计算机硬件和软件最新发展趋势.doc

计算机硬件和软件的最新发展趋势计算机硬件是指计算机系统中由电子，机械和光电元件等组成的各种物理装置的总称。这些物理装置按系统结构的要求构成一个有机整体为计算机软件运行提供物质基础。简言之，计算机硬件的功能是输入并存储程序和数据，以及执行程序把数据加工成可以利用的形式。一计算机硬件的构成计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五个逻辑部件组成。从外观上来看，微机由主机箱和外部设备组成。主机箱内主要包括cpu、内存、主板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各种扩展卡、连接线、电源等；外部设备包括鼠标、键盘、显示器、音箱等，这些设备通过接口和连接线与主机相连。运算器能进行加、减、乘、除等基本运算。存储器不仅能存放数据，而且也能存放指令，计算机能区分是数据还是指令。控制器能自动执行指令。操作人员能通过输人、输出设备和主机进行通信。计算机内部采用二进制来表示指令和数据。操作人员将编好的程式和原始数据送人主存储器中，然后启动计算机工作，计算机应在不需干预的情况下启动完成逐条取出指令和执行指令的任务。中央处理器：用来对数据进行各算术运算和逻辑运算，是计算机的执行单元。主存储器：也称内存，直接与cpu相连，是计算机中的工作存储器，计算机当前正在运行的程序与数据必须存放在主存内。存取速度快，但存储容量小。辅助存储器：也称外存，存储容量大，几乎存放计算机中所有的信息，在计算机实际执行程序和加式处理数据时，辅助存储器中的信息需要先传送入内存后才能被cpu使用。输入输出设备：简称i/o设备，是计算机与外界联系的桥梁，输入设备是指能向计算机系统输入信息的设备，包括键盘、鼠标、扫描仪等。输出设备是指能从计算机系统国输出信息的设备，包括显示器、打印机、绘图仪等。总线：是连接计算机中cpu、内存、辅存、各种输入输出部件的一组物理信号线及其相关的控制电路，是计算机中用于在各部件间运载信息的公共机构。2 中央处理器cpu是中央处理单元(central processing unit)的缩写，它可以被简称做微处理器（microprocessor)，不过经常被人们直接称为处理器(processor)。cpu是计算机的核心，其重要性好比大脑对于人一样，因为它负责处理、运算计算机内部的所有数据，而主板芯片组则更像是心脏，它控制着数据的交换。cpu的种类决定了操作系统和相应的软件。cpu主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等构成，是pc的核心，再配上储存器、输入/输出接口和系统总线组成为完整的pc（个人电脑）。1. 主要性能指标主频： 主频也叫时钟频率，单位是mhz（或ghz），用来表示cpu的运算、处理数据的速度。cpu的主频外频倍频系数。很多人认为主频就决定着cpu的运行速度，这不仅是个片面的，而且对于服务器来讲，这个认识也出现了偏差。至今，没有一条确定的公式能够实现主频和实际的运算速度两者之间的数值关系，即使是两大处理器厂家intel英特尔和amd，在这点上也存在着很大的争议，从intel的产品的发展趋势，可以看出intel很注重加强自身主频的发展。像其他的处理器厂家，有人曾经拿过一块1g的全美达处理器来做比较，它的运行效率相当于2 g的intel处理器。主频和实际的运算速度存在一定的关系，但并不是一个简单的线性关系.所以，cpu的主频与cpu实际的运算能力是没有直接关系的，主频表示在cpu内数字脉冲信号震荡的速度。在intel的处理器产品中，也可以看到这样的例子：1 ghz itanium芯片能够表现得差不多跟2.66 ghz至强（ xeon）/opteron一样快，或是1.5 ghz itanium 2大约跟4 ghz xeon/opteron一样快。cpu的运算速度还要看cpu的流水线、总线等等各方面的性能指标。主频和实际的运算速度是有关的，只能说主频仅仅是cpu性能表现的一个方面，而不代表cpu的整体性能。外频： 外频是cpu的基准频率，单位是mhz。cpu的外频决定着整块主板的运行速度。通俗地说，在台式机中，所说的超频，都是超cpu的外频（当然一般情况下，cpu的倍频都是被锁住的）相信这点是很好理解的。但对于服务器cpu来讲，超频是绝对不允许的。