高等教育计算机组成与结构.pptx

单击此处编辑母版标题样式,#,1,第,9,章 计算机系统结构,9.1,计算机系统概述,9.2,微机系统、工作站和服务器,9.3,多媒体计算机,9.4,超级标量处理器、超级流水线处理器和超长指令字处理器,9.5,向量计算机、阵列处理器和多处理器系统,9.6,计算机网络,9.7,计算机硬件设计和实现简述,2,9.1,计算机系统概述,(,一,).,计算机系统的分类,(P361),随着计算机系统结构的发展，出现了各种复杂程度不同，运算速度、处理能力各异的计算机系统，同时也出现了对计算机系统进行分类的各种方法。目前常用的是,1966,年弗林根据指令流和数据流数量进行分类的方法。其中指令流是机器执行的指令序列，数据流是由指令流调用的数据序列。可将计算机系统分成下列四类。,3,1.,单指令流单数据流,(SISD),计算机系统,通常由一个处理器和一个存储器组成。典型的,SISD,计算机每次执行一条指令，每次从存储器取,(,或存,),一个数据，为了提高运算速度，有些,SISD,计算机设置了指令流水线和运算操作流水线，有些还设置了多个功能部件和多体交叉存储器。,4,2.,单指令流多数据流,(SIMD),计算机系统,通常由一个指令控制部件、多个处理器和多个存储器组成。各处理器和各存储器之间通过互联网络进行通信。在程序运行时由指令控制部件向各个处理器“播送”同一条指令，所有“活动的”处理器在同一时刻执行同样的指令，这就是单指令流,(,各处理器可由程序分别设置成“活动的”或“不活动的”，“不活动的”处理器不执行指令规定的操作,),；各“活动的”处理器执行指令时所需的数据是从它本身专用的存储器中取的，所以各处理器所处理的数据是各不相同的，这就是多数据流。为各个处理器所专用的存储器又叫局部存储器。,5,3.,多指令流单数据流,(MISD),计算机系统,MISD,计算机系统在同一时刻执行多条指令，但处理同一个数据。大多数人认为能列在这一系统中的计算机很少或根本不存在。,4.,多指令流多数据流,(MIMD),计算机系统,典型的,MIMD,计算机系统由多台处理器,(,包括指令控制部件和处理器,),和多个存储器组成，并有一个互联网络实现各处理器和各存储器之间的通信。每台处理器执行各自的指令，存取各自的数据,(,各不相同,),。,6,（二）提高计算机系统运算速度的方法,提高计算机系统的运算速度的方法可归纳为两种：,(1),改进器件工艺，减少芯片线宽，提高集成度与工作频率。,(2),改进计算机系统结构，并使各部件之间的速度匹配。,针对单机系统已介绍过改进系统结构的方法有：,(1),采用多个通用寄存器来暂存运算的中间结果，以减少访问存储器次数。,7,(2),采用多体交叉存储器和,cache,，以协调,CPU,和存储器之间的速度匹配。,(3)CPU,和输入输出设备并行工作，以减少,CPU,等待和空闲时间4),操作重叠的流水线工作方式。,这些方法开始都用在大型计算机上，现已推广到中、小型机甚至微机上。,在本章中，我们将介绍多种计算机系统，其发展的最终目的是增强计算机处理能力和提高运算速度。,8,（三）开放系统,1.,专有系统与开放系统,(1),专有系统。硬件和软件都由一家公司提供，并不向外提供技术，从历史上看，一些有名的大计算机公司，如,IBM,、,DEC,都是靠独家专利的计算机发迹的。,(2),开放系统。硬件和软件可由多家公司提供，计算机系统的所有部分，如计算机体系结构、系统总线、操作系统、窗口系统、数据库、图形用户接口、计算机网络和通信服务等都是开放的，符合与制造商无关的国际标准。这样厂商之间很容易进行分工，用户可以选用市场上最好的、适合应用的软件、硬件组成计算机系统或信息系统。,9,2.,开放系统的特点,(1),遵循标准接口，使得计算机系统之间有“可移植性”和“互操作性”。可移植性是指将操作系统或应用软件放在不同厂家的各种不同型号的计算机上使用。互操作性是指不同厂家在不同平台上开发的多种应用软件具有共享数据和协同工作的能力。,(2),开放系统可由制造商、增值转销商或最终用户从不同公司购买设备进行扩充或升级，并能保护他们在软件上的投资,(,即原有软件仍能运行,),。,10,(3),有大量第三方软件公司或用户的软件产品可在开放系统上运行。,(4),开放接口应有一个公开的技术规格说明，即标准，有国际标准、国家标准及事实上的标准,(,工业标准,),，前面二种标准应经相应的标准化组织通过，而工业标准是由于产品的巨大销量而成为实际的标准。