微型计算机硬件系统

2.2 微型计算机硬件系统

本书以国内外常见的 PC机为例来介绍微型计算机系统的硬件。PC是 Personal Computer的缩写，其意是个人计算机。

微型计算机目前多采用总线结构，其结构图如图2.2所示。由图2.2看出，中央处理器是微型计算机系统的重要组成部分，目前微型计算机普遍使用的外存储器有硬盘、固太硬盘、光盘和优盘。基本输入设备是键盘和鼠标，基本输出设备是显示器、音箱和打印机。此外，用户可以根据需要，通过外设接口与各种外设连接，还可以通过通信接口连接通信线路，进行信息的传输。

由图2.2看出，在机器内部，各部件通过总线连接，对于外部设备，通过总线连接相应的接口电路，

图2.2微型计算机体系结构示意图

2.2.1 中央处理器(CPU)

中央处理器又称为中央处理单元，是计算机的核心，主要由运算器(Arithmetic unit)和控制器(control Unit)组成。或者说由算术逻辑部件(ALU)、累加器和通用寄存器组，程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)和译码器、时序和控制部件等组成。运算器的功能是执行算术运算与逻辑运算，如取数、送数、相加、移位等，运算器按控制器发出的命令来完成各种操作。控制器是规定计算机执行指令的顺序，并根据指令的信息控制计算机各部分协同动作。控制器指挥机器各部分工作，完成计算机的各种操作。控制器是按指令的要求来指挥的，但指令是由人输入的，可见计算机是由人来指挥工作的。

现在许多微型计算机使用CPU芯片，这种芯片是将运算器及控制器等集成在一个半导体片内，CPU采用极大规模集成电路芯片制成，又称为微处理器。

随着计算机技术的进步。微处理器的水平持续飞速提高．最具有代表性的产品是美国INTEL公司的微处理器系列，先后有4004、4040、8008、8080、8085、8088、8086、80286、80386、80486、Pentium(奔腾，俗称586)、Pentium Pro(高能奔腾，俗称686)、PentiumⅡ、PentiumⅢ、PentiumⅣ、i3、i5和i7、i3和i5二代、i7六代等，功能越来越强工作速度越来越高，内部结构也越来越复杂。从每秒完成几十万次基本运算发展到数十亿次，每个微处理器中包含的半导体元件从2千多个发展到十亿个，如四核的Core i7是拥有7.31亿个晶体管。

目前世界上生产PC机CPU的厂商主要有Intel、AMD。Intel公司是最大的CPU制造商，它拥有强大的技术实力，该公司还生产主板芯片组以及网卡等产品。目前市场上流行的主要是i7、i5、i3 级芯片。

由于微机的核心部件是CPU，人们习惯用CPU档次来概略表示微机的规格。微机的性能与CPU的档次确实有密切的关系。CPU的性能主要由以下因素决定：内核数量、主频、字长、Cache容量等。

CPU主要性能指标介绍如下：

1. 核心数量

传统的CPU采用单核，随技术的发展，目前PC机CPU主流配置为四至八核。

2.工作频率

CPU的工作频率也称CPU的主频，它决定CPU内部数据传输和指令执行的每一步的频率，单位MIPS。

时钟频率分为内部时钟频率和外部时钟频率(总线时钟频率)两种。内部时钟频率表示CPU内部的数据传输速度，外部时钟频率则表示CPU与外部数据的传输速度。早期CPU的内部时钟频率与外部时钟频率一致，后来出现了倍频技术，使得CPU的内部时钟频率和外部时钟频率可以不一致。例如，如果外部时钟频率为200MHz，采用14倍频技术，则内部时钟频率将达到2.8GHz。

3. 字长

CPU在单位时间内（同一时间）能一次处理的二进制数的位数叫字长。能处理字长为8位数据的CPU 字长8位。目前，主流微机CPU字长为64位，CPU一次可以处理8个字节。

4. Cache容量

Cache也称高速缓存，简称快存。Cache容量越大，访问cache的命中率越高，计算机运行的速度就越快。Cache容量的大小对前端总线频率较低的微机性能影响更为突出。

5.前端总线频率

CPU通过前端总线（FSB）连接到北桥芯片，进而通过北桥芯片和内存、显卡交换数据。目前高端微机前端总线频率高达2400MHz。

2.2.2 存储器的功能和分类

存储器分为主存储器和辅助存储器两种。主存储器也称为内存储器(简称内存)，辅助存储器也称为外存储器（简称外存）。

1.内存(Main Memory)

微型机的内存用来存放正在运行的程序、待处理数据，也可以存放运算完的结果。目前，内存储器是指计算机系统中存放数据与指令的半导体存储单元，包括RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)、ROM(Read Only Memory，只读存储器)。由于RAM是主要内存，整个计算机系统的内存容量主要由它的容量决定，所以人们习惯将RAM称为内存。ROM是一种只能读出不能写入的内存储器，其信息通常是在脱机情况或者非正常情况下写入的。ROM的最大特点是在关掉电源时其内的信息也不会消失，因此常用ROM来存放固定的程序和数据，如自检程序等，只要一接通电源，程序就可运行。

(1) 随机存取存储器（RAM）

内存（RAM）由内存芯片、电路板、金手指等部分组成的，它是主机的组成部分，为了加快系统的速度，提高系统的整体性能，计算机中配置的内存数量越来越大，目前微机较常见的内存配置为4GB、8GB 、16GB。将信息存入存储器称为写操作，将信息从存储器中取出称为读操作，计算机运行过程中CPU频繁地对内存实施读写操作。运行的计算机中内存存有大量的程序和数据，关机后这些信息将自动消失。

根据其制造原理不同，分双极型(TTL)和单极型(MOS)两种。微机使用的主要是单极型的MOS存储器，它又分静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)和视频RAM（VRAM）三种。

①静态RAM(SRAM)

SRAM(Static RAM)的一个存储单元的基本结构是一个双稳态电路。由于读、写的转换由写电路控制，所以只要写电路不动作，电路有电，开关就保持现状，不需要刷新，所以称为静态RAM。由于这里的开关实际上是由晶体管代替，而强烈的交叉正反馈使晶体管的转换时间一般都小于20ns，所以SRAM的读写速度很快，一般比DRAM快出二三倍：电脑的外部高速缓存(External Cache)就是SRAM。但是，这种开关电路需要的元件较多，在实际生产时一个存储单元需要由4个晶体管和2个电阻组成，这样就增加了生产成本。

②动态RAM(DRAM)

DRAM(Dynamic RAM)就是通常所说的内存，它是针对静态SRAM来说的。

SRAM中存储的数据，只要不断电就不会丢失，也不需要进行刷新；而DRAM中的数据是需要不断地进行刷新的。因为一个DRAM单元由一个晶体管和一个小电容组成，晶体管通过小电容的电压来保持断开、接通的状态，当小电容有电时，晶体管接通(表示1)；当小电容没电时，晶体管断开(表示0)。但是充电后的小电容上的电荷很快就会丢失，所以需要不断地进行“刷新”。所谓刷新，就是给DRAM的存储单元充