计算机硬件系统概况.doc

PC机硬件系统本章以目前最常用的微型计算机系统个人计算机(Personal Computer，以下简称PC机)为例，介绍PC机系统的组成及其工作过程、各个组成部分的功能及PC机常用外部设备。2.1 PC机组成目前，世界上生产的PC机的型号、种类很多。根据PC机的工作特点，可以把PC机描绘成是一台能存储程序和数据、并能自动执行程序的机器，是一种能对各种数字化信息进行处理的工具。计算机和计算机系统是两个不同的概念，它们是系统的两个层次，本节将从系统的角度去了解什么是计算机，什么是计算机系统，它们又是如何进行工作的。2.1.1 PC机系统的构成通常所说的“计算机”准确的来说应该称为计算机系统，或者称之为PC机系统。计算机系统、计算机和中央处理器（Central Process Unit，以下简称CPU）是三个不同的概念，是计算机从全局到局部的三个不同层次。通常所说的计算机实际上指的是计算机系统，它不仅包含了真正意义上的计算机主机，还包括了多种与主机相连的必不可少的外部设备，如键盘、鼠标、显示器以及各种软件资源。1PC机系统的概念结构一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的，如图2-1所示。 机箱 电源 运算器 主机 中央处理器(CPU) 控制器 只读存储器（ROM） 主板 内存储器 随机存储器（RAM） 数据总线 硬件系统 扩展槽输入设备：键盘、鼠标、扫描仪等 输出设备：显示器、打印机、绘图仪等 外部设备 软盘 外存储器 硬盘 光盘PC机系统 其他：网卡、调制解调器、声卡、显卡 操作系统语言处理程序 系统软件 系统服务程序 软件系统 数据库管理系统 各种用户程序与数据应用软件 专用软件 通用软件图21 PC机系统的概念结构其中硬件系统是构成整个计算机系统的各种物理设备的总称，是计算机系统的物质基础。1946年，美国科学家冯诺依曼和他的同事曾提出了一个完整的现代计算机组成结构的雏形，如图22所示。运算器输入设备存储器控制器输出设备数据程序 图22 冯诺依曼计算机结构示意图按照冯诺依曼计算机系统的结构思想，PC机的硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组成。运算器是对信息或数据进行处理和运算的部件，它负责指令的执行；控制器主要实现计算机本身运行过程的自动化，它的作用是协调并控制计算机的各个部件按程序中排好的指令序列执行指定的操作；存储器用来存放程序、参与运算的数据及运算结果，是计算机各种信息的存储和交流中心；输入设备是用来输入原始数据和处理这些数据的设备，输入的信息有数字、字符、图形图像、声音和控制符等；输出设备用来输出计算机的处理结果，输出的可以是数字、字符、图形图像、声音和控制符等。从第一台电子数字计算机发明到现在，已经过去了大半个世纪了，计算机的系统结构发生了很大的改变，但就其结构原理来说，冯诺依曼计算机的体系结构仍然占据主导地位。冯诺依曼计算机以运算器和控制器为核心、存储程序的原理为基础，且在存储器中按顺序存储或读取由指令和数据组成的程序。从外观来看，PC机的硬件系统一般由主机和输入输出设备组成。如图2-3所示： 图2-3 PC机的外观常见的输入输出设备有显示器、键盘和鼠标，此外，还有与PC机连接用于打印输出的打印机，用于通信、收发传真和传送文件用的Modem（调制解调器），用于图形、图像输出的绘图仪，用于图像扫描的扫描仪等。一、主机PC机主机的外面是机箱。机箱内装有电源、主板、软盘驱动器、硬盘驱动器和显卡。对于多媒体PC机，主机内还有声卡、只读光盘驱动器、接受视频输入的视频卡、观看影碟的解压卡等，对于连接到网络上的PC机，在主机的主板上还装有网卡等。（1） 机箱机箱是PC机的外壳，用于安装计算机系统的所有配件。常见的机箱从外观上可以分为两种：立式机箱和卧式机箱，分别如图2-4、图2-5所示： 2-4 立式机箱 2-5 卧式机箱此外，还有各种超薄式机箱和豪华式机箱。高大的立式机箱易于扩展，但所占用的空间较大；卧式机箱扩展不如立式机箱方便，但所占用的空间较小。一般机箱前面的面板上有电源（POWER）按钮、重新启动（RESET）按钮、硬盘状态指示灯。l 电源按钮（POWER）电源按钮是启动计算机所必须的按钮，一般在电源按钮上标有英文单词“POWER”。按下电源按钮，主机就会进行自检测试，若自检正常，便自动引导软磁盘或硬磁盘上的操作系统，操作系统正常引导后，就可以使用计算机中的各种软件了。l 重新启动按钮（RESET）重新启动按钮主要用于软件运行过程出现死机情况时，并且用热键CtrlAltDel不能重新引导电脑时使用。l 硬盘指示灯硬盘指示灯表明用户电脑中硬盘是否正处于读或写状态。一般情况下，硬盘在读写时，计算机的速度会明显降低，CPU处于等待状态。（2） 电源机箱内电源的主要作用是将220V的交流电转为主机所需要的3V220V的低压直流电，供主机内的CPU及其他设备使用。