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计算机组成原理——主板篇 0

2008年11月22日 05:24 in 计算机原理 tags:

　　微机(Micro Computer)是电子计算机中的一个分类，其他的还有巨型机、大型机、中型机和小型机。不同类型的电子计算机之间的差别主要在体积与运算速度和存储容量上划分。

　　微机系统由硬件系统和软件系统组成，硬件(Hardware)系统主要有主机、存储设备、多媒体设备、网络设备、输入输出设备组成，软件(Software)系统主要由系统软件与应用软件组成。

　　微机的一个显著的特点在于它的CPU的功能都由一块高度集成的超大规模集成电路芯片完成，本篇学习笔记要介绍的就是最重要的一块电路板——主板。

　　主板是微机系统中最大的一块电路板，又叫主机板(Main Board)、系统板(System Board)或母板(Mother Board)，几乎所有的部件都连接到主板上，通过主板把CPU等各种部件和外部设备有机地结合起来组成一台完整的微型计算机系统。

　　CPU是与主板配套最紧密的部件，每出现一种新型的CPU，都会推出与之配套的主板控制芯片组。主板主要以支持CPU的类型、结构、逻辑控制芯片、集成度、生产厂商进行分类。

　　主板的组成结构:

PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)基板：
由几层树脂材料粘合在一起，每一层PCB上都密布着信号线，普通的PCB有4层，最上和最下的两层是信号层，中间两层是接地层和电源层。
CPU插座：
目前常见的CPU插座有两种，一种是采用ZIF标准的CPU针脚插座，另一种是采用Socket T标准的LGA775插座。
主板芯片组(Chipset)：
芯片组是主板的核心部件，起着协调和控制数据在CPU、内存和各部件之间传输的作用。一块主板的功能、性能和技术特性都由主板芯片组的特性决定，芯片组总是与某种类型的CPU配套。
芯片组有单片、两片或多片结构。目前面向普通PC用户的芯片组通常由两片组成，分别为南桥和北桥。
靠近CPU的为北桥，北桥芯片主要负责CPU与内存之间的数据交换，它还承担着AGP总线或PCI-E x16的控制、管理和传输工作。总的来说，北桥芯片主要承担高速数据传输设备的连接。
靠近PCI槽的为南桥，南桥芯片负责低速设备之间的连接，如PCI、PCI-E x1、USB、LAN、SATA、RAID、键盘控制器等。南桥芯片本身无法独立实现如此多的功能，它需要和其他功能芯片协作，从而使各种低速设备正常运转。
南桥与北桥两片芯片之间的数据传递由专用总线完成。北桥芯片决定了芯片组的档次和性能。
扩展插槽(Slot)：
扩展插槽是主板上用于固定扩展卡并将其连接到系统总线上的插槽，也叫扩展槽、I/O插槽，主板上一般有1~8个扩展槽。通过插入扩展卡可以添加或增强系统的特性及功能。
扩展槽按其发展历史和连接的总线类型分为许多种。总线是构成计算机系统的桥梁，是各个部件之间进行数据传输的公共通道。作为PC内部必不可少的I/O总线，经历了从最初的8位PC/XT、16位的ISA、32位的EISA和VL到PCI、PCI Express总线几个发展阶段。
内存插槽：
内存插槽的作用就是安装内存。
BIOS单元：
BIOS(Basic Input Output System)的全称是ROM BIOS，即只读存储器基本输入输出系统。BIOS程序是微机中最基础、最重要的程序，它为计算机提供最底层、最直接的硬件控制。这段程序保存在主板上的一个只读存储器(ROM)芯片中。
BIOS程序包括：基本输入输出程序、系统设置程序、开机上电自检程序和系统启动自举程序。BIOS程序是连接软件程序与硬件设备的接口程序，负责解决硬件的即时要求，并按软件对硬件的操作要求具体执行。简单的说，BIOS是连接计算机硬件与操作系统的桥梁。
用户在BIOS中设置的各项参数保存在南桥芯片中的RAM单元中。
电源插座：
主板、键盘和所有接口卡都通过电源插座供电。
电源供电单元：
主板的供电系统是指为CPU、内存和显卡供电的单元，其作用是对电源输送过来的电流进行电压的转换，将电压转换至CPU所能接受的电压值，保证CPU在高频、大电流工作状态下稳定运行。
硬盘、光驱接口：