,11,（四）计算机系统的性能评测,1.,评测性能的几种方法,计算机的时钟频率在一定程度上反映了机器速度，一般来讲，主频越高，速度越快，但是相同频率，不同体系结构的机器，其速度可能会相差很多倍，因此还需要有其他方法来测试速度。,早期的计算机速度是通过计算得来的，当时根据各类指令的执行频率按一定的比例估算，得到平均运算速度。这种方法很不精确，因为在不同程序中，不同指令的使用频率是不同的，而且数据长度、指令系统功能、,cache,、流水线等与机器的性能有很大关系，在计算时不能得到充分反映。,12,另外有一种通过“计算处理速率”,(processing data rate,简称,PDR),值的方法来衡量机器性能。,PDR,值大机器性能好。,PDR,是指令操作数的平均位数和指令平均速度的比值,(,加权,),、其计算公式如下：,PDR,L,R,L,0.85G,0.15H,0.4J,0.15K,R,0.85M,0.09N,0.06P,式中：,G,是每条定点指令的位数；,M,是定点加法平均时间；,H,是每条浮点指令的位数；,N,是浮点加法平均时间；,13,J,是定点操作数的位数；,P,是浮点乘法平均时间。,K,是浮点操作数的位数；,PDR值主要对,CPU,和主存储器的速度进行度量，与真正的机器运行速度有不少差别，它曾是美国政府确定计算机出口许可证的限制性指标。,等效乘法速率,(equivalent multiply rate,简称,EMR),曾是美国政府确定计算机出口许可证浮点性能的限制性指标。,核心程序法是把程序中应用得最频繁的那部分核心程序作为评价计算机性能的标准程序。但因程序短，以致访存的局部性大，,cache,命中率偏高。,14,基准程序法,(benchmark),是目前一致承认的较好的测试方法。在下面我们将讲到各种基准测试程序，测试的结果：通常整数性能用,MIPS(,百万次整数运算指令秒,),、浮点性能用,MFLOPS(,百万次浮点运算指令秒,),等表示。通常将,VAX11,780,的运算速度定为,1 MIPS,。,2.,基准测试程序,基准测试程序往往是为了测试计算机系统某一部分性能而人为地选择一些典型指令组成的，也可能是从实际的应用程序中选择一部分作为测试程序。常用的有：,15,(1),整数测试程序,Dhrystone,基准测试程序主要用于测试编译器和,CPU,处理整数指令和控制功能的有效性。当今已很少使用。,(2),浮点测试程序,Linpack,基准测试程序是一组求解密集线性代数方程组的程序包，初创于,70,年代，在以后的,20,多年中不断完善和更新，至今仍是计算机性能测试的主要标准之一。,Whetstone,基准测试程序主要由执行浮点运算、整数算术运算、功能调用、数组变址、条件转移和超越函数的程序组成。当今已很少使用。,16,(3),计算机综合测试程序,SPEC,随着计算机技术的飞速发展，厂商和用户都希望有一个标准、客观和公正的评测工具。在此背景下，一个非营利性组织,美国标准性能评价协会,(Standard Performance Evaluation Corporation,简称,SPEC),于,1988,年成立。,SPEC,发表的第一组标准化测试程序是,SPEC 89,，后来在,1992,年和,1995,年相继推出了,SPEC 92,和,SPEC 95,，并取代了老的版本。,SPEC,的基准测试程序全部选自实际的应用程序。以下讨论,SPEC 95,测试程序。,17,SPEC 95,由两组基准程序组成：,SPEC CINT 95,用,C,语言写成的整数,/,非浮点计算基准程序。由,8,个基准程序组成。,SPEC CFP 95,用,FORTRAN,语言写成的浮点计算基准程序。由,10,个基准程序组成。,SPEC 95,重点测试计算机的处理器、存储结构和编译器的性能，对,I/O,、网络和图形部件的测试未加考虑。,18,SPEC,组织采用,SUN SPARC Station 10/40,工作站作为,SPEC 95,的参考机,(SPEC 89,和,SPEC 92,的参考机为,VAX-11/780),，,CINT 95,和,CFP 95,两组基准程序在参考机上大约需要运行,48,小时。每个基准程序经参考机的运行和测试得到相应的参考时间，将用于被测试机器的,SPEC 95,性能指标的计算。