前面说到cpu决定着主板的运行速度，两者是同步运行的，如果把服务器cpu超频了，改变了外频，会产生异步运行，（台式机很多主板都支持异步运行）这样会造成整个服务器系统的不稳定。 目前的绝大部分电脑系统中外频与主板前端总线不是同步速度的，而外频与前端总线(fsb)频率又很容易被混为一谈，下面的前端总线介绍谈谈两者的区别。 前端总线(fsb)频率： 前端总线(fsb)频率(即总线频率)是直接影响cpu与内存直接数据交换速度。有一条公式可以计算，即数据带宽(总线频率数据位宽)/8，数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率。比方，现在的支持64位的至强nocona，前端总线是800mhz，按照公式，它的数据传输最大带宽是6.4gb/秒。外频与前端总线(fsb)频率的区别：前端总线的速度指的是数据传输的速度，外频是cpu与主板之间同步运行的速度。也就是说，100mhz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一亿次；而100mhz前端总线指的是每秒钟cpu可接受的数据传输量是100mhz64bit8bit/byte=800mb/s。 其实现在“hypertransport”构架的出现，让这种实际意义上的前端总线(fsb)频率发生了变化。ia-32架构必须有三大重要的构件：内存控制器hub (mch) ,i/o控制器hub和pci hub，像intel很典型的芯片组 intel 7501、intel7505芯片组，为双至强处理器量身定做的，它们所包含的mch为cpu提供了频率为533mhz的前端总线，配合ddr内存，前端总线带宽可达到4.3gb/秒。但随着处理器性能不断提高同时给系统架构带来了很多问题。而“hypertransport”构架不但解决了问题，而且更有效地提高了总线带宽，比方amd opteron处理器，灵活的hypertransport i/o总线体系结构让它整合了内存控制器，使处理器不通过系统总线传给芯片组而直接和内存交换数据。这样的话，前端总线(fsb)频率在amd opteron处理器就不知道从何谈起了。cpu的位和字长：位：在数字电路和电脑技术中采用二进制，代码只有“0”和“1”，其中无论是 “0”或是“1”在cpu中都是 一“位”。 字长：电脑技术中对cpu在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为8位数据的cpu通常就叫8位的cpu。同理32位的cpu就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。字节和字长的区别：由于常用的英文字符用8位二进制就可以表示，所以通常就将8位称为一个字节。字长的长度是不固定的，对于不同的cpu、字长的长度也不一样。8位的cpu一次只能处理一个字节，而32位的cpu一次就能处理4个字节，同理字长为64位的cpu一次可以处理8个字节。 倍频系数：倍频系数是指cpu主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下，倍频越高cpu的频率也越高。但实际上，在相同外频的前提下，高倍频的cpu本身意义并不大。这是因为cpu与系统之间数据传输速度是有限的，一味追求高主频而得到高倍频的cpu就会出现明显的“瓶颈”效应cpu从系统中得到数据的极限速度不能够满足cpu运算的速度。一般除了工程样版的intel的cpu都是锁了倍频的，少量的如inter 酷睿2 核心的奔腾双核e6500k和一些至尊版的cpu不锁倍频，而amd之前都没有锁，现在amd推出了黑盒版cpu（即不锁倍频版本，用户可以自由调节倍频，调节倍频的超频方式比调节外频稳定得多）。 缓存：缓存大小也是cpu的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对cpu速度的影响非常大，cpu内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。实际工作时，cpu往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量的增大，可以大幅度提升cpu内部读取数据的命中率，而不用再到内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。