IDE接口插槽：IDE接口为40针双排针插座，第一个IDE接口标注为IDE1或Primary IDE，第二个IDE接口标注为IDE2或Secondary IDE，最多可以连接4个IDE设备。
Serial ATA接口插座：Serial ATA仅用4根针脚就能完成所有的工作，分别用于连接电源线、连接地线、发送收据和接受数据。SATA接口差错带有防插错设计，SATA接口的设备与IDE的不同，没有主从之分。
声卡控制芯片：
板载声卡已经成为主板的标准配置，几乎所有的主板都己成了符合AC'97 Rev 2.3规范的音频编解码芯片Codec。大部分声卡都为6或8声道解码，支持5.1或7.1声道的环绕立体音频输出和立体声的输入。
网卡控制芯片：
随着网络的普及，许多主板上都集成了具备网卡功能的芯片，同时在后测的I/O面板中也有一个RJ-45网卡接口。
时钟发生器：
自从IBM发布第一台PC以来，主板上就开始使用一个频率为14.318MHz的石英晶体振荡器(简称晶振)来产生基准频率。用晶振与时钟发生器芯片 (PPL-IC)组合，构成系统时钟发生器。晶振负责产生非常稳定的脉冲信号，而后经时钟发生器整形和分频，把多种时钟信号分别传输给每个设备，使得每个芯片都能够正常工作，例如CPU的外频、内存总线频率、PCI总线频率等。现在很多主板都具有线性超频的功能，它就是由时钟芯片提供的。
时钟芯片位于AGP槽附近，因为时钟给CPU、北桥、内存等设备的时钟信号线要等长。
I/O及硬件监控芯片：
I/O芯片的功能主要是提供一系列输入输出的接口，如鼠标、键盘、COM口、USB口等，它们都是统一由I/O芯片控制。部分I/O芯片还能提供系统监控、检测功能，可以用来监控受监控对象的温度、转速、电压等。对于温度的监控要与温度传感元件配合使用，对风扇电动机转速的监控则需与CPU或显卡的散热风扇配合使用。主板上的I/O芯片又称Super I/O芯片。
跳线、DIP开关、插针：
跳线(Jumper)主要用来设定硬件的工作状态，例如CPU的电压、外频和倍频，主板的资源分配，以及启用或关闭某些主板功能等。跳线实际上就是一个短路小开关，它由两个部分组成：一部分固定在电路板上，由两根或两根以上金属跳针组成，另一部分是“跳线帽”，这是一个可以活动的部件，外层是绝缘塑料，内层是导电材料，可以插在跳线针上面，将两根跳线针连接起来。跳线帽扣在两根跳线针上时是接通状态，有电流通过，称为ON，反之称为OFF。
DIP开关与普通跳线一样，只是将跳线做成了开关，这样可以更为直观和容易地设置硬件的工作状态。跳线赋予了主板更为灵活的设置方式，但是随着大量硬件参数逐渐在BIOS中设置，主板中的跳线已经越来越少了。
外部接口(I/O接口背板)：
随着主板技术的增加，主板上集成的接口越来越多。主流的外部接口有键盘鼠标PS/2接口、串口、并口、USB接口、IEEE 1394接口、RJ-45接口、声卡接口、VGA接口、S端子、E-SATA接口等。

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Wed Oct 22 20:13:05 CST 2008

计算机组成原理——CPU篇 0

2008年11月22日 05:12 in 计算机原理 tags:

　　近期会连续把目前在看的一本计算机原理的书上所摘录的笔记按照章节分篇发上来与大家共享，笔记会感觉有些凌乱，不过都是很重要的概念性质的东西。笔记会不断的更新，因为书上的东西不一定就是对的，有任何错误或曲解请各位朋友立即指出。

　　废话不多说，CPU打头炮。

　　中央处理器CPU(Central Processing Unit)是现代计算机的核心部件，又称为微处理器(Microprocessor)。CPU的各项指标都是用来衡量一台计算机性能好坏的分水岭。CPU可以按照品牌、接口、型号或标称频率、核心代号、处理器位数、核心数量等进行分类。

　　摩尔定律：集成在单位面积上的晶体管数量每18个月翻一番。

　　CPU发展简史：4位处理器(Intel 4004) -> 8位处理器(Intel 8008/8080/8085) -> 16位处理器(Intel 8086/8088/80286) -> 32位处理器(Intel 80386/80486) -> 64位处理器(AMD Athlon 64) -> 多核处理器(Intel Pentium D/AMD Athlon 64 X2)，括好内的处理器系列或产品为代表作。