,SPEC,规定在,SPEC 95,参考机上测试每个基准程序的得分为,1,，在被测机进行,SPEC 95,测试时，,CINT 95,和,CFP 95,中的每个基准程序单独计算得分，然后再用这些得分计算各项合成指标,(,取几何平均值,),。假定被测计算机系统的得分为,10,，则表示该系统的相应能力是参考机的,10,倍。,19,SPEC 95,的主流版本是用于,UNIX,操作系统的版本。为了保证测试结果的公正性和可比性，所有的测试必须在,SPEC,提供的工具环境中完成，包括配置文件的生成、程序的编译、运行环境的建立和实施、测试报告结果的生成等。整个测试是在严格的规则下自动完成的，绝对禁止任何手工干预。,SPEC 95,和,SPEC 92,的基准程序、运行规则和使用的,SPEC,工具等都不相同，因此无法提供这两类测试结果指标之间的相互转换关系。,20,事务处理性能测试委员会,(Transaction Process performance Council,简称,TPC),是一个专门负责制定计算机事务处理能力测试标准并监督其执行的组织。,20,世纪,80,年代初出现了一种新的在线计算模式，它通过在线数据库系统进行简单的事务处理，拥有良好的在线事务处理,(online transaction process,简称,OLTP),系统的厂家就可以赢得更多的客户；因此制定有关的测试标准就提到日程上来了。,TPC,于,1988,年成立，,1989,年发布了其成立后的第一个标准：,TPC-A,。,21,20,世纪,90,年代，,TPC,又发表了两个新的标准：,OLTP,测试标准,TPC-C,和决策支持系统测试标准,TPC-D,。这两个标准在各自领域内得到承认，但是随着系统能力的增加，新的,TPC-C,和,TPC-D,计划在,1999,年发布。,1998,年，,TPC,发布了新的基于,Web,商业的测试标准,TPC-W,，用来测试一些通过,Internet,进行的商业行为，如零售店、机票预定等。,事务吞吐量,(,每分钟可完成多少个任务,),和性能价格比是,TPC,的两个重要测试指标。,22,(5),行业基准测试,国内外一些重要行业，如核能、航天、气象、石油行业等，深感通用基准测试程序的不足，他们根据自己行业应用的特点而开发了一批基准测试程序，其成功者，再逐步推广到其他行业，成为公共的基准测试程序。,3.,基准测试的公正性和准确性,所有基准测试组织都是中立的，一般是非赢利的。测试结果一般来说是公正的，但是外界的干扰可能会冲击基准测试的公正性。,23,测试结果是否能准确反映计算机实际使用的效果，这就是准确性问题。计算机系统性能是软硬件有机结合的整体的综合性能，而基准测试则是由若干个局部测试程序组成的，不能全面反映综合性能，尤其是尚未解决如何检测系统的瓶颈问题；再加上厂家大肆宣传对其有利的测试结果，而掩盖其缺点，因此对基准测试的结果也不能迷信。另外有些重要性能，如系统的可靠性、可用性和可维护性很难测试。因此基准测试所获得的局部结论是基本可信的，但不足以准确反映实际使用效果。,24,9.2,微机系统、工作站和服务器,（一）微机系统,Intel,微处理器及个人计算机,Intel,微处理器及个人计算机,20,世纪,80,年代微机的兴起促进了计算机的大普及。微机的核心是微处理器。当前世界上影响最大的半导体器件生产厂家是,Intel,公司。,微处理器沿着增加字长、提高主频、提高集成度的方向发展。表,11.1,列出了,Intel,微处理器芯片的有关参数。,25,表,11.1 Intel,微处理器性能,芯片型号,地址总线,/,位,内部数据,总线,/,位,外部数据总线,/,位,物理地址空间,时钟频率,/MHz,集成度,/,工艺,8086,20,16,16,1MB,5,8,2.9,万,/3m,8088,20,16,8,1MB,5,8,80286,24,16,16,16MB,12,16,20,25,13,.,4,万,/1.5m,80386DX,32,32,32,4GB,25,33,40,27.5,万,/1m,80386SX,24,32,16,16MB,20,25,33,40,80486DX,32,32,32,4GB,33,50,60,120,万,/0.6m,1m,80486SX,32,32,16,64GB,20,33,50,185.5,万,/1m,Pentium,32,64,32,64GB,60,66,75,90,100,120,133,166,310,万,/0.8m,Pentium