（3） 主板主板是计算机机箱中的一个主要部件，也称做母板或系统板，是安装在主机机箱内的一块矩形电路板，上面安装有PC机正常工作所需要的主要电路系统（见图26）。主板是PC机内最大的一块集成电路板，它包括中央处理器CPU、内存储器（也称作主存储器）、总线扩展槽、输入/输出接口电路等。主板的类型和档次决定着整个PC机系统的类型和档次，主板的性能影响着整个PC 机系统的 性能。主板上安装 图26 Intel公司的BTX主板结构有控制芯片组BIOS芯片和各种输入输出 接口、键盘和面板控制开关接口、指示灯插件、扩充插槽及直流电源供电接插件等元件。CPU、内存条插接在主板的相应插槽中，驱动器、电源等硬件连接在主板上。主板上的接口扩充插槽用于插接各种接口卡，这些接口卡扩展了计算机的功能。常见接口卡有显示卡、声卡、网卡等。在本章第二节中将详细介绍组成主板的重要部件CPU和内存储器的结构和功能。（4） 数据总线组成PC机的各个部件之间数据的传输都是在数据总线上进行的。数据总线就好像是高速公路，公路如果不够宽，再好的车也跑不快。8位的数据总线，当然要比有64位的数据总线慢多了。 （5） 扩展槽主板上的扩展槽主要用于插各种外部设备的卡（也称为适配器）如声卡、显卡、网卡、视频卡等。除主机外，PC机系统中另一个不可缺少的是计算机正常工作所需的外部设备，本章第三节将对各种外部设备分别作详细的介绍。除了这些看得见摸得着的硬件外，要使PC机能正常工作还必须要有相应的软件支撑。所谓软件，并不仅仅是一般概念中的程序，而是程序、数据和相关文档的总称。这里的文档是指与程序开发、维护和使用有关的各种图文资料。在计算机中任何由软件实现的操作，都可以由硬件来实现，反之亦然。只不过由硬件实现的操作速度更快，但缺乏软件实现的灵活性。软、硬件的这种特性，叫做逻辑等价性。这是特指在实现计算机指令和程序功能上的逻辑等价。 2PC机系统的层次结构PC机系统除具有图21所示的概念结构外，还可以按照功能更细地划分为图27所示的多级层次结构。图27中最低层是硬件系统级，是具体实现机器指定功能的中央控制部分，也是整个系统运行的物理基础，为其上的各种软件系统提供运行平台。运行在硬件系统之上的是机器语言，它由硬件系统直接进行解释。在机器语言之上的是操作系统级，它向下连接和管理整个计算机系统硬件，向上为用户开发应用程序提供支持。硬件系统级机器语言级操作系统级系统应用软件用户系统应用软件是直接为用户开发应用软件提供的工具和平台，它包括各种编译系统、网络系统及为应用程序提供开发平台的各种工具软件。最上一层是用户级，用户可以在各类系统软件的支撑下完成自己的应用程序设计。另外，非计算机专业人员也能够利用这一级提供的各种应用程序界面，通过键盘或其它方式向计算机发出请求，进入相应的信息处理系统。 图27 PC机系统的层次结构 3PC机的主要性能指标评价一个PC机系统性能的高低，有多种不同的技术指标，如系统的运行速度、程序和数据的容量、功耗、价格等。下面从购买PC机的用户的角度出发，介绍PC机系统中的几个主要部件的技术指标。（1）中央处理器（CPU）CPU是整个PC机系统的核心，一台PC机性能的高低主要取决于CPU的性能，包括它的字长、工作频率和内部高速缓冲存储器（Cache）的容量。l 字长：字长是以二进制位为单位，其大小是CPU能够同时处理的数据的二进制位数，它直接关系到PC机的计算精度、功能和速度。历史上，苹果机为8位机，IBM PCXT与286机为16位机，386机与486机为32位机，后推出的Pentium 3和Pentium 4为64位的高档PC机。CPU的频率包括主频、外频和倍频。l 主频：CPU内核（运算器）电路的实际工作频率，即CPU在单位时间（秒）内发出的脉冲数，也就是我们经常说的Pentium 4 2.8GHz等。主频越高，CPU的运算速度就越快。l 外频：主板为CPU提供的基准时钟频率。l 倍频：CPU的外频与主频相差的倍数，即主频倍频外频，如Pentium 4 2.8GHz的主频就是外频200MHz14倍频而得来的。l 高速缓冲存储器：设置高速缓冲存储器是为了提高CPU访问内存储器的速度。现代CPU中都集成了一级Cache（L1）或二级Cache（L2）。L1通常包括64KB的专门用于存放指令的指令Cache和64KB的用于存放数据的数据Cache，L2的容量一般为512KB。（2）内存储器PC机系统中另一个决定系统性能和速度的主要部件是内存储器。CPU执行的程序和所需的数据都存放在内存中，内存容量越大，系统的性能就越好。内存芯片通常采用SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存取存储器）。内存储器的主要性能指标有：l 容量：内存所具有的单元数，表征可存储的数据量，用字节（Byte）表示。内存容量反映了内存储器存储数据的能力。