　　CPU的基本工作原理：CPU由运算器和控制器组成，其内部结构分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，这三个部分互相协调便可以进行分析、判断、运算，并控制计算机各部件进行工作。CPU中的运算器主要完成各种算术运算(加、减、乘、除、取模等)和逻辑运算，而控制器负责读取、解析与执行各种指令。 CPU中还会有若干个寄存器(Register)，它们可以用来直接参与运算并存放运算的中间结果。

　　CPU的外部结构主要由核心与基板组成。CPU的核心工作强度和散热量都很大，而且很脆弱，所以为了核心的安全及其散热，现在的CPU核心都加装了一个金属盖。CPU基板就是承载CPU核心用的电路板，负责核心芯片和外界的数据传输，在基板的背面或者下沿有针脚或者卡式借口，它们是CPU与外部电路连接的通道，同时也起着固定CPU的作用。

　　CPU的主要参数会标准在CPU的编码上，现在说一下CPU的各主要参数的概念：

　　型号：CPU厂商会给属于同一个系列的CPU产品一个系列型号，型号是区分CPU性能的一个重要标识。

　　核心类型：核心又称为内核，是CPU最重要的一部分，CPU中心那块隆起的芯片就是核心，由单晶硅以一定的生产工艺制造而成。为了便于CPU的设计、生产、销售以及管理，CPU制造商会针对各类CPU核心给出相应的代号，这就是核心类型。每一种核型类型都有其相应的制造工艺、核心面积、核心电压、电流大小、晶体管数量、各级缓存大小、主频范围、流水线架构和支持的指令集、功耗、发热量大小、封装方式、接口类型、前端总线频率等。

　　主频：在电子技术中，脉冲信号是一个按一定电压幅度，一定时间间隔连续发出的脉冲信号。脉冲信号之间的时间间隔称为周期，将在单位时间内所产生的脉冲个数称为频率。频率是描述周期性循环信号在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称。计算机中的系统时钟就是一个典型的频率相当精确和稳定的脉冲信号发生器。频率的基本单位是赫(Hz)。

　　CPU的主频也叫CPU核心工作的时钟频率(CPU Clock Speed)，单位是MHz,GHz。CPU主频表示的是在CPU内数字脉冲信号振荡的频率，并不是其运算速度，所以主频与实际的运算能力并没有直接关系。主频与直接运算速度有一定的关系，但并没有直接的计算公式，因为影响运算速度的还有CPU流水线方面的性能数据。

　　外频：CPU 的外频通常为系统总线的工作频率(系统时钟频率)，单位是MHz，是由主板提供的系统总线的基准工作频率，是CPU与主板之间同步运行的时钟频率。实际运行过程中的主板系统总线频率、内存数据总线频率不但由CPU的频率决定，还受到主板和内存频率的限制。由于主板和内存的频率大大低于CPU的主频，因此为了能够与主板、内存的频率保持一致，就要降低CPU的频率，即无论CPU内部的主频有多高，数据一出CPU，都将降到与主板系统总线、内存数据总线相同的频率。

　　倍频：CPU的倍频全称倍频系数。由于CPU主频不断提高，提高到其他设备无法承受的速度，因此出现了分频技术。分频技术就是通过主板的北桥芯片将CPU主频降低，使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来提升。倍频是CPU的运行频率与系统外频之间的倍数，也就是降低CPU主频的倍数。理论上倍频从1.5到无限，倍频是以0.5为一个间隔单位。倍频具有一下关系公式：CPU的主频=外频x倍频系数。

　　在相同的外频下，倍频越高，CPU的主频也就越高。但实际上，在相同外频的前提下，高倍频的CPU意义并不大，因为CPU与系统之间数据传输的速度是有限的，于是就会造成CPU从系统中得到的数据的极限速度不能够满足CPU运算的速度。所谓“超频”就是通过提升外频或倍频系数来提高CPU实际运行频率。