但是由于cpu芯片面积和成本的因素来考虑，缓存都很小。l1cache(一级缓存)是cpu第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。内置的l1高速缓存的容量和结构对cpu的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态ram组成，结构较复杂，在cpu管芯面积不能太大的情况下，l1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器cpu的l1缓存的容量通常在32256kb。l2cache(二级缓存)是cpu的第二层高速缓存，分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。l2高速缓存容量也会影响cpu的性能，原则是越大越好，以前家庭用cpu容量最大的是512kb，现在笔记本电脑中也可以达到2m，而服务器和工作站上用cpu的l2高速缓存更高，可以达到8m以上。l3cache(三级缓存)，分为两种，早期的是外置，现在的都是内置的。而它的实际作用即是，l3缓存的应用可以进一步降低内存延迟，同时提升大数据量计算时处理器的性能。降低内存延迟和提升大数据量计算能力对游戏都很有帮助。而在服务器领域增加l3缓存在性能方面仍然有显著的提升。比方具有较大l3缓存的配置利用物理内存会更有效，故它比较慢的磁盘i/o子系统可以处理更多的数据请求。具有较大l3缓存的处理器提供更有效的文件系统缓存行为及较短消息和处理器队列长度。 其实最早的l3缓存被应用在amd发布的k6-iii处理器上，当时的l3缓存受限于制造工艺，并没有被集成进芯片内部，而是集成在主板上。在只能够和系统总线频率同步的l3缓存同主内存其实差不了多少。后来使用l3缓存的是英特尔为服务器市场所推出的itanium处理器。接着就是p4ee和至强mp。intel还打算推出一款9mb l3缓存的itanium2处理器，和以后24mb l3缓存的双核心itanium2处理器。但基本上l3缓存对处理器的性能提高显得不是很重要，比方配备1mb l3缓存的xeon mp处理器却仍然不是opteron的对手，由此可见前端总线的增加，要比缓存增加带来更有效的性能提升。3 主板主板，又叫主机板(mainboard)、系统板(systemboard)或母板(motherboard)；它安装在机箱内，是微机最基本的也是最重要的部件之一。 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，一般有bios芯片、i/o控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。4 主板构成部分芯片部分bios芯片：是一块方块状的存储器，里面存有与该主板搭配的基本输入输出系统程序。能够让主板识别各种硬件，还可以设置引导系统的设备，调整cpu外频等。bios芯片是可以写入的，这方便用户更新bios的版本，以获取更好的性能及对电脑最新硬件的支持，当然不利的一面便是会让主板遭受诸如cih病毒的袭击。南北桥芯片：横跨agp插槽左右两边的两块芯片就是南北桥芯片。南桥多位于pci插槽的上面；而cpu插槽旁边，被散热片盖住的就是北桥芯片。芯片组以北桥芯片为核心，一般情况，主板的命名都是以北桥的核心名称命名的（如p45的主板就是用的p45的北桥芯片）。北桥芯片主要负责处理cpu、内存、显卡三者间的“交通”，由于发热量较大，因而需要散热片散热。南桥芯片则负责硬盘等存储设备和pci之间的数据流通。南桥和北桥合称芯片组。芯片组在很大程度上决定了主板的功能和性能。需要注意的是，amd平台中部分芯片组因amd cpu内置内存控制器，可采取单芯片的方式，如nvidia nforce 4便采用无北桥的设计。从amd的k58开始，主板内置了内存控制器，因此北桥便不必集成内存控制器，这样不但减少了芯片组的制作难度，同样也减少了制作成本。现在在一些高端主板上将南北桥芯片封装到一起，只有一个芯片，这样大大提高了芯片组的功能。raid控制芯片：相当于一块raid卡的作用，可支持多个硬盘组成各种raid模式。目前主板上集成的raid控制芯片主要有两种：hpt372 raid控制芯片和promise raid控制芯片。扩展槽部分所谓的“插拔部分”是指这部分的配件可以用“插”来安装，用“拔”来反安装。 