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基本硬件知识和PC架构 昭营科技西安公司简清舟kenanjian 2010 04 01 1 X86Architecture 是英代尔Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称 包括Intel8086 80186 80286 80386以及80486 因此其架构被称为 x86 从1978年推出intel8086中央处理器的第三年被IBMPC选用 由此X86架构便成为个人电脑的一个标准平台 2 X86Architecture主要的特点 冯 诺依曼结构 普林斯顿 CISC指令集 分别是真实模式 保护模式 系统管理模式以及虚拟V86模式 3 IBMPC IBMPC想在家用电脑市场立足的产物 使用现成的 不同原始设备制造商的元件 他们决定使用开放结构 这样其它生产商可以生产和出售兼容的元件和软件 IBM还出售其 IBMPC技术参考资料 4 IBMPCCompatible 是指与IBM的PC机兼容的个人电脑 一般用于指80486及之前的PC机 之后渐渐代之以 标准PC 的说法 5 Motherboard 主板 主机板Motherboard或是Mainboard是计算机最主要的电路板 6 CentralProcessingUnit 中央处理器单元 CPU主要组成 运算器 算术 逻辑 部件 算术逻辑单元 累加器 寄存器组 路径转换器 数据总线 控制器 复位 使能 部件 程序计数器 指令寄存器 指令解码器 状态寄存器 时钟发生器 微操作信号发生器 寄存器 CPU的运作原理可分为四个阶段 提取 从程序内存中检索指令 解码 指令被拆解为有意义的片断 执行 连接到各种能够进行所需运算的CPU部件 执行 写回 执行阶段的结果写回 7 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 主频和实际的运算速度存在一定的关系 但目前还没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系 因为CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标 缓存 指令集 CPU的位数等等 8 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 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 CPU的位和字长缓存 Cache 9 指令集CISC指令集指令多 减少编译代码中的指令的数目 寻址方式比较复杂 取指令操作所需的内存访问数量达到最小化 编码长度可变 1 15 字节 RISC指令集指令少 统一指令编码 编码长度固定 通常为4个字节 简单寻址方式 泛用寄存器 寄存器数量多 算术逻辑运算指令的操作数都在通用寄存器中存取 10 Endiannness 端序 大端序 英 big endian 或称大尾序以0 x0A0B0C0D为例 地址增长方向8bit为单位 0 x0A 0 x0B 0 x0C 0 x0D 小端序 英 little endian 或称小尾序 以0 x0A0B0C0D为例 地址增长方向8bit为单位 0 x0D 0 x0C 0 x0B 0 x0A 混合序 英 middle endian 具有更复杂的顺序 以0 x0A0B0C0D为例 地址增长方向8bit为单位 0 x0B 0 x0A 0 x0D 0 x0C 11 SystemonChip SOC片上系统 SOC 是指在单芯片上集成数字型号处理器 微控制器 存储器 数据转换器 接口电路等电路模块 追求最大包容的集成器件 12 RAM ROM ROM 只读存储器 其特点 烧入后无需外加电即可保存数据 速度慢 适用于长期保留不变的数据 分类 MaskROM 掩摸ROM PROM ProgrammableROM可编程ROM 全0或全1 一次性编程写入 EPROM ErasableProgrammableROM电可擦写ROM 紫外线光的照射擦写 可重复烧录 EEPROM E2PROM 电可擦除可编程ROM 通过高压脉冲可以写入数据 12VDC 可重复烧录 FlashROM 闪存存储器 适用 5V 即可到EEPROM的功能 可重复烧录 13 RAM 随机存储器 特点 可以被读写存储器 速度快 断电不保存数据 种类 SRAM StaticRAM 