MMX,32,64,32,64GB,166,200,233,450,万,/0.35m,Pentium Pro,64,64,32,4TB,150,180,200,550,万,/0.6mP,64,64,32,4TB,233,266,300,333,750,万,/0.35m,P,64,64,32,4TB,350,400,450,750,万,/0.25m,26,表,11.1,中列出的,8086,是同一系列的微处理器，其时钟频率,(,主频,),已从,8086,的,5MHz,提高到,P,的,450MHz,，集成度从,2.9,万个管子发展到,750,万个管子，相应的工艺,(,线宽,),从,3m,减少到,0.25m,。但是以上的指标反映的是芯片的性能，还不能完全代表微机系统的性能，影响系统性能的还有微处理器与内存之间的总线速度，地址总线宽度，数据总线宽度，芯片内部是否设置浮点协处理器，是否设置,cache(,一级和二级,),等。,27,(1),内存总线速度,开始时芯片内部的时钟频率与总线频率一致，后来出现了倍频技术，使内部时钟频率可以高于总线频率。,(2),地址总线宽度,确定了处理器可访问的内存容量，其宽度已从,20,位,(,支持,1MB,容量,),发展到,64,位。,(3),数据总线宽度,表,11.1,中列出的内部数据宽度是指处理器芯片内部传送数据的总线宽度，外部数据宽度是指处理器与内存,(,或,I/O,接口,),之间交换数据的宽度。,28,(4),浮点处理器,(5)cache,存储器,随着微机主频和集成度的提高，在片内设置,cache,具有必要性和可能性，而且更进一步从一级,cache(L1),发展到两级,cache(L1,和,L2),。个别的甚至发展到三级,cache(Alpha 21164),。在,80486,微处理器中，内置有代码,(,程序,),和数据共用的容量为,8KB/16KB,的,L1 cache,。而在,Pentium,微处理器中，使用了两个容量各为,8KB,的,L1 cache,，一个用于代码，一个用于数据。,29,Pentium Pro,进一步将,CPU,和,L2 cache,封装在一起,(,容量为,256KB,或,512KB),，并且让,L2 cache,通过专用总线,(64,位宽,),以主频速度与微处理器中的,CPU,进行通信,(,图,11.1),，提高了微处理器性能，并解决了外部数据总线,(,系统总线,),带宽受限的瓶颈问题。,(6)MMX,技术,新的通信、游戏、娱乐和教育等应用要求,PC,具有视频、,3D,图形、动画、音频等多媒体功能，,Pentium MMX,将多媒体扩展,(MultiMedia eXtention,简称,MMX),技术结合到,Pentium,芯片中，具有以下特点：,30,图,11.1,双重独立总线,(5)cache,存储器,31,增加了,4,种数据类型，即紧缩字节,(8,位,位,),、紧缩字,(4,位,16,位,),、紧缩双字,(2,位,32,位,),和紧缩,4,字,(1,位,64,位,),。其目的是紧缩组合定点整数，将多个整数字组成一个,64,位数据，用一条指令对,64,位数据进行处理。,增加了,8,个,64,位,MMX,寄存器。,增加了,57,条指令，用来完成音频、视频图形图像处理等。它涉及的操作有：算术操作、比较操作、逻辑操作、新数据类型之间的转换,(,紧缩数据及解压,),，,MMX,寄存器之间的数据传送,(MOV),等。,32,(7)Pentium(P),P,是,Pentium Pro,级的,MMX,处理器。具有以下特点：,双重独立总线。二级,cache,总线与处理器到内存的系统总线分别独立，缓解了对系统总线带宽的要求。二级,cache,的容量为,512KB,。,动态执行技术。指令预取，对多分支指令进行预测，按优化顺序执行指令，提高了处理速度。,内置,MMX,技术，增加了,57,条,MMX,指令。,33,新的单边接触式,SEC(single edge contact,简称,SEC),封装，其插槽被命令为,Slot1,，并申请了专利，这是,Intel,为甩掉其竞争对手而采取的措施，在此之前,Intel,及其他厂商的芯片的引出端都采用网格阵列,(pin grid array,简称,PGA),封装，其插槽命名为,Socket 7,。