内存插槽：内存插槽一般位于cpu插座下方。图中的是ddr sdram插槽，这种插槽的线数为184线。 agp插槽：颜色多为深棕色，位于北桥芯片和pci插槽之间。agp插槽有1、2、4和8之分。agp4的插槽中间没有间隔，agp2则有。在pci express出现之前，agp显卡较为流行，其传输速度最高可达到2133mb/s(agp8）。 pci express插槽：随着3d性能要求的不断提高，agp已越来越不能满足视频处理带宽的要求，目前主流主板上显卡接口多转向pci exprss。pci exprss插槽有1、2、4、8和16之分。注:目前主板支持双卡:(nvidia sli/ ati 交叉火力) 。pci插槽：pci插槽多为乳白色，是主板的必备插槽，可以插上软modem、声卡、股票接受卡、网卡、多功能卡等设备。cnr插槽：多为淡棕色，长度只有pci插槽的一半，可以接cnr的软modem或网卡。这种插槽的前身是amr插槽。cnr和amr不同之处在于：cnr增加了对网络的支持性，并且占用的是isa插槽的位置。共同点是它们都是把软modem或是软声卡的一部分功能交由cpu来完成。这种插槽的功能可在主板的bios中开启或禁止。 对外接口部分硬盘接口：硬盘接口可分为ide接口和sata接口。在型号老些的主板上，多集成2个ide口，通常ide接口都位于pci插槽下方，从空间上则垂直于内存插槽(也有横着的)。而新型主板上，ide接口大多缩减，甚至没有，代之以sata接口。 软驱接口：连接软驱所用，多位于ide接口旁，比ide接口略短一些，因为它是34针的，所以数据线也略窄一些。 com接口(串口)：目前大多数主板都提供了两个com接口，分别为com1和com2，作用是连接串行鼠标和外置modem等设备。com1接口的i/o地址是03f8h-03ffh，中断号是irq4；com2接口的i/o地址是02f8h-02ffh，中断号是irq3。由此可见com2接口比com1接口的响应具有优先权，现在市面上已很难找到基于该接口的产品。 ps/2接口：ps/2接口的功能比较单一，仅能用于连接键盘和鼠标。一般情况下，鼠标的接口为绿色、键盘的接口为紫色。ps/2接口的传输速率比com接口稍快一些，但这么多年使用之后，虽然现在绝大多数主板依然配备该接口，但支持该接口的鼠标和键盘越来越少，大部分外设厂商也不再推出基于该接口的外设产品，更多的是推出usb接口的外设产品，不过值得一提的时候，由于该接口使用非常广泛，因此很多使用者即使在使用usb也更愿意通过ps/2-usb转接器插到ps/2上使用，外加键盘鼠标每一代产品的寿命都非常长，因此接口现在依然使用效率极高，但在不久的将来，被usb接口所完全取代的可能性极高。usb接口：usb接口是现在最为流行的接口，最大可以支持127个外设，并且可以独立供电，其应用非常广泛。usb接口可以从主板上获得500ma的电流，支持热拔插，真正做到了即插即用。一个usb接口可同时支持高速和低速usb外设的访问，由一条四芯电缆连接，其中两条是正负电源，另外两条是数据传输线。高速外设的传输速率为12mbps，低速外设的传输速率为1.5mbps。此外，usb2.0标准最高传输速率可达480mbps。usb3.0已经开始出现在最新主板中，将不久会被推广。 lpt接口(并口)：一般用来连接打印机或扫描仪。其默认的中断号是irq7，采用25脚的db-25接头。并口的工作模式主要有三种：1、spp标准工作模式。spp数据是半双工单向传输，传输速率较慢，仅为15kbps，但应用较为广泛，一般设为默认的工作模式。2、epp增强型工作模式。epp采用双向半双工数据传输，其传输速率比spp高很多，可达2mbps，目前已有不少外设使用此工作模式。3、ecp扩充型工作模式。ecp采用双向全双工数据传输，传输速率比epp还要高一些，但支持的设备不多。现在使用lpt接口的打印机与扫描仪已经基本很少了，多为使用usb接口的打印机与扫描仪。 midi接口：声卡的midi接口和游戏杆接口是共用的。接口中的两个针脚用来传送midi信号，可连接各种midi设备，例如电子键盘等，现在市面上已很难找到基于该接口的产品。 sata接口：sata的全称是serial advanced technology attachment（串行高级技术附件，一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口），是由intel、ibm、dell、apt、maxtor和seagate公司共同提出的硬盘接口规范，在idf fall 2001大会上，seagate宣布了serial ata 1.0标准，正式宣告了sata规范的确立。