微机系统基础知识

1微型计算机系统基础知识微型计算机简称“微型机”、“微机”，由于其具备人脑的某些功能，所以也称其为“微电脑”。微型计算机是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机。它是以微处理器为基础，配以内存储器及输入输出(I/0)接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机。微型计算机的特点是体积小、灵活性大、价格便宜、使用方便。把微型计算机集成在一个芯片上即构成单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)。由微型计算机配以相应的外围设备（如打印机）及其他专用电路、电源、面板、机架以及足够的软件构成的系统叫做微型计算机系统(MicrocomputerSystem)（即通常说的电脑）。一个完整的微型计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统由运算器、控制器、存储器（含内存、外存和缓存）、各种输入输出设备组成，采用“指令驱动”方式工作。软件系统可分为系统软件和应用软件。系统软件是指管理、监控和维护计算机资源（包括硬件和软件）的软件。它主要包括：操作系统、各种语言处理程序、数据库管理系统以及各种工具软件等。其中操作系统是系统软件的核心，用户只有通过操作系统才能完成对计算机的各种操作。应用软件是为某种应用目的而编制的计算机程序，如文字处理软件、图形图像处理软件、网络通信软件、财务管理软件、CAD软件、各种程序包等。20世纪70年代以来，随着大规模和超大规模集成电路的发展，微型计算机性能不断提高，价格不断降低，软件也不断推陈出新。多媒体技术和网络技术的产生和发展，使微型计算机不仅能处理数据、文字、图形，还可以处理音频、视频、动画，在Internet上浏览信息，发送/接收电子邮件等，因此微型计算机的应用越来越广泛。本章将重点介绍微型计算机系统的基础知识。22.1微型计算机的硬件系统随着半导体集成电路的集成度的不断提高，微型计算机的硬件发展越来越快。其发展规律遵循“摩尔定律”，即每18个月，其集成度提高一倍、速度提高一倍、价格降低一半。微型计算机的硬件系统采用冯·诺依曼体系结构，即由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成，运算器和控制器是微处理器的核心（图2-1）。本节将对微型计算机硬件系统做详细介绍。图2-1微型计算机结构图2.1.1总线1.总线的概念计算机系统中功能部件必须互联，但如果将各部件和每种外围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，难以实现。为了简化系统结构，常用一组线路，配以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组多个功能部件共享的信息传输线称为总线。微型计算机采用总线结构将CPU、主存储器和输入、输出接口电路连接起来。采用总线结构便于部件和设备的扩充，使用统一的总线标准，不同设备间互联将更容易实现。32.总线的分类微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。内部总线指芯片内部连接各元件的总线。系统总线指连接CPU、存储器和各种I/O模块等主要部件的总线。外部总线是微机和外部设备之间的总线。这里主要介绍微机中的系统总线。3.系统总线系统总线根据传送内容的不同分为数据总线、地址总线、控制总线。①数据总线（DataBus，DB）：用于CPU与主存储器、CPU与I/O接口之间传送信息。数据总线的宽度（根数）决定每次能同时传输信息的位数。因此数据总线的宽度是决定计算机性能的主要指标。计算机总线的宽度等于计算机的字长。目前，微型计算机采用的数据总线有16位、32位、64位等几种类型。②地址总线（AddressBus，AB）：用于给出源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址。地址总线的宽度决定CPU的寻址能力。若微型计算机采用n位地址总线，则该计算机可寻址的内存空间为2n。③控制总线（ControlBus，CB）：用来控制对数据线和地址线的访问和使用。4.常用的总线标准（1）ISA总线ISA（IndustrialStandardArchitecture）总线标准是IBM公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，所以也叫AT总线。它的时钟频率为8MHz，数据线的宽度为16位，最大传输速率为16MB/s。（1）EISA总线EISA（ExtendedIndustrialArchitecture）总线是1988年由Compaq等9家公司联合推出的总线标准，是在ISA总线的基础上发展起来的高性能总线。EISA总线完全兼容ISA总线信号，时钟频率为8.33MHz，数据总线和地址总线都是32位，最大传输速率为33MB/s。（3）VESA总线VESA（VideoElectronicsStandardAssociation）总线简称VL（VESALocalBus）总4线。它定义了32位数据线且可扩展到64位，使用33MHz时钟频率，最大传输率达132MB/s。VESA总线可与CPU同步工作，是一种高速、高效的局部总线。VESA总线可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。（4）PCI总线PCI（PeripheralComponentInterconnect）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，定义了32位数据总线且可扩展为64位，使用33MHz时钟频率，传输速率可达132MB/s，64位的传输速率为264MB/s，可同时支持多组外围设备。PCI总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA（MicroChannelArchitecture）总线，但不受制于处理器，是基于奔腾等新一代微处理器的总线。5.系统总线的性能指标（1）总线的带宽总线的带宽是指单位时间内总线上可传送的数据量，即通常所说的每秒传送的字节数，与总线的位宽和总线的工作频率有关。