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。目前PC的内存容量通常为256MB或521MB，甚至高达1GB。l 内存带宽：内存与CPU之间的最大数据传送率，单位为B/s。带宽越高，系统的性能就越好。l 存取时间：读取数据所延迟的时间。绝大多数SDRAM芯片的存取时间为6、7、8或10ns（越小越好）。l 系统时钟周期：SDRAM能运行的最大频率，如一片系统时钟周期为10ns的SDRAM芯片，最大可以运行在100MHz的频率下。l 内存条引脚线数：台式PC机使用的内存条引脚线数一般是168线，笔记本电脑的内存条是199线。（3）硬盘硬盘的主要技术指标有：l 容量：即硬盘存储空间的大小，常见的有80GB、120GB、160GB、200GB等。l 转速：现在的硬盘转速通常为7200转。l 寻道时间：用于表征读取数据的快慢。（4）主板主板作为PC机系统组成的重要核心，其性能直接影响着整个系统的性能，如果选购主板，主要考虑以下因素：l 控制芯片组：当前较为流行的芯片组有Intel的i845、i848、i865，VIA的KT600及nVidia的nforce2等。l 前端总线频率（FSB）:通常为533MHz或800MHz。l 支持的接口类型和种类：如USB，IEEE1394等接口及声卡、网卡类型。以上只是一些主要性能指标。评定一台PC机的优劣不能仅仅根据其中的一两项指标，一般需要综合考虑。主要考虑经济合理、使用方便等。性能价格比是评价计算机的主要概念，选择微机时以满足应用的要求和一段时间的应用发展需求为目的，不需要盲目追求先进性。除了上述这些主要性能指标外，还有其他一些指标，如外设配置、软件配置等。212 PC机的一般工作过程PC机的工作过程就是执行程序的过程，首先由中央处理器（CPU）中的控制器发出输入控制命令，将程序通过系统的输入设备并在操作系统的统一控制下送入内存储器，然后又发出控制命令给内存储器，按照程序和数据在内存储器中的存放地址，依次取出并将数据送入中央处理器（CPU）的运算器中，控制器根据相应的安排向运算器发出运算命令，并将运算后的结果送回内存储器。最后控制器向输出设备发出输出命令，将内存储器的结果经输出设备输出。整个工作过程可以用图28来表示。输入设备内存储器CPU输出设备程序 地址/数据/指令 图28 PC机的工作过程计算机在执行程序的过程中，先将程序中的语句翻译成计算机能够识别的机器指令，再根据指令的顺序逐条执行。计算机执行一条指令的过程可分为几个基本的步骤：取指令、分析指令和执行指令，即把要执行的指令从内存储器中取出送入中央处理器CPU，分析指令要完成的动作，执行相应的操作，直到遇到结束程序运行的指令为止。程序执行过程如图29所示：程序取指令执行指令结束指令？执行指令程序 是 否 图29 程序执行过程程序的这种执行方式称为顺序执行方式，早期的计算机系统均采用这样的执行方式。该方式的优点是控制系统简单，实现比较容易；另外也节省了硬件设备，使成本较低。缺点主要有两方面：一是中央处理器执行指令的速度较慢，因为只有在上一条指令执行结束后，才能够执行下一条指令；二是中央处理器内部各个功能部件的利用率较低。在中央处理器中，取指令、分析指令和执行指令是由不同的功能部件完成的，如果以图29所示的流程工作，则在取指令部件从内存中读取指令时，分析指令和执行指令部件都处于空闲状态；同样，在指令执行时也不能同时去取指令或分析指令。因此，顺序执行方式时系统总的效率是较低的，各功能部件不能充分发挥作用。如果我们能使上述三个功能部件并行工作，计算机执行程序的速度将可以得到较大的提高。这就是多功能流水线控制技术。在现在的PC机系统中，负责取指令、分析指令和执行指令的功能部件是并行工作的。当第一条指令进入指令分析部件时，取指令部件就从内存中取第二条指令。与采用顺序执行所用的时间相比，并行执行方式缩短了系统执行程序的时间。采用并行流水线方式工作的程序执行过程如图210所示：取指令1分析指令1取指令2执行指令1分析指令2取指令3执行指令2分析指令3执行指令3 图210 程序执行过程示意图2.2 PC机主机系统PC机的主机系统主要由微处理器、存储器系统、总线及输入输出接口四个部分组成。本节将在上节对PC机系统有了整体了解的基础上，详细介绍PC机主机系统的各个组成部分及各部分的工作原理。2.2.1微处理器（Microprocessor）微处理器也叫做中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）或微处理单元（Microprocessing Unit，简称MPU），如图211所示，是计算机完成指令读出、解释和执行的重要部件，其内部微观结构主要包括两大部分，即运算器和控制器（如图212所示）。现代微处理器中还包含高速缓冲存储器（Cache），它是整个硬件系统的核心，负责控制和协调整个计算机系统的工作。