静态随机存储器 没有刷新周期 由触发器构成基本单元 速度快 用于高速缓冲存储器 DRAM DynamicRAM 动态随机存储器 由一个晶体管和一个电容器件构成 需要有规律的定时的进行刷新来稳定数据 主要用于主存储 SDRAM SynchronousDRAM 同步DRAM 将RAM于CPU以同样时钟频率进行控制 使RAM和CPU的外频同步 减少等待的时间 DDRAM DoubleDataRateSDRAM 双倍速率随机存储器 双倍预取技术 差分输入技术 低电压技术 14 BIOS BasicInput OutputSystem 基本输入输出系统 开机自检 检查CPU和各个控制器的状态 初始化 针对内存 主板芯片组 显卡及其周边装置初始化 记录系统设定值 提供各元件的基本设置 如显示器 键盘 处理器 内存等 提供常驻程序库 提供操作系统或是应用程序回调的中断常驻程序 加载操作系统 从存储装置中加载操作系统到内存中 15 BUS 总线 BUS 就是一组通信线路 BUS分类有 并行总线 串行总线 地址总线 数据总线 控制总线 内部总线 外部总线 同步总线 异步总线 16 总线的性能 总线的带宽 单位时间内 总线的数据的最大传输量 一般用MBbye s表示 总线的宽度 通信线路的数目的多少称为总线宽度 总线的单元时钟频率 对同步总线 采用统一的时钟脉冲作为总线定时基准 总线的负载能力 总线上可以连接模块的最大数目 17 ISA IndustryStandardAcrchitecture 工业标准构架体系 8位ISA总线 IBMPCXT采用8位的机器 扩充槽是62脚 带宽 8bit兼容 8bitisa针脚 62工作电压 5V 5V 12 12V时钟频率 4 77MHz 18 19 16位ISA总线 IBMPCAT采用16位的机器 扩充槽是62 36脚 带宽 16bit兼容 8bitisa 16bitisa针脚 98工作电压 5V 5V 12 12V时钟频率 8 33MHz 20 21 EISA EISA是为配合32位CPU而设计的总线扩展标准带宽 32bit兼容 8bitisa 16bitisa 32bitEISA针脚 98 100工作电压 5V 5V 12 12V时钟频率 8 33MHz 22 23 PCI PeripheralComponentInterconnect 外部设备互连总线 Intel推出的局部总线 地址和数据数据线分时复用 采用同步传送方式式和集中式总线总裁策略 有自动配置能力 支持PNP 中断共享 24 25 PCI E PCI Express 点对点串行连接 传输通道 双工连接使用多层协议 26 27 AGP AcceleratedGraphicsPort 加速图像处理端口 1997年由Intel提出 从PCI标准上建立起来的 一种高速点对点传输通道 是供显卡专用接口 主要应用在三维计算机图形的加速上 为了消除PCI在处理3D图形时的速度瓶颈 28 阔度66针每接口最多连接1个设备带宽最高达2133MB s并行不支持热插拔 29 标准版本 30 2020 2 4 31 VESALocalBus VideoElectronicsStandardsAssociationLocalBus 扩充ISA局部总线 是一个扩充标准工业插槽 ISA 的总线 负责掌控装置的内存映射I O和直接内存存取 DMA 的内存高速管道 VLB插槽本身就是现存ISA插槽的延伸 伸长的部份通常被涂成棕色 和一般黑色ISA插槽分别 32 33 34 VideoCard 显卡 显卡的用途是将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动显示器 向显示器提供行扫描信号 是 人机对话 的重要设备之一 显卡主要元件 显示芯片BIOS 基本输出的固件程序 显存输出接口 35 显卡按接口分类 ISA显卡PCI显卡AGP显卡VESA显卡PCI Express显卡USB显卡 36 37 GraphicProcessingUnit 图形处理器 计算机中处理图形输出的显示芯片 NVIDIA公司在发布GeForce256绘图处理芯片时首先提出的概念GPU使显卡减少了对CPU的依赖并分担了部分原本是由CPU所担当的工作 38 USB UniversalSerialBus 通用串口总线 1994年底Intel Microsoft 康柏 IBM等公司倡导的串口总线标准 可以热插拔 即插即用 工作在5V电压 100mA 500mA USB设备可以采用自供电方式 支持同步和异步传输 