,Pentium,将微处理器和,L2 cache,封装在一个长方形的匣中，其体积虽然很大，但由于采用,SEC,封装，其外形更像一个插卡而不是集成块因此在主板上所占的面积比,Socket 7,小得多。另外,P,采用了双重独立总线结构，其优点不再重述。,34,0.25m,的,P,采用,Slot 2,技术，将,L2 cache,由,512KB,提高到,2MB,，并适用于,8,处理器多重处理，采用,Slot 1,技术的,P,只支持双处理器多重处理。,Intel,公司于,1998,年,3,月推出了一款低价无,L2 cache,的,Pentium,微处理器称为,Celeron(,中文名为赛扬,),，这是靠牺牲性能而获得的低价产品，不被业界看好。同年,8,月，,Intel,推出了新一代的,Celeron,处理器，称之为,Celeron A,或新赛扬与赛扬相比，新赛扬有以下改进：,35,内置,128KB L2 cache,。在,CPU,芯片内置有,L2 cache,，这不同于以往的,Pentium,处理器。在,P,的集成电路封装盒内实际上有两片独立的,L2 cache,芯片分别置于,CPU,芯片的两边，在片内用线相连；而新赛扬则是将,L2 cache,与,CPU,设计在同一芯片中，更有利于提高数据的传输速度。,Celeron A,的,L2 cache,能以,CPU,频率操作，而以往的,P cache(L2),只能以,CPU,频率的二分之一操作。,36,1999,年,1,月，,Intel,又发表了其即将推向市场的,P,处理器。,P,和,P的最大区别是增加了,71,条指令来提高浮点运算以及其他性能，而且在一个指令周期内可以同时处理,4,条单精度浮点数据；另外还可以让浮点和,MMX,的数据同时访问处理器内的寄存器，这些措施大大地提高了,P,的性能。其他诸如,L1 cache,和,L2 cache,的容量等仍与,P,处理器相同。,37,1997,年,10,月在每年一度的硅谷“微处理器论坛”上，,Intel,公司和,HP,公司向同行们讲述了他们合作开发的最新的高档微处理器,Merced,的设计技术。他们用显性并行指令计算,(explicitly parallel instruction computing,简称,EPIC),来描述,Merced,的设计原理，这种设计使单个,Merced,能够起到一群处理器的角色，有可能同时处理十几个运算操作。专家们推测其时钟频率可能达到,900MHz,。,Merced,可运行在,Windows,或,Unix,操作系统环境下，,Windows,是微软公司为,Intel,微处理器设计的操作系统，而,Unix(HP-UX),是,HP,公司运行在,HP-PA RISC,微处理器上的操作系统。,38,为了保持与,Windows,程序的兼容性，芯片的一部分包含,Pentium,微处理器的部分内核；为了保证,HP-UX,程序能够运行，芯片的另一部分包含,PA-RISC,电路；,Merced,的其他部分安放新的,EPIC,电路，包括一组,64,位,RISC,处理单元，这些单元使,Merced,可以并行运行许多操作。,Merced,的编译器,(,将软件开发者编写的程序翻译成机器语言,),除了把程序翻译成,Merced,的指令代码外，还能分析程序，并提取不依赖于其他顺序操作结果的指令构成“独立指令”等。这些指令可以按任意次序运行，并且可以让芯片任何可用的部分执行。再则，,Merced,已经设计成可以让几百个芯片结合起来处理传统上是大型机或服务器领域处理的运算任务。,39,1.AMD,公司和,Cyrix,公司的兼容芯片,AMD,公司和,Cyrix,公司生产与,Intel 8086,兼容的芯片，在同样性能的情况下，他们的产品的价格比,Intel,便宜。由于他们参与竞争，刺激了微处理器硬件技术的迅猛发展。表,11.2,列出,AMD,，,Cyrix,和,Intel,三家公司的产品的有关特征。