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计算机主板工作原理

2014-03-24 10:43来源:网络整理发布者:来去留 查看:
计算机主板的工作原理及及解释:运算器,控制器,存储器,输入设备和输出设备

运算器和控制器统称为处理器,也就是CPU,运算器负责算术运算和逻辑运算,控制器负责键盘,鼠标等外部设备。

存储器:存储器包括外存储器和存储器,外存储器常见的有硬盘,U盘,MP3等,内存储器也就是内存RAM,分问SDRAM和DDRAM也就是SD内存和DDR内存

输入设备:常见的有键盘,鼠标,写字板,扫描仪,摄像头

输出设备:常见的有打印机,显示器,传真机等等

微型计算机的分类及主要技术指标

微型计算机种类繁多,型号各异,因此人们可以从不同角度对其进行分类。例如按微处理器的制造工艺、按微处理器的字长、按微型机的构成形式、按应用范围等进行分类。不过,最常见的是按微处理器的字长和按微型机的构成形式来进行分类。这是因为微处理器是微型计算机的核心部件,微处理器的性能(特别是字长)在很大程度上决定了微型机的性能,此外,从构成形式上,目前微型机有单片机、单扳机和系统机(多扳机)三种形式。

1.3.1按微处理器(CPU)字长分类按微处理器字长来分,微型计算机一般分为4位、8位、16位、32位和64位机几种。

(1)4位微型计算机;用4位字长的微处理器为CPU,其数据总线宽度为4位,一个字节数据要分两次来传送或处理。4位机的指令系统简单、运算功能单一,主要用于袖珍或台式计算器、家电、娱乐产品和简单的过程控制,是微型机的低级阶段。

(2)8位微型计算机:用8位字长的微处理器作CPU,其数据总线宽度为8位。8位机中字长和字节是同一个概念。8位微处理器推出时,微型机在硬件和软件技术方面都已比较成熟,所以8位机的指令系统比较完善,寻址能力强,外围配套电路齐全,因而使8位机通用性强,应用宽广,广泛用于事务管理、工业生产过程的自动检测和控制、通信、智能终端、教育以及家用电器控制等领域。

(3)16位微机:用高性能的16位微处理器作CPU,数据总线宽度为16位。由于16位微处理器不仅在集成度和处理速度、数据总线宽度、内部结构等方面比8位机有本质上的不同,由它们构成的微型机在功能和性能上已基本达到了当时的中档小型机的水平,特别是以Intel 8086为CPU的16位微型机IBM PC/XT不仅是当时相当一段时间内的主流机型,而量其用户拥有量也是世界第一,以至在设计更高档次的微机时,都要保持对他的兼容。16位机除原有的应用领域外,还在计算机网络中扮演了重要角色。

(4)32位微机:32位微机使用32位的微处理器作CPU,这是目前的主流机型。从应用角度看,字长32位是较理想的,它可满足了绝大部分用途的需要,包括文字、图形、表格处理及精密科学计算等多方面的需要。典型产品有Intel 80386,Intel 80486,MC68020,MC68030、Z-80000等。特别是1993年Intel公司推出Pentium微处理器之后,使32位微处理器技术进入一个崭新阶段。他不仅继承了其前辈的所有优点而且在许多方面有新的突破,同时也满足了人们对图形图像、实时视频处理、语言识别、大流量客户机/服务器应用等应用领域日益迫切的需求。

(5)64位微机:64位微机使用64位的微处理器作CPU,这是目前的各个计算机领军公司争相开发的最新产品。其实高档微处理器早就有了64位字长的产品。只是价格过高,不适合微型计算机使用,通常用在工作站或服务器上。现在,是到了64位微处理器进入微型计算机领域的时机了。估计Intel公司和HP公司会在2003年推出他们合作研制的第一款用于微型机的64位微处理器。相信64位微处理器会将微型计算机推向一个新的阶段。

1.3.2按微型计算机的组装形式分类微型计算机是由多个功能部件构成的一个完整的硬件系统,除核心部件微处理器之外,还配置有相应的存储部件、输入输出接口等。因此,按照微型机多个部件的组装形式分类,又可分为单片机、单扳机和多板微型计算机三类。

