第2章2.3 主板、內(nèi)存和IO

2.3主板、內(nèi)存和I/O2.3.1

主板、芯片組與BIOS2.3.2內(nèi)存儲器2.3.3

I/O總線和I/O接口臺式PC的物理組成臺式機1音箱5CPU2調(diào)制解調(diào)器6鍵盤3麥克風(fēng)7鼠標(biāo)器4內(nèi)存條8CD驅(qū)動器9軟驅(qū)10硬盤驅(qū)動器11打印機12I/O接口13CRT顯示器14擴展卡主板2.3.1

主板、芯片組與BIOS臺式PC機(立式)的主機箱擴展空間(1)主板主板的作用：安裝所有的電子器件、電路與連接件ROMBIOS：存放最基礎(chǔ)的軟件——基本輸入/輸出系統(tǒng)(BIOS)CMOS存儲器：存放硬件配置信息和系統(tǒng)基本參數(shù)（日期、時間、口令等）內(nèi)存條插座處理器

USB、VGA、HDMI

等I/O接口光驅(qū)及硬盤連接器電源連接器擴充卡插座(PCI)CPU插座芯片組

BIOSCMOS存儲器擴充卡插座(PCI-Ex1)顯示卡插座(PCI-Ex16)例：華碩P8B75-VCorei7/i5/i3獨立顯卡PCI插槽(3個)最大容量32GB(5個)PCI-Ex1插槽(2個)音頻端口PS/2接口(4個)安裝了CPU和內(nèi)存條的主板(2)芯片組的作用芯片組是PC機各組成部分相互連接和通信的樞紐北橋芯片：1.存儲器控制功能；2.連接CPU、存儲器、顯卡、南橋芯片的樞紐南橋芯片：1.多種I/O設(shè)備的控制功能；2.I/O總線(PCI總線)功能；3.提供了各種I/O接口CPU芯片CPU前端總線北橋MCH圖形卡接口雙通道南橋ICH5USB2.0接口(x8)以太網(wǎng)接口PCI插槽(≤6個)ROMBIOS硬盤接口(x2)音頻CodecSuperI/O鍵盤,鼠標(biāo),軟驅(qū),并口,串口等電話ModemDDR2電源管理、時鐘生成DDR2存儲器關(guān)于芯片組的一些說明芯片組與CPU芯片同步發(fā)展，有什么樣功能和速度的CPU，就有什么樣的芯片組與之配套由于集成電路集成度越來越高，為降低系統(tǒng)成本，芯片組中集成了越來越多的功能，包括網(wǎng)卡、顯卡、聲卡等功能由于CPU芯片越來越復(fù)雜，功能越來強大（如Corei3/i5/i7），有些已將北橋芯片的存儲器控制器和圖形控制器功能集成在CPU芯片之中，因此主板上北橋芯片已經(jīng)消失，只需一塊南橋芯片即可。單芯片的芯片組DDR42133內(nèi)存條DDR42133內(nèi)存條10xSATA3.0Intel硬盤陣列技術(shù)IntelME固件與BIOS支持8x1通道PCI-E2.0IntelCorei75960xX99芯片組40GB/s

17GB/s17GB/sDMI2.0Intel高清晰音頻2x16通道PCI-E3.01x8通道PCI-E3.0Intel集成以太網(wǎng)10/100/1000MAC千兆以太網(wǎng)連接支持3個顯示器8xUSB2.06xUSB3.0PCI-Ex1SMbus（獨立顯卡接口）DDR42133內(nèi)存條DDR42133內(nèi)存條17GB/s17GB/s5Gb/s4GB/s6Gb/s(3)BIOS什么是BIOS（BasicInput/OutputSystem）？“基本輸入/輸出系統(tǒng)”，存放在主板上只讀存儲器（ROM）芯片中的一組機器語言程序（固件）功能：診斷計算機故障啟動計算機工作在啟動階段控制基本外設(shè)的輸入輸出操作(鍵盤、鼠標(biāo)、磁盤讀寫、屏幕顯示等)BIOS芯片保存BIOS的只讀存儲器(ROM)芯片BIOS芯片中包含的程序加電自檢程序程序（POST）