,40,表,11.2 AMD,，,Cyrix,和,Intel,公司产品有关特征,芯片型号,L1 cache,L2 cache,插座,时钟,/MHz,总线频率,/MHz,每时钟执行指令数,支持,MMX,流水线,FPU,乱序执行,集成度,/,万,AMD,K5,16KB,指令,16KB,数据,外部,Socket 7,100,116,6066,2,N,N,Y,430,K6,32KB,指令,32KB,数据,外部,Socket 7,166,200,233,66,2,Y,Y,Y,880,K6-2,32KB,指令,32KB,数据,内置,Socket 7,266,300,350 366,388,400,100,2,Y,Y,Y,930,Cyrix,6,86,16KB(1,个,),外部,Socket 7,110,133,150,5575,2,N,N,Y,300,6,86MX,64KB(1,个,),外部,Socket 7,150,166,188,6075,2,Y,N,Y,650,Intel,Pentium,Pentium,8KB,指令,8KB,数据,外部,Socket 7,100,133,166,6066,2,N,YN,330,MMX,16KB,指令,16KB,数据,外部,Socket 7,166,200,233,6066,2,Y,Y,N,450,Pro,8KB,指令,8KB,数据,内置,Socket 8,150,166,180,200,6066,3,N,Y,Y,550,P,16KB,指令,16KB,数据,内置,Slot 1,233,266,300,333,66,3,Y,Y,Y,750,P,16KB,指令,16KB,数据,内置,Slot 2,350,400,450,100,3,Y,Y,Y,750,41,2.,微机的主板结构,主板是,PC,机硬件系统集中管理的核心载体。几乎集中了全部系统功能，能够根据系统和程序的需要，调度,PC,机各个子系统配合工作，并为实现系统的管理提供充分的硬件保证。,现在的主板有两种设计模式：一种是,IBM,公司提出的,AT,结构标准，其布局不够理想，通常适用于,Pentium,级以下的,PC,机系统；另一种是,Intel,公司提出的,ATX,结构标准，布局合理，同时推出了,ATX,电源，可以用操作系统进行关机控制。,主板的主要构成,42,CPU,插座。随着,CPU,功能的加强，,CPU,管脚数量不断增加，,Socket 7,是一种符合工业标准的插座，采用零插拔力,(zero-insertion force,简称,ZIF),设计，以便于,CPU,的安装,(,插拔,),。Socket 8,是,Pentium Pro,的专用插座形式，其缺点是占主板的面积太大。,Slot 1,是,Intel,为,P,所设计的插槽形式。,内存插槽。主板上为内存专用的插槽，扩充内存容量变得更简单。只要购买能适应插槽模式的内存条，插入或更换即可使用，现在主板上大都采用,72,线或,168,线的插槽。,43,芯片组。芯片组是主板的关键部件，由一组,(,例如,2,个,),超大规模集成电路芯片构成，它被固定在主板上，不能像,CPU,、内存条等那样容易更换,(,升级,),，而正是由它控制和协调整个计算机系统运转。前面介绍的,DMA,控制器、中断控制器、定时钟和总线控制器等都被集成在芯片组中。现在广泛应用的是,Intel 440,系列芯片组，也有其他公司生产的芯片组。,二级高级缓冲存储器。二级高速缓存固定在主板上，,P,则将其内置于封装盒内。,44,CMOS,芯片。,CMOS,芯片中存放着重要的,BIOS,信息和与机器运行有关的信息。系统,BIOS,是对基本,I/O,系统进行控制和管理的软件。,总线扩展槽。用于扩展主板所支持的功能以外的其他用途的板卡，一般预留,ISA,和,PCI,两种形式的扩展槽。,AGP,显示卡插槽。随着人们对,PC,机的图形处理能力的要求提高，使得,PCI,显示卡难以满足，,33MHz,的显示总线频率已经限制了多媒体,PC,机性能。于是,Intel,对,PCI,总线进行了局部改良，专门设计了,AGP,显示插槽，使,AGP,显示卡与,CPU,直接交换数据，改善了图形显示功能。,45,外接接口插座。主要指连接硬盘、软驱和光驱的电缆插座。其标准有,IDE,、,EIDE,以及新,IDE,接口规范,Ultra DMA/33,。,Ultra DMA/33,将数据传输率提高到,33MB/s,。,串行和并行端口。通常为两串一并；另一种新的,USB,技术正在兴起，即通用串行接口总线,(Universal Serial Bus,，简称,USB),，连接的设备可以多达,127,个，它可以实现机箱外的“热即插即拔”，在不打开机箱，不关闭电源的情况下，可以随时插接或拔除外设。,46,10,主板跳线。由于微机的,CPU,翻新很快，速度不断提高，功耗也随之增加，为了降低功耗，电源电压不断下降；再加上存储器容量的扩充等等因素，主板设计厂家采用跳线技术来适应电压与容量等变化。