sata规范将硬盘的外部传输速率理论值提高到了150mb/s，比pata标准ata/100高出50%，比ata/133也要高出约13%，而随着未来后续版本的发展，sata接口的速率还可扩展到2x和4x（300mb/s和600mb/s）。从其发展计划来看，未来的sata也将通过提升时钟频率来提高接口传输速率，让硬盘也能够超频。 电脑的主板对电脑的性能来说，影响是很重大的。曾经有人将主板比喻成建筑物的地基，其质量决定了建筑物坚固耐。用与否；也有人形象地将主板比作高架桥，其好坏关系着交通的畅通力与流速。工作稳定，兼容性好。功能完善，扩充力强。使用方便，可以在bios中对尽量多参数进行调整。厂商有更新及时、内容丰富的网站，维修方便快捷。价格相对便宜，即性价比高。5 计算机硬件发展 计算机硬件的核心技术是微电子技术和光电子技术。1995年0.35m设计规则已经成为微电子技术的商用技术，1998年将普遍使用0.25m设计规则。由此，cpu的集成度已可达单片1000万个晶体管以上，工作频率已经超过600mhz；256mbdram芯片则已成为主流存储器件，中档pc的主存储器的容量已超过32mb。随着微电子技术继续飞速发展，主题的体积越来越小，速度越来越高，容量越来越大功耗越来越低，可靠性越来越高。输入设备和输出设备则朝高性能，多样化，智能化和多媒体方向发展。辅助存储器则继续朝大容量，高速度方向发展。自从计算机诞生以来，硬件在计算机系统成本中一直占主要比重，直到进入80年代才开始发生明显的变化。由于软件在计算机系统中的地位日趋重要，其开发成本也越来越高，从而使得它在计算机系统成本中的比重迅速提高，进入90年代已逐渐与硬件平分秋色。从计算机硬件角度看，主机部分无论从重要性还是从成本看，其主导地位一直保持到70年代中期。后来，作为计算机的“手足”，“感官”和“数据仓库”的外围设备重重要性日益增长，新型高性能品种不断涌现，加上数据库技术的成熟要求越来越大的辅助存储器，从而使得外围设备在硬件成本中的比重越来越大。特别是由于输入设备和输出设备的发展，人同计算机的界面越来越友好。起初人们只能用枯燥的数字，文字同计算机打交道；80年代图形用户接口（gui）技术的成熟将人们带进了“图文并茂”的多媒体时代。人们不再感到计算机只是一部冰冷的机器了。需要指出的是，外围设备中已越来越多地嵌入微处理器和软件进行控制以达到智能化和高性能的目标，另一方面也常常将原属外围设备或外围设备控制器的部分功能直接设计进cpu，以降低成本和改善性能。趋势1：更小巧 历史的趋势告诉我们，硬件的发展，就是在不断地追求更为小巧。体积上的优势使你可以方便地将它们带到任何地方，再以后，它们甚至可以缩小到内置在你的衣服中或者皮肤里。 实现这个梦想的关键在于生产速度更快、体积更小、价格更低廉的电脑芯片。纳米技术的运用可以使这些电器产品和数码产品更加智能化，功能更多；另一方面，掌上电脑的数据处理运算性能将大大改善，真正成为方便随身携带的“口袋电脑”。 趋势2：更个性 未来的电脑在交互式软件和芯片方面都会有很大的改进。将来的电脑可以和我们进行语音交流这一点也不奇怪，目前的所谓语音识别软件还只能识别我们的声音，以后的这类软件甚至无需我们发声，它就可以读懂我们的“唇语”！将来的语音界面会训练电脑知道，当用户把脸转向它时，它就懂得主人要下命令了，而当人离开时，这种待命状态就自行结束。专业人士相信这种训练有素的“电子大脑”将在随后的5至10年中得到发展。 此外，更有个性的计算机将基于更可靠的个人认证系统(例如手纹、声控或虹膜)，这样便能最大程度地保障用户的隐私不受侵犯。趋势3：更聪明 随着计算机数据处理运算能力的不断进步，个人电脑将会变得越来越聪明。通过持续提升的硬件性能和更加卓有成效的控制软件，能够主动学习的pc将终有诞生之日。制造出有人一样智慧的“智能人”还存在着许多的技术障碍，但研究出“聪明的pc”却大有希望。国际象棋特级大师卡斯帕罗夫1997年在“人机大战”中输给电脑“深蓝”的情景还让人记忆犹新。未来的聪明pc也更能为主人带来便利。它将能够根据主人的每次行动逐渐理解他的需求，把握他的心意，进而变被动地找寻信息为主动地截获信息。趋势4：更廉价 去年11月，联合国秘