(1)单片机:如果将构成微型计算机的各功能部件(CPU,RAM,ROM及I/O接口电路)集成在同一块大规模集成电路芯片上,一个芯片就是一台微型机,则该微型机就称为单片微型计算机,简称单片机。单片机的特点是集成度高、体积小、功耗低、可靠性高、使用灵活方便、控制功能强、编程保密化、价格低廉、利用单片机可较方便地构成一个控制系统。因此,在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信和分布式控制系统、家用电器等领域的应用日益广泛。典型产品有:Intel公司的MCS8051、8096(16位单片机),Motorola公司的MC68HC05,MC68HC11等。

一般单片机本身没有软件开发功能,因为单片机内无监控程序或系统通用管理软件,只放置有用户事先调试好的应用程序,不过随着单片机技术的迅速发展,目前也有部分高档单片机内可固化部分系统软件。

(2)单板机:如果将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片及简单的输入、输出设备(如小键盘、数码显示器LED(Light Emitting Diode,发光二极管))装配在同一块印刷电路板上,这块印刷电路板就是一台完整的微型机,称为单板微型计算机,简称单板机。单板机具有完全独立的操作功能,加上电源就可以独立工作。但由于它的输入、输出设备简单、存储容量有限,工作时只能用机器码(二进制)编程输入,故通常只能应用于一些简单控制系统和教学中。国内曾经最流行的单板机是TP801(CPU为Z-80),现已被单片机、系统机(PC机)淘汰。

(3)多板微型计算机:也称系统机,把微处理器芯片、存储器芯片、各种I/O接口芯片和驱动电路、电源等装配在不同的印刷电路板上,各印刷电路板插在主机箱内标准的总线插槽上,通过系统总线相互连接起来,就构成了一个多插件板的微型计算机。目前广泛使用的微型计算机系统(如IBM PC/XT,PC/AT,PC386,PC484,PC586等)就是用这种方式构成的。

多板微型计算机也称单机系统,所有的系统软件和应用程序都在系统内的硬盘上或内存中。它功能强、组装灵活。选择不同的功能部件适配卡(如主机板、内存条、显示卡、声卡、软、硬盘驱动器、光驱、打印机、键盘、鼠标等)就可以构成不同功能和规模的微型计算机。

1.3.3微型机的主要技术指标一台计算机的性能优劣,要由多项技术指标来综合评价,不同用途的计算机强调的侧重面也不同。通常微型计算机用下面几顶指标来衡量其基本性能。

1.字长字长是指计算机内部参与运算的数的位数。它决定着计算机内部寄存器、ALU和数据总线的位数,直接影响着机器的硬件规模和造价。字长直接反映了一台计算机的计算精度,为适应不同的要求及协调运算精度和硬件造价间的关系,大多数计算机均支持变字长运算,即机内可实现半字长、全字长(或单字长)和双倍字长运算。

微型机的字长通常为4位、8位、16位和32位,64位字长的高性能微型计算机也已推出。

字长对计算机计算精度的影响:

4位字长:24=16; 16位字长:216=65,536=64K32位字长:232=4, 294, 967, 296=4G; 64位字长:264≈1 .8445×10 19

2.主存容量主存容量是指主存储器所能存储二进制信息的总量。由于现代微机中字长是可变化的,所以微机的主存容量一般以字节(Byte)数来表示,每8位(Bit)二进制为一个字节,每1024个字节称为1KB(210=1024=1K),即千字节;每1024KB为1M B(1024×1024=220=1M),即兆字节;每1024MB为1GB,即千兆字节。目前,微机的主存容量通常为4M、8M、16M、32M、64M、128M、256M甚至512M字节。主存容量越大,软件开发和大型软件的运行效率就越高,系统的处理能力也就越强。

3.运算速度运算速度是衡量计算机性能的一个重要指标,在硬件一定的情况下,运算速度快慢与机器所执行的操作及主时钟频率有关,执行的操作不同,所需要的时间不同,其运算速度也不同,执行同一种操作使用同一计算方法,机器主时钟频率不同,运算速度也不同。现在普遍采用单位时间内执行指令的条数作为运算速度指标,并以MIPS作为计量单位。例如某微处理器在某一时钟频率下每秒执行100万条指令,则它的运算速度就为1MIPS。目前高档微机(如486以上档次)的运算速度已达100~400MIPS。