即根据具体的要求，改变主机板上的连线,(,预先设计好的跳线,),改变跳线时，如果稍有不慎，机器可能不能正常运行，甚至烧毁昂贵的,CPU,。因此，主板生产厂家采用了无跳线技术，采用这种技术的,P,主机板可以不用打开机箱就能自动设定,CPU,所使用的电压、总线频率、,CPU,倍频等。,47,11,系统监控。,P,主机板一般提供了诸如,CPU,温度监控、过热报警、自动降频,(,降频可减少功耗,),、,CPU,风扇转速的监测和调整、,CPU,电源引针的电压监视等。上述功能一般由主板上的系统监控芯片或上述的,CMOS,芯片完成。,除此以外，某些主板还具有远程开机、定时开机和键盘开机的能力。,以上介绍的主机板主要适用于台式,PC,机。,综上所述，主板上主要装配有,CPU,，芯片组以及若干个插槽和外设接口插座。其中,CPU,插在固定在主板上的插座,(Pentium,及其前的,CPU),中或插在,Slot 1,插槽,(P),中。,48,PC,的分类,1.,台式机,台式机即是放在桌上使用的,PC,机，前面介绍的微处理器以及主机板都适用于台式机。,2.,便携机,(,笔记本,PC,机,),将便携机称之为笔记本,PC,机，是因为其外形像笔记本，一般表面面积相当于,A4,纸大小，厚度在,3cm,左右，重量约,3kg,。其,CPU,和台式机一样，从,80286,升到,80486,，,Pentium,再升到,P,。笔记本,PC,机和台式,PC,机在系统结构和功能上已相差不多，由于它的实用性和便携性而深受用户欢迎。下面对笔记本,PC,机的特点及其和台式机的主要差别作一介绍。,49,(1),笔记本,PC,机的结构,最初的笔记本,PC,机，大多采用“一体化”结构，将系统涉及的各种芯片及各种适配器都设计在一块主板上，以缩小,PC,机尺寸。其缺点是散热性差，容易因机内温度过高而引起故障，因此被模块化结构取代。,“模块化”将相对独立的逻辑芯片组成部件独立出来形成一个个模块,(,卡,),，将卡插入主机板上的插槽中，构成整机系统。这种结构虽增加了,PC,机体积，但较好地解决了散热问题，并增加了配置的灵活性。,50,随着半导体工艺的进步，微处理器实现了体积、功耗更小的目标，为“全内置”,(All-in-One),的实现奠定了基础。全内置与一体化没有本质的差别，散热问题仍未解决。,从用户需求出发，笔记本,PC,机除了具有轻便、灵巧、多能和实用的特点外，还要求能够变换其配置。于是将“全内置”和“模块化”结合起来，全内置指的是将,CPU,、内存盘控、串,/,并接口、显示适配器和,Modem,等置于一块主板上，模块化则能方便更换机内配置以适应外出使用或不同应用的需要。例如将软驱或光驱更换为硬盘或电池模块等。,51,(2),散热问题,便携机的散热问题一直是设计人员密切关注的问题，一方面要降低发热部件的发热量，采取降低芯片的电压等方法，例如,0.25m,工艺的,Pentium,芯片内部运行电压已降到,1.8V,。另一方面则要加强散热，目前人们使用的导流、散热器以及排风扇技术正在不断改进。,PC,机能耗的降低意味着电池寿命的延长，便携机在外出工作时，是依靠电池工作的。,(3),显示器,采用薄型轻量的平面显示器，而不用台式机的,CRT,显示器。,52,(4),外设接口,(PCMCIA),PC,机必备的串口和并口已做在主板上，在机箱后部有插座引出。因笔记本,PC,机体积有限，一般不设置扩展槽，因而在,1984,年为便携式,PC,机制定了一种外设接口标准，称之为,PCMCIA,。一般笔记本,PC,机有一个或多个,PCMCIA,插槽，供各种外部设备相应的接口卡插入。,(5),键盘,采用超薄型键盘，同时具有外接键盘接口，可外接台式机的键盘。,53,3.,个人数字助理,(personal digital assistant,简称,PDA),(1)PDA,的特点,PDA,是一个面向广大用户的计算和通信的设备，它不同于其他类型计算机，具有以下特点：,体积小，重量轻，便于握在手中或放在口袋里。集计算和通信于一体，适合于移动办公人员使用。,具有适用的应用软件。具有电子记事簿的功能，如日程管理、地址管理和电话号码管理等。同时还提供文字处理软件和电子表格软件等。,54,具有通信能力。,PDA,可外接或内置,modem(,调制解调器,),，通过有线或无线方式发送和接收数据。,以笔输入为主，并逐步向语音输入发展。,降低电源功耗，配备高容量电池。,价格低廉。,目前世界上有许多公司推出了,PDA,产品，美国和日本处于领先地位，但还没有统一标准，各个产品具有各自的特点。