽,即便有编码上的损耗,但仍能够提供约为4GB/s左右的实际带宽,远远超过AGP8X的2.1GB/s的带宽。
尽管PCI-E技术规格允许实现X1(250MB/s),X2,X4,X8,X12,X16和X32通道规格,但是依目前形式来看,PCI-EX1和PCI-EX16已成为PCI-E主流规格,同时很多芯片组厂商在南桥芯片当中添加对PCI-EX1的支持,在北桥芯片当中添加对PCI-EX16的支持。
除去提供极高数据传输带宽之外,PCI-E因为采用串行数据包方式传递数据,所以PCI-E接口每个针脚可以获得比传统I/O标准更多的带宽,这样就可以降低PCI-E设备生产成本和体积。
另外,PCI-E也支持高阶电源管理,支持热插拔,支持数据同步传输,为优先传输数据进行带宽优化。
PCI-E插槽一般也好区分,它与PCI插槽颜色不一样,当然结构也不一样,所以无须担心会插错。
图2-19所示的是包括了PCI-E×1和PCI-E×16两种规格的PCI-E插槽。
(点击查看大图)图2-19 两种规格的PCI-E插槽
2.2.4 主板上的外设接口
前面介绍到,计算机主板是用来连接计算机内、外部设备的中心,所有的内、外部设备都是通过计算机中各种内、外部接口进行连接的。
计算机主板内部接口有:
CPU插座、内存插槽、硬盘接口、软驱接口、光驱接口、扩展总线接口等。
扩展总线在上节已有介绍,而其他的内部接口都涉及一项比较复杂的部件技术,所以将在本章后面专门介绍。
本节要介绍PC机主板上的常见外部接口(用于连接外部设备的接口),包括键盘接口、鼠标接口、打印机接口、显示器接口、COM通信接口、网卡接口、USB接口、音频接口等,如图2-20
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