图211 微处理器外观控制器通用寄存器ALU专用寄存器运算器 操作数 图212 微处理器内部结构微处理器一般通过专门 的CPU插座安置在主板上。目前市场上大多数PC机的CPU都是美国Intel公司生产的，其系列产品由早期的8088/8086到现在的Pentium系列，在性能上、功能上都有大幅的提高和改进，但其基本体系结构没有改变，且指令系统保持向上兼容（即在低档处理机上编写的程序不用修改就可以运行在同一系列更高档次的机器上）。1 运算器运算器是计算机的核心部件，其主要功能是对二进制编码进行算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算，它的速度几乎决定了计算机的计算速度。运算器是由算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，简称ALU）和寄存器组成，寄存器包括标志寄存器、通用寄存器和专用寄存器组，其主要功能是用于暂时存放数据。标志寄存器中存放的数据表征计算机当前的工作状态，如执行的结果具有哪些特征（有无进借位，结果是否为0，有无溢出）等；通用寄存器中存放的数据是参加运算的操作数、运算器运算的中间结果或操作数地址；专用寄存器中一般存放的是下一条要执行的指令的地址。算术逻辑单元是用于完成加、减、乘、除等算术运算，与、或、非等逻辑运算及移位、求补等操作的部件。 Intel80486以上的微处理器为了能实现高速运算，装配有一个高性能的ALU和专门用来计算地址的加法器。ALU主要用来完成对二进制信息的定点算术运算、逻辑运算和各种移位操作。算术运算主要包括定点加、减、乘和除运算，逻辑运算主要有逻辑与、逻辑或、逻辑异或和逻辑非操作。移位操作主要完成逻辑左移和逻辑右移、算术左移和算术右移以及共他的一些移位操作：如数值的比较、变更数值符号、计算操作数的地址等操作。2控制器控制器是分析和执行指令的部件，也是统一指挥和控制计算机各个部件按时序协调操作的部件。计算机之所以能够自动、连续地工作是依赖于人们事先编制好的程序(一组指令序列)，而程序的执行则是由控制器统一指挥完成的，它保证计算机内部的数据按照预定的目标和步骤有条不紊地操作和处理。在早期的计算机内运算器和控制器是分开的，随着计算机电路集成度的提高，现在已把它们集成在一个芯片里。在PC机工作过程中，控制器指挥着输入设备、输出设备、存储器和运算器的工作，其基本功能如下：（1） 执行指令执行指令包括取指令、分析指令和执行指令。当取指令时，控制器首先发出指令地址及控制信号，然后从存储器中取出一条指令到控制器。分析指令也叫解释指令或指令译码，它是指出本条指令要作什么操作，并产生相应的操作控制命令，分析参与这次操作的各操作数所在的地址，即操作数的有效地址。执行指令是根据分析指令时产止的“操作命令”和“操作数地址”形成相应的操作控制信号序列，通过存储器、运算器以及输入输出设备的执行，实现每条指令的功能。一般情况下，还要形成下条指令的地址，然后再取下一条指令，经过分析、执行如此循环，直到程序执行完毕或外来干预时为止。 （2）控制程序、数据的输入和结果的输出 程序和数据预先都存放在存储器中，运算结果又要输出，PC机在执行上述操作时，常采用一些相应的指令(如IO指令)，与其他指令一样，也由控制器统一指挥，以便完成主机和输入输出设备之间的信息交换。 （3）异常情况和某些请求的处理 PC机在运行时往往会遇到一些异常情况（如断电、算术运算溢出或操作错误等）或某些请求（如要求将一行字符打印输出、外存向主存送一批数据等）。产生这些请求或异常情况事先无法预测，但是一旦发生，微处理器应该立即对它们做出响应，这就要求控制器具有处理这类问题的功能。通常当这些情况出现时，由相应部件或设备向微处理器发出“中断请求”信号，待执行完当前指令后，微处理器响应该请求，终止当前执行的程序，转去执行中断程序，以便处理这些请求。当处理完毕后，再返回原程序继续执行。控制器的组成包含如下部分：（1）程序计数器程序计数器(Program Counter，简称PC)又称为指令地址寄存器或指令指针，是用来存放将要执行的下一条指令在内存中的地址。为了保证程序的连续执行，微处理器必须具备某些手段来确定下条指令的地址，程序计数器正是为此而设置的，因此又称为指令计数器。在程序开始执行前，将程序的第一条指令所在内存单元的地址送入程序计数器，以便从程序的第一条指令开始执行。在程序执行过程中，微处理器自动修改程序计数器的内容，使其中保持的总是将要执行的下一条指令的地址。（2）指令寄存器指令寄存器用来存放当前正在执行的指令，以便在指令执行过程中，完成一条指令的全部控制功能。执行一条指令时，首先从内存将指令取出送到指令寄存器。（3）指令译码器指令译码器主要是对指令寄存器中的操作码进行分析解释，产生相应的控制信号，有的机器也需要对寻址方式字段进行译码，用来产生有效地址所需的信号。译码器的输出反映的是指令功能的一串控制电位序列，而哪些电位信号起作用，应该由指令的操作码和寻址模式决定，至于控制电位什么时候起控制作用，则由时序系统来完成。