第3章 微型计算机硬件组成

1、1第第3章章 微型计算机硬件组成微型计算机硬件组成 3.1 3.1 微型计算机微型计算机 3.2 3.2 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统 2 3.1 微型计算机微型计算机 3.1.1 微型计算机的分类微型计算机的分类 1.1.按组成结构分类按组成结构分类 单片机及由单片机构成的仿真系统单片机及由单片机构成的仿真系统组成部分集成在一个超大规模芯片上组成部分集成在一个超大规模芯片上31.1.按组成结构分类按组成结构分类具有实现以太网接入功能的具有实现以太网接入功能的单板机单板机 各组成部分装配在一块印刷电路板上各组成部分装配在一块印刷电路板上4多板机多板机 52.2.按用途分类按用途分类 台

2、式机台式机笔记本电脑笔记本电脑6个人数字助理个人数字助理PDA 73. 3. 微型计算机的主要性能指标微型计算机的主要性能指标 CPU指标指标 CPU字长（字长（CPU中的通用寄存器的数据宽中的通用寄存器的数据宽度度 ）、时钟频率。）、时钟频率。 运算速度运算速度 每秒钟所能执行的指令条数，每秒钟所能执行的指令条数，经典奔腾的经典奔腾的处理速度可达到处理速度可达到300MIPS 。 内存容量内存容量 内存储器存储数据的能力。内存储器存储数据的能力。83.2 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统 微型计算机硬件组成中，分为四个层次：微型计算机硬件组成中，分为四个层次：芯片芯片 （如（如CPU）、

3、）、板卡板卡（如显卡）（如显卡） 、设备设备（如主机）、如主机）、网网络络（如网卡、路由器、双绞线）（如网卡、路由器、双绞线） 。3.2.1 主板主板 优化板上元件布局优化板上元件布局配合配合ATX电源，实现软关机电源，实现软关机MODEM远程遥控开关机远程遥控开关机需要配合专门的需要配合专门的ATX机箱使用机箱使用主板：主板：AT结构和结构和ATX结构结构 ATX新型主板结构规范：新型主板结构规范：PC99规范要求主板各接口必须采用有色识别标识，方便识别规范要求主板各接口必须采用有色识别标识，方便识别9CPUCPU插座插座内存插座内存插座 PCI扩展槽扩展槽 北桥芯片北桥芯片 南桥芯片南桥芯

4、片 电池电池 显卡插座显卡插座 10芯片组决定了主板的结构及芯片组决定了主板的结构及CPU的使用。根据芯片的功能，的使用。根据芯片的功能，可分为南桥芯片和北桥芯片。可分为南桥芯片和北桥芯片。北桥芯片起着主导性的作用，也称为主桥，负责与北桥芯片起着主导性的作用，也称为主桥，负责与CPU的联的联系并控制内存、系并控制内存、AGP、PCI数据在北桥内部传输，由于北桥数据在北桥内部传输，由于北桥芯片的发热量较高，所以芯片上会装有散热片。芯片的发热量较高，所以芯片上会装有散热片。南桥芯片主要负责南桥芯片主要负责I/O接口控制、接口控制、IDE设备（硬盘等）控制以设备（硬盘等）控制以及高级能源管理等。及高

5、级能源管理等。113.2.2 CPU 摩尔定律摩尔定律晶晶体体管管数数目目4004奔腾奔腾2,30042,000,00032 年年P43,500,000晶晶体体管管数数10K100K1M10M100M1975 19801985199519902000单单位位时时间间执执行行的的指指令令数数百万条百万条/每秒每秒0.1110255004004Pentium每每1818个月芯片能力增长一倍个月芯片能力增长一倍808080888286838684862000年的年的微处理器微处理器121.CPU1.CPU的分类的分类 CPU有有通用通用CPU和和嵌入式嵌入式CPU。通用。通用CPU主要用于计算主要用