（2）总线的位宽总线的位宽是指总线能同时传送的数据位数，即数据总线的位数。（3）总线的工作频率总线的工作频率也称为总线的时钟频率，以MHz为单位。工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽越宽，其关系如下总线带宽=总线位宽/8×总线工作频率MB/s2.1.2中央处理器（CPU）1.概念和功能中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU），又被称作微处理器（MicroProcessingUnit，MPU），是微型计算机的核心部件。它主要由运算器、控制器、寄存器等组成，并且采用超大规模集成电路制成芯片，如图2-1-1所示。运算器的图2-1-1Corei7CPU5主要功能是完成各种算术运算、逻辑运算。控制器的主要功能是从内存中读取指令并对指令进行分析，按照指令的要求控制各部件工作。寄存器是在处理器内部的暂时存储部件，寄存器的位数是影响CPU性能与速度的一个重要因素。微型计算机中常用的CPU主要有Intel公司的Pentium、Conroe、Celeron（赛扬）、Xeon等以及AMD公司的Sempron、Duron、Athlon、Opteron等。目前，Intel不再追求单CPU的频率指标，而采用双核心和多核心处理器来提升处理器性能。CPU的核心数是指单个CPU封装中的CPU内核数量，早期的CPU都是单核的，但从PentiumD开始，越来越多的CPU采用了多核心设计，如Intel的Core2Duo，AMD的Athlon64x2等。2.CPU的主要性能指标（1）字与字长计算机内部作为一个整体参与运算、处理和传送的一串二进制数，称为一个“字”（Word）。字是计算机内CPU进行数据处理的基本单位。一般将计算机数据总线所包含的二进制位数称为字长。字长的大小直接反映计算机的数据处理能力，字长越长，一次可处理的数据二进制位越多，运算能力就越强，计算精度就越高。目前微型计算机字长有8位、16位、32位和64位等。大多数Pentium4属于32位CPU，而Intel的Conroe属于64位CPU。（2）主频主频即CPU的时钟频率（CPUClockSpeed）。主频越高，一个时钟周期里完成的指令数也越多，CPU的运算速度也就越快。但是，由于内部结构不同，并非所有时钟频率相同的CPU性能都一样。目前CPU的主频可达2GHz以上。（3）时钟频率时钟频率即CPU的外部时钟频率（即外频），直接影响CPU与内存之间的数据交换速度。数据带宽=（时钟频率×数据宽度）/8。时钟频率由电脑主板提供。Intel公司的芯片组BX提供100MHz的时钟频率，815和845芯片组提供133MHz的时钟频率,目前CPU外频已经达到了400MHz以上。6（4）地址总线宽度地址总线宽度决定了CPU可以访问的物理地址空间。简单地说就是CPU能够使用多大容量的内存。假设CPU有n根地址线，则其可以访问的物理地址为2n。目前，微型计算机地址总线有8位、16位、32位等。（5）数据总线宽度数据总线负责整个系统的数据流量的大小，数据总线宽度决定了CPU与二级高速缓存、内存以及输入输出设备之间一次数据传输的信息量。（6）内部缓存（L1、L2Cache）封闭在CPU芯片内部的高速缓存，用于暂时存储CPU运算时的部分指令和数据，存取速度与CPU主频一致。L1、L2缓存的容量单位一般为KB。L1缓存越大，CPU工作时与存取速度较慢的L2缓存和内存间交换数据的次数越少，相对电脑的运算速度越快。2.1.3内存储器微机内部直接与CPU交换信息的存储器称主存储器或内存储器，其主要功能是存放计算机运行时所需要的程序和数据。内存储器是计算机中最主要的部件之一，它的性能在很大程度上影响计算机的性能。1.内存的分类微机的内存储器分为随机存储器（RandomAccessMemory，RAM）、只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）、高速缓冲存储器（Cache）。（1）随机存储器（RAM）RAM中的内容随时可读、可写，断电后RAM中的信息全部丢失。RAM用于存放当前运行的程序和数据。根据制造原理不同，RAM可分为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。DRAM较SRAM电路简单，集成度高，但速度较慢，微机的内存一般采用图2-1-2内存条7DRAM。目前微机中常用的内存以内存条的形式插于主机板上，如图2-1-2所示。常用的容量为1GB、2GB、4GB等。（2）只读存储器（ROM）ROM中的内容只能读出，不能随意删除或修改，断电后信息不会丢失。ROM主要用于存放固定不变的信息。在微机中主要用于存放系统的引导程序、开机自检、系统参数等信息。目前常用的只读存储器还有可擦除和可编程的ROM（EPROM）和可电擦除、电改写的ROM（EEPROM）、闪烁存储器（FlashMemory）等类型。（3）高速缓冲存储器（Cache）随着微电子技术的不断发展，CPU的主频不断提高。主存由于容量大、寻址系统繁多、读写电路复杂等原因，造成了主存的工作速度大大低于CPU的工作速度，直接影响了计算机的性能。为了解决主存与CPU工作速度上的矛盾，设计者们在CPU和主存之间增设容量不大但速度很高的高速缓冲存储器（Cache）。Cache由静态存储器（SRAM）构成，Cache中存放常用的程序和数据。当CPU访问程序和数据时，首先从高速缓存中查找，如果所需程序和数据不在Cache中，则到主存中读取数据，同时将数据回写入Cache中，因此采用Cache可以提高系统的运行速度。PC机中的Cache一般有两级Cache（有的具有三级），L1Cache的容量一般为8KB～64KB，L2Cache的容量一般为128KB～2MB，新式CPU一般将这两级Cache都做在CPU内核中,而且运行速度与CPU内核相同，使CPU的整体性能有了极大的提高。2.内存的性能指标对存储器主要要求有存储容量大、存取速度快、稳定可靠、经济性能好。存储器的性能指标主要有以下几项。（1）存储容量存储器可以容纳的二进制信息量称为存储容量，通常以RAM的存储容量来表示微型计算机的内存容量。存储器的容量以字节（Byte）为单位，1个字节为8个二进制位（bit）。常用的单位还有KB、MB、GB等。（2）存取周期8存取周期指存储器进行两次连续、独立的操作（读写）之间所需的最短时间，单位为ns（纳秒）。存储器的存