（4）时序部件时序部件是产生各种时序信号的部件。PC机完成一条指令的过程是通过执行若干个微操作来实现的，且各个微操作的执行顺序又有严格的要求。时序部件用来产生一系列的时序信号，可以保证各个微操作按照一定的时间关系有条不紊地完成指令要求的操作。PC机之所以能够准确、迅速、有条不紊地工作，是因为控制器中的时序部件。PC机一旦被启动，时序部件即开始工作，微操作控制信号形成部件根据时序部件产生的时序信号有条理有节奏地指挥机器动作，规定机器在这个时刻做什么，在那个时刻又做什么，从而按照指令的要求去执行相应的微操作序列。（5）微操作控制信号形成部件微操作控制信号形成部件可以根据指令译码器产生的操作控制信号、时序部件产生的时序信号以及其他控制条件，产生整个机器指令系统中所有指令所需的全部微操作。这些控制信号控制PC机的各个部件，以控制指令的执行。（6）中断机构 中断机构是专门用于处理PC机运行过程中所出现的异常情况和某些请求的部件。中断机构由硬件和软件组成。请求中断的事件称为中断源，如外设引起的中断、运算器产生的中断、存储器产生的中断等。2.2.2存储器这里所说的存储器一般是指内存储器，内存储器也叫主存储器，它位于系统主板上，可以与CPU直接进行信息的交换。其功能是能保存大量信息，这就是通常说的计算机的“记忆”能力。一个存储器中可包括成千上万个存储单元，它表明了存储容量的大小。存储容量以K为单位(1K2101024)。存储器中每个单元有自己的编号或号码，称为“地址”，从存储器中找一个字节或放一个字节，就必须知道它所在单元的地址，然后按指定的地址存入或取出信息。内存储器是用来存放正在执行程序的指令和数据，并直接与运算器、控制器联系，交换信息。它的主要特点是：存储容量较小，存取速度快，在系统关机（即电源断电后）其内部存放的信息会丢失。内存储器由许多存储单元组成，每个单元能存放二进数信息，它可以是一个二进制数据，或一条由二进制代码表示的指令(即让计算机执行的基本操作)。一个存储单元中可存放一个“字节”的内容，一个字节包含8个二进制位数。内存储器可以分为只读存储器件（Read Only Memory， 简称ROM）和随机存储器件（Random Access Memory ，简称RAM）两类。只读存储器ROM一旦有了信息，就不能轻易改变，也不会在掉电时丢失，它们在计算机系统中是只供读出的存储器。计算机系统中，ROM模块中常常用来存放系统启动程序和参数表，也用来存放常驻内存的监控程序或者操作系统的常驻内存部分，甚至还可以用来存放字库或者某些语言的编译程序及解释程序。 根据其中信息的设置方法，ROM可以分为4种： 1 掩膜ROM或者ROM。2 可编程的只读存储器PROM (Programmable Read Only Memory)。 3 可擦除可编程只读存储器EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)。 4 可用电擦除的可编程只读存储器EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)。掩膜式ROM是由制造厂家按计算机设计者的要求进行编程，一经制造完毕就不能更改其内容；EPROM和EEPROM不但可以进行编程，而且可以用特定设备对它们多次进行擦除和再写入。 只读存储器（ROM）的特点是是其内容一旦写入就不能改变，至少不借助于专门的设备是不能改变的。由于它的结构较为简单，所以芯片中的位密度比RAM器件高，因此每位的价格也较低。ROM是非易失性存储器，且十分可靠。但是，它只能用于不需要在工作时进行写入操作的场合，即适用于存放永久性的程序或数据表格之类的内容。RAM作为组件称为内存条，它的技术、性能及容量等随着CPU的更新而不断更新与提高，以适应更快更好的CPU运行的需要。随机存储器RAM也叫主存，俗称内存(Memory)。RAM一般分为两类：动态随机存储器(Dynamic RAM，简称DRAM)及静态随机存储器(Static RAM，简称SRAM)，由于SRAM的读写速度远快于DRAM，所以PC中SRAM大都作为高速缓存(Cache)使用，DRAM则作为普通的内存和显示内存使用。RAM的特点是可以随时存取数据，但是一旦断电，保存在其中的数据就会全部丢失。衡量DRAM的重要指标是RAM芯片的存取时间，通常用纳秒(ns)表示，常见的有60ns、70ns和80ns，数值越小，速度越快。从接口形式上分，RAM有早期使用的DIP(Double Inline Package，双列直插式封装)RAM，后多采用SIMM(Single Inline Memory Module，单列直插式内存条模块)RAM和当前最流行的DIMM(Dual Inline 图 213 内存条的外观Memory Module，双列直插式内存条模块)RAM。