6、于计算机中，而嵌入式机中，而嵌入式CPU主要用于单片机和单板机中。主要用于单片机和单板机中。 微型计算机采用通用微型计算机采用通用CPU，目前主要有，目前主要有Intel公司公司的的CPU系列和系列和AMD公司的公司的CPU系列。系列。英特尔（英特尔（IntelIntel）公司生产了世界上第一台）公司生产了世界上第一台PCPC机的半导体集成电机的半导体集成电路芯片。路芯片。19711971年，世界上第一个通用微处理器年，世界上第一个通用微处理器Intel4004Intel4004正式问正式问世，是世，是4 4位位CPUCPU。这个芯片由。这个芯片由23002300个晶体管组成，支持个晶体管组成

7、，支持4545条指令条指令，在，在1 1兆赫下运行，为第一代微处理器。兆赫下运行，为第一代微处理器。IntelIntel公司不断推出新公司不断推出新的的CPUCPU，从，从40044004开始，有开始，有40404040、80808080、80868086、80888088、8028680286、8038680386、8048680486、PentiumPentium（奔腾）系列、（奔腾）系列、ItaniumItanium（安腾）系列（安腾）系列、CoreCore（酷睿）（酷睿） 1 1、Core 2Core 2等等CPUCPU产品。产品。Pentium 4EE 3.46Pentium 4EE

8、 3.46的晶的晶体管数量为体管数量为178178百万颗，是百万颗，是40044004的的七万多倍七万多倍，其主频是，其主频是4004CPU4004CPU的的36403640倍倍。 13142.CPU2.CPU的主要技术指标的主要技术指标 CPU字长字长 ：内部各寄存器之间一次能够传递的数据位。内部各寄存器之间一次能够传递的数据位。 CPU位宽：位宽：与外部设备之间一次能够传递的数据位。与外部设备之间一次能够传递的数据位。x位位CPU ：通常用通常用CPU字长和位宽来称呼字长和位宽来称呼CPU。例如：例如：最早的最早的386386的字长是的字长是3232位，但位宽却是位，但位宽却是1616位，

9、所以称为位，所以称为准准3232位位CPUCPU； Pentium CPU字长是字长是32位，位宽是位，位宽是64位，称为位，称为超超32位位CPU；ItaniumItanium（安腾）级（安腾）级CUPCUP的字长为的字长为6464位，位宽是位，位宽是6464位，称为位，称为6464位位CPUCPU。 CPU的主频：的主频： CPU内核电路的实际工作频率。内核电路的实际工作频率。单位为单位为Hz,1KHz=1000HzHz,1KHz=1000Hz，1MHz=1000KHz,1GHz=1000MHz1MHz=1000KHz,1GHz=1000MHz。如。如Intel Intel 8048680

10、486的主频为的主频为66MHz66MHz，Intel Core 2Intel Core 2的主频为的主频为2.402.40GHzGHz。 CPU的外频和前端总线的外频和前端总线 （FSBFSB ）：主板为主板为CPU提供的基准时提供的基准时钟频率，就是钟频率，就是CPU的总线频率的总线频率。15倍频倍频 ：CPU的外频与主频相差的倍数，即主频倍频的外频与主频相差的倍数，即主频倍频外频。外频。 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache） ：是位于是位于CPU与内存之间的一种可与内存之间的一种可以高速存取信息的芯片，其存取速度比内存快以高速存取信息的芯片，其存取速度比内存快10倍左右，起到倍左

11、右，起到CPU与内存之间高速缓冲的作用与内存之间高速缓冲的作用 。 现代现代CPUCPU中都集成了一级中都集成了一级CacheCache（L1L1）和二级）和二级CacheCache（L2L2）。）。L1L1通常包括通常包括6464KBKB用于存放指令的指令用于存放指令的指令CacheCache和和6464KBKB的用于存放数据的数据的用于存放数据的数据CacheCache，共，共128128KBKB，是，是CPUCPU内核的一部分；内核的一部分；L2L2的容量一般为的容量一般为256256KB2MBKB2MB，Intel Core 2Intel Core 2的的L2L2为为2 2（双核）（双