需要指出的是,上述计算运算速度的方法显然是与机器的主时钟频率有关的,主时钟频率不同,执行同样的指令,其运算速度是不同的。每个机器内都有一个主时钟源,它产生一定频率的连续时钟脉冲信号,为整个机器提供时钟,称为主时钟,它是全机的时间基准信号,主时钟信号的频率称为机器的主频。主频是决定机器运算速度的关键指标,这也是人们在购买微机或组装微机时要按主频来选择CPU芯片的原因。目前Pentium微机的主频有133MHz、166MHz、200MHz、233MHs、266MHz、最高达300MHz。

4.可靠性计算机的可靠性是一个综合的指标,应由多项指标来综合衡量,但一般常用平均无故障运行时间来衡量。平均无故障运行时间是指在相当长的运作时间内,用机器的工作时间除以运行时间内的故障次数所得的结果。它是一个统计值,此值越大,则说明计算机的可靠性越高,即故障降低。目前微型机的平均无故障运行时间可高达几千小时,而巨型机和大、中型机只有几百甚至几十小时。

5.性能价格比性能价格比是机器性能与价格的比值,它是衡量计算机产品性能优劣的一个综合性指标。这里所说的性能除包括上述的4个方面外,还应包括软件功能(如高性能操作系统、各种高级语言和应用软件配置)、外设的配置,可维护性、兼容性等。显然,性能价格比的比值越大越好。一般来说,微型机的性能价格比要比其它类型计算机的性能价格比高得多。

1.4 微型计算机系统微型计算机系统中从局部到全局存在三个层次:

微处理器→微型计算机→微型计算机系统

这是三个不同的概念,但它们之间又有着密切的联系,学习时切莫将其混为一谈。

1.4.1微型计算机的基本组成微型计算机通常由微处理器(即CPU)、存储器(ROM,BAM)、I/O接口电路及系统总线(包括地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB)组成,如图1.2所示。

由图可知,就微型机的基本组成原理而言,它与其它各类计算机并无本质上的区别,但由于微型机广泛使用了大规模和超大规模集成电路,这便决定了微型机在组成上又有它自己的特点。在微型计算机中,各功能部件之间通过系统总线(AB,DB,CB)相连,这使得各功能部件之间的相互关系就转化为各部件面向系统总线的单一关系,这是微型计算机在体系结构上的最突出特点。它不仅为微型机的生产和系统功能的扩充或更新提供了方便,而且为微型计算机产品的标准化、系列化及通用性打下良好基础。下面对各功能部件作简要介绍。

1.微处理器微处理器就是大规模集成电路形式的中央处理机,即CPU。是微型计算机的核心部件,它按照程序指令的要求控制计算机各功能部件协调工作。因此,它的性能决定了整个微型机的各项关键技术指标。

随着大规模和超大规模集成电路技术的发展,微处理器已经经历了五代发展历程,因此微处理器的种类繁多,性能、规模、结构也有较大差异,但是他们有两点是共同的:

(1)微处理器一般都具有下列基本功能:

可进行算术和逻辑运算;具有接收或发送数据给存储器和外设的能力;可暂存少量的数据;可对指令进行译码并执行指令新规定的操作;提供整个系统所需的定时和控制信号;可响应其它部件发出的中断请求。

(2)微处理器一般由下列部件组成:

算术逻辑单元(ALU,Arithmetic Logical Unit);累加器和通用寄存器组;程序计数器(也叫指令指标器);时序和控制逻辑部件;数据与地址锁存器/缓冲器;内部总线。

算术逻辑单元ALU主要完成算术运算(+、-、×、÷、比较)和各种逻辑运算(与、或、非、异或、移位)等操作。ALU是组合电路,本身无寄存操作数的功能,因而必须有保存操作数的两个寄存器:暂存器TMP和累加器AC(),累加器既向ALU提供操作数,又接收ALU的运算结果。

寄存器阵列实际上相当于微处理器内部的RAM,它包括通用寄存器组和专用寄存器组两部分,通用寄存器(A,B,C,D)用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。它们一般均可作为两个8位的寄存器来使用。处理器内部有了这些寄存器之后,就可避免频繁地访问存储器,可缩短指令长度和指令执行时间,提高机器的运行速度,也给编程带来方便。专用寄存器包括程序计数器PC()、堆栈指示器SP()和标志寄存器FR(),它们的作用是固定的,用来存放地址或地址基值。其中:

A)程序计数器PC用来存放下一条要执行的指令地址,因而它控制着程序的执行顺序。在顺序执行指令的条件下,每取出指令的一个字节,PC的内容自动加1。当程序发生转移时,就必须把新的指令地址(目标地址)装入PC,这通常由转移指令来实现。