现在Pentium级主板一般提供SIMM和DIMM两种RAM插槽，而P级主板往往只提供DIMM内存插槽。内存条的外观如图213所示。内存条模块有统一的引线标准，有30线与72线的SIMM模块及目前新型168线与200线DIMM模块，分别用于不同档次的计算机。早期DIP内存由于容量小(256KB、1MB)不便于扩展，现已淘汰。DIMM是指双在线模块，与早期的SIMM单在线模块有很大区别。最早的30线SIMM模块来说其内存条插槽都必须插有相同容量的 模块。而72线SIMM模块，在486计算机上可以每个插槽为一组，对于586计算机，仍需两个插槽为一组。186线DIMM模块内存条为目前较新的内存条，其特点是在长度增加不多而模块的总线宽度增加一倍；另一个优点是可制成体积非常小的32位模块即SODIMM，为笔记本计算机所采用内存条的标准模式；DIMM内存条可单条使用，不同容量的标准条可以混用。30线内存条的数据是8位，因此，当用于286、386SX等16位数据线的电脑时，必须成对使用；当用于386DX、486等32位数据线的电脑时，必须四个完全一样的内存条一起组成一个整体使用，否则计算机将因位数不齐无法传输数据而死机。由于奔腾系列机具有64位数据线，因此若用30线内存条，每次至少要用两个体即8条，故在586主板上已不用此形式，而直接使用72线和168线内存条。72线内存条的数据线为32位，因此在32位的主板上，可以单独使用。另外，目前的热门话题是内存条的工作时钟，一般168线的DIMM内存条可为60MHz、67MHz、75MHz和83MHz。而新近推出的一种200线DIMM内存条，其工作时钟为77MHz、83MHz和100MHz。常见每一条SIMM内存条容量为4M、8M和16M，最大可支持到64M。一条168线的DIMM内存条容量为8M、16M、32M、64M、128M、256M、512M，甚至1G等。脱 机 外 存 储 器联 机 外 存 储 器主 存 储 器高速缓冲存储器通用寄存器组计算机技术的发展，使存储器的地位不断得到提升，系统由最初的以运算器为核心逐渐变成了以存储器为核心。这就对存储器技术提出了更高的要求，不仅要使每一类存储器能够具有更高的性能，而且希望通过软件、硬件或软硬件结合的方式将不同类型的存储器组合在一起，从而获得更高的性价比，这就是存储器系统。它和存储器是不同的概念。常见的存储器系统有两类，一类是由主存储器和高速缓存（Cache）构成的Cache存储系统，另一类是由主存储器和外存储器（一般是磁盘存储器）构成的虚拟存储系统。前者的主要目标是提高存储器的速度，后者主要是为了增加存储器的容量。PC机的存储系统如图214所示。整个系统可以分为5个层次，最上一层是位于微处理器内部的通用寄存器组，用于暂存中间运算结果及特征信息。第二层是高速缓冲存储 图214 PC机的存储系统器Cache。第三层的主存储器就是通常所说的内存。联机外储存器和脱机外存储器是大容量存储器，属于外部设备范畴，它们与CPU的通信需要经过专门的接口。联机外存储器主要是指硬盘，脱机外存储器是指软盘、光盘、磁带、移动硬盘和U盘等。 2.2.3总线（BUS） 任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外部设备连接，但如果将各部件和每一种外部设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么，连线将会错综复杂，甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路与各部件和外部设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。因此，总线是连接PC机的各部件如CPU、存储器、和外部设备的能够有效高速传输各种信息的公共通道。它是一种内部体系结构，计算机的控制信号和处理的数据通过总线从系统的各部分传送到另一部分。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准可以很容易的实现不同设备间的互连。总线可以分为传输数据的数据总线（Data Bus，简称DB）、传输地址信息的地址总线（Address Bus，简称AB）和用于传输控制信号、时序信号和状态信号的控制总线（Control Bus，简称CB）。三者在物理上做在一起，但工作时各司其职。总线可以单向传送，也可以双向传送，总线技术是微机系统结构的一个重要方面。PC机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线，这三类总线中都是由数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB组成。