(PowerOnSelfTest)用于檢測計算機硬件故障系統(tǒng)自舉程序（Boot）啟動計算機工作，加載并進入操作系統(tǒng)運行狀態(tài)CMOS設(shè)置程序設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：日期、時間、口令、配置參數(shù)等常用外部設(shè)備的驅(qū)動程序（Driver）在計算機啟動階段實現(xiàn)對鍵盤、顯示器、軟驅(qū)和硬盤等常用外部設(shè)備輸入輸出操作的控制2.3.2內(nèi)存儲器復(fù)習(xí)：內(nèi)存與輔存的關(guān)系及比較內(nèi)存儲器(簡稱內(nèi)存或主存)存取速度快，成本高、容量相對較小按字節(jié)編址和存取直接與CPU連接，CPU(指令)可以對內(nèi)存中的指令及數(shù)據(jù)進行讀、寫操作大多屬于易失性存儲器(volatile)，用于臨時存放正在運行的程序和數(shù)據(jù)內(nèi)存儲器輔助存儲器CPU指令1指令2指令k指令n程序數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)①任務(wù)啟動時，執(zhí)行該任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)將從輔存成批傳送到內(nèi)存②CPU從內(nèi)存中逐條讀取該程序的指令及相關(guān)的數(shù)據(jù)④將指令的運算處理結(jié)果送回內(nèi)存保存⑤任務(wù)完成后，將處理得到的全部結(jié)果成批傳送到輔存以長久保存③逐條執(zhí)行指令，按指令要求完成對數(shù)據(jù)的運算和處理輔助存儲器(俗稱外存，簡稱輔存)存取速度慢，成本低、容量很大按數(shù)據(jù)塊編址和存取不與CPU直接連接，計算機運行程序時，外存中的程序及相關(guān)數(shù)據(jù)必須先傳送到內(nèi)存，然后才能被CPU使用。屬于非易失性存儲器(Nonvolatile)，用于長久存放系統(tǒng)中幾乎所有的信息半導(dǎo)體存儲器的分類及應(yīng)用半導(dǎo)體存儲器有多種類型：半導(dǎo)體存儲器非易失性存儲器易失性存儲器(RAM)靜態(tài)隨機存取存儲器SRAM動態(tài)隨機存取存儲器DRAM

EEPROM閃速存儲器（FlashMemory）（用作Cache存儲器）

（用作主存儲器）每個存儲單元(cell)由6個晶體管組成只要加上電，信息就能一直保持對電器干擾相對不很敏感比DRAM更快，也更貴每個存儲單元由1個電容和1個晶體管組成.每10-100ms必須刷新一次對電器干擾比較敏感比SRAM慢，但便宜可用于存儲BIOS等固件用作輔存：U盤、固態(tài)硬盤NOR型NAND型速度較慢、容量不大，價格便宜，在低端產(chǎn)品中用得較多智能手機/平板電腦的輔助存儲器：NAND型閃速存儲器主存儲器(RAM)的功能與原理主存是CPU可直接訪問的存儲器，用于存放供CPU處理的指令和數(shù)據(jù)特點：以字節(jié)為單位進行連續(xù)編址，每個存儲單元為1個字節(jié)（8個二進位）存儲容量：主存儲器中所包含的存儲單元的總數(shù)（單位：MB或GB）存取時間：從CPU送出內(nèi)存單元的地址碼開始，到主存讀出數(shù)據(jù)并送到CPU（或者是把CPU數(shù)據(jù)寫入主存）所需要的時間（單位：ns，1ns=10-9s）····· 0110100110101010存儲內(nèi)容00001000000001000011001001111011111·······存儲單元地址地址碼存儲單元地址寄存器地址譯碼器地址線讀寫控制電路數(shù)據(jù)線控制線讀/寫的數(shù)據(jù)讀/寫控制信號

(64位)(36位)PC機主存儲器的物理結(jié)構(gòu)主存儲器由1～4個內(nèi)存條組成內(nèi)存條的組成：把若干片DRAM芯片焊裝在一小條印制電路板上制成內(nèi)存條必須插在主板上的內(nèi)存條插槽中才能使用目前流行的是DDR3和DDR4內(nèi)存條：均采用雙列直插式，其觸點分布在內(nèi)存條的兩面PC機主板中一般都配備有2個或4個內(nèi)存條插槽

4個內(nèi)存條插槽教學(xué)參考：

DDR內(nèi)存條的類型、速率及相關(guān)參數(shù)時鐘頻率=100MHz總線頻率=200MHz傳輸頻率=400MHz存儲單元陣列x4數(shù)據(jù)總線時鐘頻率=100MHz總線頻率=100MHz傳輸頻率=200MHz存儲單元陣列x2數(shù)據(jù)總線緩沖器緩沖器DDRDDR2存儲器時鐘頻率數(shù)據(jù)總線頻率

100MHz400MHz存儲單元陣列存儲單元陣列存儲單元陣列x8讀/寫緩沖器(預(yù)取8位)數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)800MT/s讀/寫緩沖器(預(yù)取16位)存儲單元陣列存儲單元陣列存儲單元陣列x16存儲單元陣列x16存儲單元陣列x16存儲器時鐘頻率數(shù)據(jù)總線頻率