B)堆栈指示器SP用来存放栈顶地址。堆栈是存储器中的一个特定区域。它按“后进先出”方式工作,当新的数据压入堆栈时,栈中原存信息不变,只改变栈顶位置,当数据从栈弹出时,弹出的是栈顶位置的数据,弹出后自动调正栈顶位置。也就是说,数据在进行压栈、出栈操作时,总是在栈顶进行。堆栈一旦初始化(即确定了栈底在内存中的位置)后,SP的内容(即栈顶位置)使由CPU自动管理。

C)标志寄存器也称程序状态字(PSW)寄存器,用来存放算术、逻辑运算指令执行后的结果特征,如结果为0时,产生进位或溢出标志等。

定时与控制逻辑是微处理器的核心控制部件,负责对整个计算机进行控制、包括从存储器中取指令,分析指令(即指令译码)确定指令操作和操作数地址,取操作数,执行指令规定的操作,送运算结果到存储器或I/O端口等。它还向微机的其它各部件发出相应的控制信号,使CPU内、外各部件间协调工作。

内部总线用来连接微处理器的各功能部件并传送微处理器内部的数据和控制信号。

必须指出,微处理器本身并不能单独构成一个独立的工作系统,也不能独立地执行程序,必须配上存储器、输入输出设备构成一个完整的微型计算机后才能独立工作。

2.存储器微型计算机的存储器用来存放当前正在使用的或经常使用的程序和数据。存储器按读、写方式分为随机存储器RAM(Random Access Memory)和只读存储器ROM(Read only Memory)。RAM也称为读/写存储器,工作过程中CPU可根据需要随时对其内容进行读或写操作。RAM是易失性存储器,即其内容在断电后会全部丢失,因而只能存放暂时性的程序和数据。ROM的内容只能读出不能写入,断电后其所存信息仍保留不变,是非易失性存储器。所以ROM常用来存放永久件的程序和数据。如初始导引程序、监控程序、操作系统中的基本输入、输出管理程序BIOS等。

3.输入/输出接口电路(I/O接口)

输入/输出接口电路是微型计算机的重要组成部件。他是微型计算机连接外部输入、输出设备及各种控制对象并与外界进行信息交换的逻辑控制电路。由于外设的结构、工作速度、信号形式和数据格式等各不相同,因此它们不能直接挂接到系统总线上,必须用输入/输出接口电路来做中间转换,才能实现与CPU间的信息交换。I/O接口也称I/O适配器,不同的外设必须配备不同的I/O适配器。I/O接口电路是微机应用系统必不可少的重要组成部分。任何一个微机应用系统的研制和设计,实际上主要是I/O接口的研制和设计。因此I/O接口技术是本课程讨论的重要内容之一,我们将在第八章中详细介绍。

4.总线(BUS)

总线是计算机系统中各部件之间传送信息的公共通道,是微型计算机的重要组成部件。它由若干条通信线和起驱动,隔离作用的各种三态门器件组成。微型计算机在结构形式上总是采用总线结构,即构成微机的各功能部件(微处理器、存储器、I/O接口电路等)之间通过总线相连接,这是微型计算机系统结构上的独特之处。采用总线结构之后,使系统中各功能部件间的相互关系转变为各部件面向总线的单一关系,一个部件(功能板/卡)只要符合总线标准,就可以连接到采用这种总线标准的系统中,从而使系统功能扩充或更新容易、结构简单、可靠性大大提高。在微型计算机中,根据他们所处位置和应用场合,总线可被分为以下四级,如图1.4所示。

(1)片内总线:它位于微处理器芯片内部,故称为芯片内部总线。用于微处理器内部ALU和各种寄存器等部件间的互连及信息传送(如图1.3中的内部总线就是片内总线)。由于受芯片面积及对外引脚数的限制,片内总线大多采用单总线结构,这有利于芯片集成度和成品率的提高,如果要求加快内部数据传送速度,也可采用双总线或三总线结构。

(2)片总线:片总线又称元件级(芯片级)总线或局部总线。微机主板、单扳机以及其它一些插件板、卡(如各种I/O接口板/卡),它们本身就是一个完整的子系统,板/卡上包含有CPU,RAM,ROM,I/O接口等各种芯片,这些芯片间也是通过总线来连接的,因为这有利于简化结构,减少连线,提高可靠性,方便信息的传送与控制。通常把各种板、卡上实现芯片间相互连接的总线称为片总线或元件级总线。