设备和主机由管道pipe 逻辑通道 联系在一起 半双工的差分信号并协同工作 携带方便 USB设备大多以 小 轻 薄 见长 标准统一 USB硬盘 USB鼠标 USB打印机 可以连接多个设备 127个 39 第一代 USB1 0 1 1的最大传输速率为12Mbps 1996年推出 第二代 USB2 0的最大传输速率高达480Mbps USB1 0 1 1与USB2 0的接口是相互兼容的 第三代 USB3 0最大传输速率5Gbps 向下兼容USB1 0 1 1 2 0 支持全双工 40 现标准中将USB统一为USB2 0高速 传输速率25Mbps 400Mbps 最大480Mbps 全速 传输速率500Kbps 10Mbps 最大12Mbps 低速 传输速率10Kbps 100Kbps 最大1 5Mbps 41 42 43 控制传输 Control 一般用于短的 简单的对设备的命令和状态反馈 例如用于总线控制的0号管道 同步传输 Isochronous 按照有保障的速度 可能但不必然是尽快地 传输 可能有数据丢失 例如实时的音频 视频 中断传输 Interrupt 用于必须保证尽快反应的设备 有限延迟 例如鼠标 键盘 批量传输 Bulk 使用余下的带宽大量地 但是没有对于延迟 连续性 带宽和速度的保证 传输数据 例如普通的文件传输 44 FireWire IEEE1394火线接口 IEEE1394接口是苹果公司领导开发的高速串行工业总线标准 支持即插即用 热插拔 支持两种传输方式同步传输和异步传输 支持点对点通信模式 支持较远的距离 普通线缆可以达到4 5m 高级线缆可以达到15m 1394b可以使用多种介质 玻璃光缆或是5类双绞线传输可以达到100m 使用8 40V的直流电 IEEE1394理论上可以将63台设备串接在同一网络上 IEEE1394继承了成熟的SCSI指令体系 因此传输的稳定度和效率都相当地高 和USB2 0相比 对于CPU的负担也较低 45 IEEE1394a 2000 FireWire400 6Pin接口 最高速为400MbpsIEEE1394b 2002 FireWire800 接头的形状从IEEE1394a的6Pin变成9Pin 理论最高速为800Mbps IEEE1394c 2006 FireWireS800T 新的接头规格和RJ45相同 并使用CAT 5 5类双绞线 和相同的自动协议 可以使用相同的端口来连接任何IEEE1394设备或IEEE802 3 1000BASE T以太网双绞线 的设备S1600和S3200 S1600 理论值达到1 6Gbit s 和S3200模式 理论值达3 2Gbit s 46 LowPinCount LPC 是Intel于1998年公布的一个取代传统ISABUS的一种新接口规范 ISABUS的地址 数据分离译码 改为地址 数据共享译码 信号的数量大幅降低 36线 工作频率有PCI总线驱动 47 ParallelPort并口 是计算机上数据以并行方式传递的端口 主要有25和30针两种 平常25针居多 主要连接打印机 老实的扫描仪 老实的摄像头 随着速度迅速提高 并口上导线之间数据同步成为一个很难处理的难题 导致并口在速度竞赛中逐渐被淘汰 48 49 50 51 SerialPort 串口 是计算机上数据以串行方式逐位数据传输的端口 RS 232RS 232通信距离短 速率低 25针D形接口和9针D形接口 COM1 COM2 传输15米 RS 422采用4线 全双工 差分传输 多点通信的数据传输协议 一发多收 不可逆 一个发送端就可以连接10个接受端 可进行长距离传输 超过4000英尺 1200米 RS 485采用2线 半双工 多点双向通信 差分传输 可多发多收 可进行长距离传输 超过4000英尺 1200米 USBRJ 45接口是以太网最为常用的接口 52 I2C 内部集成电路总线 由PHILIPS公司开发的两线式串行总线 用于连接微控制器及其外围设备 支持多主控 主控能够控制信号的传输和时钟频率 同一时间只能有一个主控 I2C总线是由数据线SDA和时钟控制线SCL构成的串行总线 标准模式 100Kbits s 快速模式 400Kbits s 高速模式 其速度可达3 4Mbits s 53 54 SerialPeripheralInterface SPI 由Motorola首先开发定义 SPI 是一种高速的 全双工 同步的通信总线 主要应用在EEPROM FLASH 实时时钟 AD转换器 还有数字信号处理器和数字信号解码器之间四线同步双向串行