100MHz800MHz數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)1600MT/sDDR3DDR4存儲器與CPU速度差距愈來愈大DRAM,硬盤與CPU之間的速度差距愈來愈大：問題：由于CPU工作速度很快，內(nèi)存速度比較慢（差1～2個數(shù)量級），從內(nèi)存取數(shù)或向內(nèi)存寫數(shù)時，CPU往往需要等待解決方案——高速緩存(cache)cache是一種小容量高速緩沖存儲器，它由SRAM組成cache直接制作在CPU芯片內(nèi)，速度幾乎與CPU一樣快程序運行時，CPU使用的一部分?jǐn)?shù)據(jù)/指令會預(yù)先成批復(fù)制在cache中，cache的內(nèi)容是主存儲器中部分內(nèi)容的映象當(dāng)CPU需要從內(nèi)存讀(寫)數(shù)據(jù)或指令時，先檢查cache中有沒有，若有，就直接從cache中讀取，而不用訪問主存儲器012345678910111213141589143444101010主存中的部分信息復(fù)制在cache存儲器中cache主存儲器CPUCPU芯片教學(xué)參考：

如何提高cache的命中率？增大cache容量采用多級cache技術(shù)(2級或3級等)cache中采用快速的查找算法，判定是否命中不能命中時，采用有效的算法將讀入的內(nèi)容替換cache中暫時不使用的內(nèi)容編譯器優(yōu)化目標(biāo)程序程序員寫出cache-friendly的程序小結(jié)：計算機存儲器的層次結(jié)構(gòu)cache存儲器主存儲器(RAM和ROM)輔助存儲器（硬盤、光盤、閃速存儲器）后備存儲器（磁帶庫、光盤庫）內(nèi)存儲器輔助存儲器寄存器典型容量<1KB幾個MB幾個GB100GB-1TB10TB-100TB典型存取時間1ns2ns10ns10ms10s分析：速度越快，成本較高。為了獲得好的性能/價格比，計算機中各種存儲器組成一個層狀的塔式結(jié)構(gòu)，取長補短，協(xié)調(diào)工作工作過程：1）CPU運行時，需要的操作數(shù)大部分來自寄存器2）如需要從(向)存儲器中取(存)數(shù)據(jù)時，先訪問cache，如在，取自cache3）如操作數(shù)不在cache，則訪問RAM，如在RAM中，則取自RAM4）如操作數(shù)不在RAM，則訪問硬盤，操作數(shù)從硬盤中讀出→RAM→cache2.3.3

I/O控制與I/O接口輸入的任務(wù)：將輸入設(shè)備輸入的信息送到內(nèi)存儲器的指定區(qū)域輸出的任務(wù)：將內(nèi)存儲器指定區(qū)域的內(nèi)容送出到輸出設(shè)備

（I/O操作也包括輔存與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸）I/O操作的特點：I/O操作與CPU的運算可同時進行多個I/O設(shè)備的操作也可同時進行工作每類I/O設(shè)備都有各自的控制器，它們按照CPU的I/O操作命令，獨立地控制I/O操作的全過程！

I/O操作的任務(wù)與特點關(guān)于計算機中的總線總線的定義：用于在CPU、內(nèi)存、外存和各種輸入輸出設(shè)備之間傳輸信息的一個共享的信息傳輸通路及其控制部件?？偩€的特點：1共享；2高速總線的類型：CPU總線（前端總線FSB）；存儲器總線I/O總線（目前使用的是PCI和PCI-E兩種）總線的帶寬：單位時間內(nèi)可傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量I/O總線：第1代：ISA總線、EISA總線第2代：PCI總線、PCI-X總線第3代：PCI-Express（簡稱PCI-E或PCIe）總線對應(yīng)主板上的兩種擴充插槽：

PCI插槽

PCI-E插槽PCI-E主控制器PCI-E端點PCI-E端點PCI-E端點PCI-E端點橋接器CPU芯片內(nèi)存儲器PCI-Ex16PCI-Ex1

PCI-E總線PCI和PCI-E擴充卡插槽各種I/O插口PCI插槽工作頻率:33MHz，數(shù)據(jù)線:32位傳輸速率:133MB/sPCI-Ex1插槽1個串行傳輸通道；最高傳輸速率:250MB/s顯卡插槽(PCI-Ex16)16個串行傳輸通道；最高傳輸速率:5GB/s教學(xué)參考：

什么是PCI-E？由英特爾提出，原名為“3GIO”，改名為“PCI-Express”（PCI-E或PCIe）。目標(biāo)是全面取代現(xiàn)行的PCI和AGP，實現(xiàn)總線接口的統(tǒng)一采用高速串行傳輸，以點對點的方式與主機進行通信教學(xué)參考：