相对于一台完整的微型计算机来说,各种板/卡只是一个子系统,是一个局部,故又把片总线称为局部总线,而把用于连接微机各功能部件插卡的总线称为系统总线。局部总线是一个重要的概念,我们将在第七章中讨论。

(3)内总线:内总线又称系统总线或板级总线。因为该总线是用来连接微机各功能部件而构成一个完整微机系统的,如图1.2中所示,所以称之为系统总线。系统总线是微机系统中最重要的总线,人们平常所说的微机总线就是指系统总线,如PC总线、AT总线(ISA总线)、PCI总线等。系统总线是我们要讨论的重点内容之一。

系统总线上传送的信息包括数据信息、地址信息、控制信息,因此,系统总线包含有三种不同功能的总线,即数据总线DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus)和控制总线CB(Control Bus),如图1.2中所示。

数据总线DB用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线,即他既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其它部件,也可以将其它部件的数据传送到CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标,通常与微处理的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位,其数据总线宽度也是16位。需要指出的是,数据的含义是广义的,它可以是真正的数据,也可以指令代码或状态信息,有时甚至是一个控制信息,因此,在实际工作中,数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。

地址总线AB是专门用来传送地址的,由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口,所以地址总线总是单向三态的,这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小,比如8位微机的地址总线为16位,则其最大可寻址空间为216=64KB,16位微型机的地址总线为20位,其可寻址空间为220=1MB。一般来说,若地址总线为n位,则可寻址空间为2n字节。

控制总线CB用来传送控制信号和时序信号。控制信号中,有的是微处理器送往存储器和I/O接口电路的,如读/写信号,片选信号、中断响应信号等;也有是其它部件反馈给CPU的,比如:中断申请信号、复位信号、总线请求信号、限备就绪信号等。因此,控制总线的传送方向由具体控制信号而定,一般是双向的,控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。

(4)外总线:也称通信总线。用于两个系统之间的连接与通信,如两台微机系统之间、微机系统与其他电子仪器或电子设备之间的通信。常用的通信总线有IEEE-488总线,VXI总线和RS-232串行总线等。外总线不是微机系统本身固有的,只有微型机应用系统中才有。

5.总线标准随着微型计算机的广泛应用,不同用户对微机系统功能的要求各不相同。计算机厂商为了满足用户的需要,除以整机形式向用户出售微型计算机系统外,更多的则是以芯片组装成的各种插件板/卡形式(即微机零部件)出售,用户可以根据自己的具体需要购买相应的计算机零部件组装成满足自己需要的微机系统。这就要求各厂家生产的芯片和插件板/卡能相互兼容,而要互相兼容,必然要求插件板/卡的几何尺寸相同,引线信号的定义、数目和时序相同,这就要求微机系统总线采用统一的标准,以便各计算机零部件生产厂商生产面向总线标推的计算机零部件。所谓总线标准就是对系统总线的插座尺寸、引线数目、信号和时序所作的统一规定。他具有高度的科学性和权威性。在采用标准总线的系统中,底板上各插座的对应引脚都是并联在一起的,不同的插件板/卡只要满足该总线标准,就可以任意插在插座上,为用户对系统功能的扩充或升级提供方便。如在8086系统微机系统中,采用的标准总线有PC总线、ISA总线(即AT总线)、EISA总线、VESA总线等。有关总线及总线标准的详细内容将在第七章中介绍。

1.4.2微型计算机系统组成以微型计算机为主体,再配上系统软件和各种输入、输出设备就构成完整的微型计算机系统。如图1.5所示。



输入设备和输出设备统称为外部设备,简称外设。常用的输入设备有键盘、鼠标、光笔等,输出设备有CRT显示器、打印机、绘图仪等。系统软件包括操作系统、监控程序、各种语言处理程序(如汇编程序、编译程序、解释程序等)、机器调试程序和故障诊断程序等。微型计算机只有配上高效的系统软件和丰富的应用软件后,才能将计算机的优良性能充分发挥出来,才能为用户的实际工作提供最大的方便。

由上可知,微处理器、微型计算机和微型计算机系统是三个不同的层次,三者含义不同,但它们相互间却又有着密切的依存关系, 三者上述关系也可用软件、硬件及用户的层次结构观点来表达。 (责任编辑:laiquliu)

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