内部总线是PC机内部各外围芯片与微处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；而系统总线是PC机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连；外部总线则是PC机和外部设备之间的总线，PC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，它用于设备一级的互连。 随着微电子技术和计算机技术的发展，总线技术也在不断地发展和完善，而使计算机总线技术种类繁多、各具特色。下面仅对目前PC机的各类总线中中比较流行的技术加以介绍。1内部总线（1）I2C总线I2C总线在十多年前由Philips公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。具有接口线少，控制方式简单，器件封装体积小，通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。 （2）SPI总线串行外部设备接口SPI（Seria1 Peripheral Interface）总线技术是Motorola公司推出的种同步串行接口。Motorola公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。 （3）SCI 总线串行通信接口SCI（Serial Communication Interface）也是由Motorola公司推出的一种通用异步通信接口UART，与MCS51的异步通信功能基本相同。2 系统总线（1）ISA总线ISA总线也叫AT总线，它是对XT总线的扩展，以适应816位数据总线要求。它在80286至80486时代应用非常广泛，以至于现在奔腾机中还保留有ISA总线插槽。1SA总线共有98只引脚。（2） EISA总线EISA总线是1988年由Compaq等9家公司联合推出的总线标准。它是在ISA总线的基础上使用双层插座，在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线，也就是在两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线。在实用中，EISA总线完全兼容ISA总线信号。（3）VESA总线VESA（Video Electronics Standard Association）总线是1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线，简称为VL（VESA Local Bus）总线。它的推出为微机系统总线体系结构的革新奠定了基础。该总线系统考虑到CPU与主存和Cache的直接相连，通常把这部分总线称为CPU总线或主总线，其他设备通过VL总线与CPU总线相连，所以VL总线被称为局部总线。它定义了32位数据线，并且可通过扩展槽扩展到64位，使用33MHz的时钟频率，最大传输率达到132MB/s，可与CPU同步工作，是一种高速、高效的局部总线，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。（4）PCI总线PCI总线是当前最流行的总线之一，它是由Intel公司推出的一种局部总线。它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小，其功能比VESA、ISA有极大的改善，支持突发读/写操作，最大传输速率可达132MB/s，可同时支持多组外部设备。PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA（Micro Channel Architecture）总线，但它不受制于处理器，是基于奔腾等新一代微处巡器而发展的总线。3 外部总线（1）RS-232-C总线RS-232-C是美国电子工业协会EIA（E1ectronic Industry Association）制定的种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道。RS-232-C标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200bps。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制。另外RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于短距离的通信。（2）RS-485总线RS-485串行总线标准广泛应用于远距离的通信中，它采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。RS-485标准采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，必须对发送方加以控制。