12、核）2 2MB=4MBMB=4MB。 CPUCPU的的CacheCache的容量在很大程度上决定了的容量在很大程度上决定了CPUCPU的价格，如的价格，如IntelIntel的的CeleronCeleron（赛扬（赛扬）系列）系列CPUCPU，就是减少了二级，就是减少了二级CacheCache的容量，因而价格便宜。的容量，因而价格便宜。CPU的制造工艺：的制造工艺：通常用通常用mm（微米）或（微米）或nmnm（纳米）来描述（纳米）来描述（1 1米米100100厘米，厘米，1 1厘米厘米1000010000微米，微米，1 1微米微米10001000纳米纳米），如如Intel Core 2Inte

13、l Core 2的制造工的制造工艺为艺为65nm65nm。IntelIntel将于将于20072007年底推出年底推出45nm45nm的的CPUCPU，该数愈小，表示制造工艺愈先进，该数愈小，表示制造工艺愈先进，可以在同样面积的硅材料上集成更多的晶体管。可以在同样面积的硅材料上集成更多的晶体管。 16Intel Core 2 Q6600Intel Core 2 Q6600型号型号CPUCPU，QuadQuad这里表示这里表示4 4，即，即4 4核芯核芯，LGA775LGA775架构（一种全新的架构（一种全新的CPUCPU与主板的连接规范，接与主板的连接规范，接口采用口采用775775个触点，传

14、统连接针脚，这种变革可以有效克个触点，传统连接针脚，这种变革可以有效克服针脚接触造成的信号干扰），服针脚接触造成的信号干扰），2.42.4GHzGHz主频，主频，4 42=82=8MBMB二级二级CacheCache，前端总线（，前端总线（FSBFSB）1066MHz1066MHz。173.3.国产国产CPUCPU 龙芯龙芯1号号 龙芯龙芯2E号号 龙芯龙芯1号号CPU于于2002年年9月由中国科学院计算技术研究所研制成功，兼顾通月由中国科学院计算技术研究所研制成功，兼顾通用及嵌入式用及嵌入式CPU特点的新一代特点的新一代32位位CPU，最高频率达到，最高频率达到266MHz，基于，基于0.1

15、8微微米（米（180纳米）纳米）CMOS工艺。工艺。 龙芯龙芯2E号是中国科学院计算技术所于号是中国科学院计算技术所于2006年年9月研制成功月研制成功 ,最高频率达到最高频率达到1 1GHZGHZ，最高双精度浮点运算速度每秒，最高双精度浮点运算速度每秒39.9339.93亿次。龙芯亿次。龙芯2 2E E采用采用9090纳米纳米CMOSCMOS制造工艺，龙芯制造工艺，龙芯2 2E E片内含片内含6464KBKB一级指令高速缓存、一级指令高速缓存、6464KBKB一级数据高速缓存、一级数据高速缓存、以及以及512512KBKB二级高速缓存，晶体管数量二级高速缓存，晶体管数量47004700万个。

16、万个。183.2.3 存储器存储器 微型计算机存储器分内部存储器和外部存储器微型计算机存储器分内部存储器和外部存储器内部存储器内部存储器访问速度快访问速度快信息暂时性信息暂时性相对价格高相对价格高外部存储器外部存储器访问速度慢访问速度慢信息永久性信息永久性相对价格低相对价格低191. 1. 内存储器内存储器 （1）随机存取存储器）随机存取存储器(Random Access Memory，简称，简称RAM)RAM通常指计算机主存，使用动态随机存储器，制作成内存条形通常指计算机主存，使用动态随机存储器，制作成内存条形式出现。式出现。CPU对它们既可读出又可写入数据。对它们既可读出又可写入数据。（2