　　前端总线(Front Side Bus,FSB)：总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说就是多个部件间的公共连线，用于各部件之间的信息传输。总线的种类有很多，前端总线是CPU与主板北桥芯片之间连接的通道，也称CPU总线。前端总线是PC系统中工作频率最快的总线，也是芯片组与主板的核心，主要由CPU用来与高速缓存、主存和北桥之间传送信息。所以，前端总线频率(FSB Clock)越大，代表着CPU与内存之间的数据传输量越大，CPU的工作效率越高。通常以MHz为单位来描述前端总线频率。在有些CPU中取消了前端总线，直接将内存控制器集成到了CPU内部，然后使用超线程(HyperTransport)技术来完成CPU与主板北桥芯片组之间的连接。

　　需要注意的是，外频与前端总线频率是不同的，前端总线的速度指的是CPU和北桥芯片间总线传输速度，更实质性地表示了CPU与外界数据传输的速度。而外频是CPU与主板之间同步运行的速度，主要是对PCI及其他总线的影响。

　　高速缓冲存储器(Cache)：高速缓冲存储器简称高速缓存，它是一种速度比内存更快的存储器，其功能是减少CPU因等待内存所导致的延迟，以增强系统的数据处理性能。Cache在 CPU和内存之间起缓冲作用，可以减少等待数据传输时间。CPU在访问内存中的数据之前会先访问Cache，如果Cache中有CPU所需的数据，CPU 则不需要等待内存数据，直接从Cache中读取。因此，Cache技术直接关系到CPU的整体性能。然而，Cache并不是越大越好，还要视其内部的算法而定。Cache由静态RAM组成，结构较复杂。

　　高速缓存一般分为一级缓存(L1 Cache)、二级缓存(L2 Cache)及三级缓存(L3 Cache)。一级缓存建立在CPU内部，与CPU同步工作，CPU工作时首先调用其中的数据。由于CPU核心面积不能太大，所以一级缓存的容量通常并不大，介于32~256KB之间。二级缓存是CPU的第二层高速缓存，分为内部和外部两种。内部二级缓存的运行速度与主频相同，而外部二级缓存的速度则为主频的一半。二级缓存的容量通常为512KB~6MB，其级别低于一级缓存，CPU在调用数据时会首先访问一级缓存，然后是二级缓存。为了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，有些CPU内部集成了三级缓存。缓存的工作原理是：二级缓存作为一级缓存的备用空间，一级缓存存储着CPU当前使用频率最高的数据，而当空间不足时，一些使用频率较低的数据就会转移到二级缓存中去，之后如果有需要，二级缓存中使用频率较高的数据将会被放入一级缓存中，三级缓存的工作原理同样如此。

　　x86指令集：x86 指令集是Intel公司为其第一块16位CPU i8086专门开发的指令集，同时为提高浮点数据处理能力而增加了x87处理器，以后就将x86指令集和x87指令集统称为x86指令集。由于Intel x86系列及其兼容CPU(例如AMD Athlon XP)都使用x86指令集，所以就形成了如今庞大的x86系列及其兼容CPU阵容。

　　CPU扩展指令集：CPU 扩展指令集指的是CPU增加的多媒体或者3D处理指令。这些扩展指令可以提高CPU处理多媒体数据和3D图形的能力，有MMX(MultiMedia Extension，多媒体扩展)、SSE(Streaming SIMD Extension，单一指令多数据流扩展)、SSE2(在SSE的基础上新增了114条指令)、3DNow!、SSE3、SSE4指令集等。

　　位宽：CPU一次能同时处理的二进制数的位数叫做位宽或字节。

　　双核与多核(Dual/Multi Core)：在一块CPU基板上集成两颗或两颗以上处理器核心，并通过并行总线将各处理器核心连接起来的处理器。

　　工作电压：CPU核心正常工作所需的电压，它是根据CPU的制造工艺而定的。提高CPU工作电压可以提高其工作频率，但过高的电压将会使CPU过度发热，甚至烧毁。

　　制造工艺：制造工艺也称为制程宽度或制程，是在制造CPU时核心中最基本的功能单元CMOS电路的宽度，一般用微米或纳米表示。电路连接线宽度值越小，制造工艺就越先进，单位面积内集成的晶体管就越多，CPU可以达到的频率就越高，体积越小。

　　封装技术：封装是指将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷塑料打包的技术。封装不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强散热的作用，封装后的芯片也便于安装和运输。

　　节电技术：INTEL和AMD公司都推出了各自降低CPU功耗的技术，分别是EIST和C&Q技术。

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Sat Oct 18 21:23:46 CST 2008