PCI-E的優(yōu)點傳輸速率高：x1速率可達250MB/s，x16速率可達5GB/s（2.0版速率提高為2倍,3.0版為4倍）適應(yīng)性好：包括x1、x4、x8及x16多個類型臺式PC機箱背部的I/O設(shè)備接口顯示器接口(3種)麥克風(fēng)音箱鍵盤接口HDMI接口USB接口以太網(wǎng)RJ-45接口鼠標(biāo)器接口數(shù)字音頻接口(同軸電纜接口)

數(shù)字音頻接口（光纖接口）

e-SATA接口常用的I/O接口及其性能參數(shù)名稱傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸速率插頭/插座形式連接設(shè)備數(shù)目連接的設(shè)備USB(2.0)串行,雙向60MB/s（高速）矩形4線最多127幾乎所有外圍設(shè)備USB(3.0)串行,雙向400MB/s（超高速）矩形8線最多127幾乎所有外圍設(shè)備USB(3.1)串行,雙向10Gb/s(800MB/s)2x12(正反相同)插頭/插座最多127幾乎所有外圍設(shè)備顯示器接口VGA并行,單向200～500MB/sHDB151顯示器顯示器接口DVI并行,單向3.7/7.6Gbit/s24針插座1顯示器高清晰多媒體接口HDMI并行,單向10.2Gbps19針插座1顯示器、電視機關(guān)于USB接口通用串行總線式接口（UniversalSerialBus）高速、可連接多個設(shè)備、串行傳輸傳輸速率：USB2.0版：最高達480Mb/s（60MB/s）USB3.0版：最高達3.2Gbps（400MB/s）USB2.0使用4線標(biāo)準(zhǔn)連接器，體積小，符合即插即用規(guī)范（Plug&Play,即PnP）使用“USB集線器”擴展機器的USB接口，最多連接127個設(shè)備可通過USB接口由主機向外設(shè)提供電源(＋5V，100～500mA)

USB標(biāo)識USB3.0USB接口的3種類型標(biāo)準(zhǔn)USB接口(A型),通常在PC上出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)USB接口(B型),通常在USB設(shè)備上出現(xiàn)黑地GND4綠數(shù)據(jù)＋＋DATA3白數(shù)據(jù)－－DATA2紅電源VCC1導(dǎo)線顏色名稱信號引腳Mini-USB,數(shù)碼相機、移動硬盤等設(shè)備經(jīng)常使用Micro-USB,智能手機、平板電腦、數(shù)碼相機等使用USB接口及常用的連接器新型連接器“Type-C”（也稱為USB-C），外形比2.0微型B連接器略大，正反兩面各有12個觸點，不再需要區(qū)分插頭和插座的方向，正反均可插入，為用戶提供了方便。更為重要的是，它有多種工作模式，不僅支持USB3.1版，而且支持3.0/2.0/1.1等各種版本，不僅用于主設(shè)備，也可用于從設(shè)備；它還支持高品質(zhì)的音視頻信號輸出功能，有望取代HDMI接口。USB2.0OTG接口功能：擴展傳統(tǒng)USB2.0的功能，使得智能手機/平板電腦既可作為“從”設(shè)備（外圍設(shè)備）連接到PC（“主控設(shè)備”），又可作為“主控設(shè)備”，去連接U盤、打印機、鍵盤等“從”設(shè)備U盤OTG數(shù)據(jù)線小結(jié)：

I/O總線,I/O控制器,I/O接口與I/O設(shè)備的關(guān)系yALU寄存器組CPU總線接口R6CPU(前端)總線I/O總線主板擴展槽PCI接口南橋芯片I/O總線磁盤控制器以太網(wǎng)卡USB控制器和接口鼠標(biāo)器鍵盤網(wǎng)線disk聲卡視頻卡光驅(qū)主存儲器0A北橋芯片y存儲器總線顯卡Corei7/i5/i3CPU芯片附錄SRAM的存儲單元6管靜態(tài)NMOS存儲單元讀出時：

-置2個位線為高電平

-

置字線為1-根據(jù)存儲單元的狀態(tài)改變位線的輸出電平寫入時：

-位線上是被寫入的二進位信息0或1-置字線為1-存儲單元(觸發(fā)器)按位線的狀態(tài)設(shè)置成0或1信息存儲原理：看作帶時鐘的RS觸發(fā)器存儲單元字線位線D位線DDRAM的存儲單元單管動態(tài)MOS存儲單元讀出時：字線位線V~Cnode/CBL寫入時：字線位線V電容Cnode信息存儲原理電容Cnode處于充電狀態(tài)時，表示1；電容Cnode處于放