17、）只读存储器）只读存储器(Read only Memory，简称，简称ROM)CPU对它们只取不存，其信息用户无法修改。断电时信息不会丢对它们只取不存，其信息用户无法修改。断电时信息不会丢失。失。ROM中一般存放计算机系统管理程序。中一般存放计算机系统管理程序。（3）高速缓冲存储器）高速缓冲存储器Cache是介于是介于CPU和内存之间的一种可高速存取信息的芯片，用于解决和内存之间的一种可高速存取信息的芯片，用于解决它们之间的速度冲突问题，它们之间的速度冲突问题，CPUCacheRAM202.2.外存储器外存储器 （1）软盘）软盘用表面涂有磁性材料柔软的聚酯材料制用表面涂有磁性材料柔软的聚酯材料

18、制成。读写软盘时，磁头直接接触盘面。成。读写软盘时，磁头直接接触盘面。 将盘片逻辑地划分成若干个同心圆，将盘片逻辑地划分成若干个同心圆，每个同心圆称为一个磁道，磁道从外向每个同心圆称为一个磁道，磁道从外向内编号，最外面的一个同心圆为内编号，最外面的一个同心圆为0 0磁道。磁道。磁道又等分成若干段，每段称为一个扇磁道又等分成若干段，每段称为一个扇区。一个扇区一般可存放区。一个扇区一般可存放512 512 B B的数据。的数据。磁盘的存储容量可由下面的公式求出：磁盘的存储容量可由下面的公式求出：磁盘总容量磁道数磁盘总容量磁道数扇区数扇区数磁面数磁面数扇区字节数扇区字节数如如3.5英寸软盘格式化后每

19、面是英寸软盘格式化后每面是80磁道，磁道，每个磁道有每个磁道有18个扇区，磁面数为个扇区，磁面数为2，其容，其容量是：量是： 80182512B1.44 MB。 21（2）硬盘）硬盘硬盘片硬盘片 读写磁头读写磁头 硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金构成。构成。读写硬盘时，磁性圆盘高速旋转产读写硬盘时，磁性圆盘高速旋转产生的托力使磁头悬浮在盘面上而不生的托力使磁头悬浮在盘面上而不接触盘面。接触盘面。硬盘容量视具体类型而定。硬盘容量视具体类型而定。如某牌号的硬盘的参数为：如某牌号的硬盘的参数为： C/H/S C/H/S ： 16383/16/6316383/16/63C

20、C（柱面）有（柱面）有1638316383个，个，H H（磁（磁头）有头）有1616个，个，S S（扇区）表示磁（扇区）表示磁道上有道上有6363个扇区，则其容量为个扇区，则其容量为163831638316166363512 512 B =8.4 B =8.4 GBGB。22（3）光盘）光盘 衡量光盘驱动器传输数据速率的指标叫做倍速，一倍速衡量光盘驱动器传输数据速率的指标叫做倍速，一倍速率率= 150KB/秒常用：秒常用： 只读型光盘只读型光盘CD-ROM、一次性可写入光、一次性可写入光盘盘CD-R，需要光盘刻录机完成数据的写入，后继产品，需要光盘刻录机完成数据的写入，后继产品DVD-ROM，

21、DVD-ROM一倍速率是一倍速率是1.3MB/秒。秒。 目前，目前，新型的三合一驱动器新型的三合一驱动器 “康宝康宝” （Combo）集读）集读写的写的CD-ROM、DVD以及以及CD-RW刻录三大功能为一体，被刻录三大功能为一体，被广泛地应用在笔记本电脑和微型计算机上广泛地应用在笔记本电脑和微型计算机上 。ComboDVD-RW23（4）移动存储产品）移动存储产品 USB移动硬盘移动硬盘 U盘盘 Flash存储设备存储设备 闪存芯片为存储介质采用USB的接口可擦写100万次以上 读写开关读写开关 243.2.4总线与接口总线与接口 处理器处理器存储系统存储系统I/O系统系统1.1.总线：总线：微处理器与各部件和外围设备共用的连接线路微处理器与各部件和外围设备共用的连接线路25总线分类总线分类连连接接对对象象内部总线内部总线：连接：连