单RS-485用于多点互联时非常方便，可以节省许多信号线。 （3）IEEE-488总线上述两种外部总线是串行总线，而IEEE-488总线是并行总线接口标准。1EEE-488总线用来连接系统，如PC计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488总线装配起来。它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，最大传输距离为20米，信号传输速率一般为500KB/s，最大传输速率为1MBs。 现在，PC机正在向通信、多媒体功能扩展，高速的CPU、性能更加优异的各种外部设备以及丰富多彩的应用软件大量涌现，而突出的问题是总线传输数据的速度受到限制，由此推动着总线技术的不断发展。在一个PC机系统中，由于总线的协调作用，使各个部件协调地执行CPU发出的指令。CPU相当于总指挥部，由各类存储器提供了具体信息，包括数据和程序，而输入输出设备担任着计算机的联络任务，对信息进行输入和输出，并由总线沟通所有部件之间信息的交流。2.2.4输入输出接口输入输出接口是微处理器与外部设备之间交换信息的连接电路，它们通过总线（BUS）与CPU相连。输入输出接口有时也称为设备控制器或适配器。由于主机是由集成电路芯片连接而成的，而输入输出设备通常是由机械和电子结合的装置，因此主机与外部设备之间存在着速度、时序、信息格式和信息类型等方面的不匹配。接口的功能就是要解决上述不匹配，使主机与输入输出设备能协调地工作。例如，我们通过键盘、鼠标、扫描仪等设备向计算机输入需要处理的信息，而通过显示器、打印机、绘图仪等设备查看处理的结果，这些设备与CPU之间的信息交换都是通过输入输出接口来实现的。输入输出接口也简称为I/O接口，由图215可以看出，接口在CPU和外设之间的数据通信过程中起着“桥梁”作用。如果一台PC机没有I/O接口，它就不具备输入输出信息的能力，这样的计算机是没有意义的。CPUI/O接口外设 图215 CPU与外设的连接示意图接口从其在系统中扮演的角色可以分为输入接口和输出接口。输入接口用于连接输入设备，负责将数据送入主机，而输出接口用于连接输出设备，负责将数据输出到输出设备。由于这些I/O接口一般是做成电路板卡的形式，所以常把它们称为“适配卡”，通常简称“卡”。常用的输入输出接口有：（1） 显示器适配卡又称显示卡（见图216），其功能是把显示器同主机连接起来，它一般插在系统主板的扩展槽中，显示卡上的连接器与显示器连接。根据显示卡向显示器传送信号的方式，显示卡分为 图2-16 显示卡数字型和模拟型。数字显示卡的作用是将色彩和亮度的数据通过数据编码传送给显示器，由于数字显示卡的分辨率较低，已经被淘汰。模拟显示卡具有红、绿和蓝三种原始颜色来组成其他颜色的独立调节机构，每种颜色通过分开的引线传送。 （2）软盘驱动器接口电路 该接口电路通过34芯信号线连接到软盘驱动器上，用于读取软盘驱动器中软盘的数据。 （3）硬盘驱动器接口电路最常见的硬盘驱动器接口类型有IDE和SCSI等。IDE称为设备电子接口，最多支持两个硬盘，它的传输速率达到1.5MBs。SCSI称为小型计算机接口，是一种高速磁盘接口卡，它可以连接不同的设备，如硬盘驱动器、扫描仪等，它的传输速度可以达到10MBs或更高。（4）并行打印机接口电路该接口电路是通过一个DB25孔型插座连接打印机。（5）串行通信接口电路该接口电路内有两个独立的RS一232C串行接口电路，各自用DB9型、DB25针型插座引出，可用于连接鼠标、扫描仪、调制解调器等。串行口在一个方向上一次只能传送一位二进制数据，而并行口一次可传送一个字节的八位二进制数据。 （6）游戏操纵杆接口该接口电路通过DB15孔型插座连接一个游戏操纵杆。2.3 PC机常用外部设备我们已经知道，计算机的硬件系统由主机和外设两部分组成。微处理器在运行中所需要的程序和数据由外部设备输入，而处理的结果则要输出到外部设备中去。控制并实现信息输入/输出的就是输入/输出系统。一个不具备输入/输出能力的计算机是没有任何意义的。由于外部设备的多样性和复杂性，同时也因为大量的信息传送是在主机和外设之间进行的，这就使得输入/输出技术在现代PC机系统中占据了十分重要的地位。因此本节将介绍输入/输出系统的基本概念和几种常用输入/输出设备的功能和特点。2.3.1输入/输出系统概述在PC机系统中，一般将除CPU和内存储器之外的部分称为输入/输出系统，输入/输出系统提供了处理器和外部世界进行信息交换的各种手段。此外，信息的交换还必须要有相应的软件控制以及实现各种设备与微处理器连接的接口电路。所以计算机的输入/输出系统由三个部分组成：输入/输出接口、输入/输出软件、输入/输出设备。1 输入/输出系统的特点输入/输出设备种类繁多，特性各异，从而决定了输入/输出系统的特点：复杂性、实时性、异步性、设备无关性。复杂性表现在输入/输出设备的复杂性以及计算机系统本身有可能产