,55,(2)PDA,的类型,由于应用领域的不同，各种,PDA,产品在性能上有较大差异，大致可分为以下四类：,笔式掌上机，有着与微机完全不同的使用对象，主要特点是强调笔输入,(,一般不带键盘,),，配有良好的手写体识别软件，并内置有字处理和电子表格软件；有的还具有,Internet,联网功能。,掌上,PC,机，是微缩的便携式计算机，它的特点是与微型机兼容，以键盘作为主要输入设备,(,或兼有笔输入,),，以,DOS,作为操作系统，或以,Windows CE(consultor electronics),作为操作系统。,56,个人通信机，主要特点是带有,modem,和通信软件，可通过有线或无线网发送或接收,E-mail(,电子邮件,),和,Fax(,传真,),。,电子组织机,(electronic organizer),在,PDA,中，组织机的功能最简单，没有操作系统，只能运行一些固定的应用软件，用于管理和存放资料。例如，计划管理、日程安排等，不具有通信功能。耗电量较少，电池寿命较长，价格较低。,(3)PDA,的硬件,57,PDA,的微处理器,(MPU),要求,MPU,芯片低成本、低功耗、小尺寸。因此其工作电压低，多数工作在,3.3V,或更低的电压。一般带有电源管理单元，若一定时间不用,PDA,，可自动关掉显示器或某些部件的电源。,PDA,的,MPU,芯片上一般包含多种功能部件。例如，有的芯片上包含有图形处理部件、电源管理部件、存储控制部件和,LCD,显示接口等。,由于,PDA,推出于,20,世纪,90,年代，当时,RISC,结构已出现因此有的公司推出的,MPU,采用,RISC,结构，有的仍采用,CISC,结构。,58,存储器,由于受尺寸限制，,PDA,中没有内置软盘或硬盘驱动器，所有的软件和数据都存放在,RAM,和,ROM,中，因此容量有限。,要解决,PDA,的存储容量问题，同时满足体积小、容量大、耗电低、非易失、价格低的要求，快闪存储器,(flash RAM),是未来,PDA,的一个解决方案。,59,通信部件,影响,PDA,通信功能的因素是无线通信网、通信部件和通信软件。所有通信部件，包括,modem,可制在一张,PCMCIA,卡上。需要注意的是，,PDA,对无线通信网提出了更高的要求，因为无线通信网当初建立时，不是为数据通信设计的，在传送语音时，短暂的传输中断并不影响效果，而在传送,E-mail,、,Fax,或数据文件时，则不允许。另外，无线通信网种类很多，缺乏标准、传输率低、服务的覆盖范围有限，这些缺点还有待于克服。通信软件的发展还更滞后一些，相对来说，通信部件还解决得比较好一些。,60,电池,便携机和,PDA,等移动计算和通信的设备中都需要配备有电池，对电池的要求是轻便、小巧和使用时间长。目前常用的电池主要有镍镉电池、镍金属氢化物电池和锂离子电池。表,11.3,列出几种电池的性能比较。,还有一种可重复充电的碱电池，其能量密度居中，介于镍镉电池和锂离子电池之间，是,PDA,中使用最广泛的电池。,智能化电池就是在电池中集成了微控制器，用来监视电池的运行状态。,61,表,11.3,移动计算机中的电池,电池类型,重量能量密度,/,瓦时,/,千克,体积能量密度,/,瓦时,/,升,优点,缺点,镍镉,4050,80125,大电流输出,可过度充电,充电次数可达,500,次,镉材料对环境有污染,记忆效应明显,镍金属,氢化物,5060,100170,记忆效应小,充电次数,300500,次,易受到强充电电流损害,锂离子,80100,220240,无记忆效应,充电次数,500800,次,自放电率较低,易受到过度充、放电损害,62,4.,手持计算机,(HPC),自,Windows CE,成为,PDA,的主流操作系统之后，在该领域出现了新的名词,HPC,，形成了笔式掌上机和掌上,PC,两类分支，集通信功能、个人信息处理和计算功能于一体。在中文,Windows CE,推出后，解决中文信息处理中人机交互问题将是,HPC,技术难点之一，,HPC,存放软件的,ROM,的容量也要扩大，至少需要,8MB,。,63,家用,PC,目前普遍认为家用电脑是指能在家中使用的基于多媒体的、集工作、事务处理、娱乐和学习于一体的高性能个人计算机。由于其使用对象不是专业人员，因此还要求操作简易。但是家用电脑还不是家用电器。家用电器通常是针对人们生活中特定需求而设计的。例如，电视机和电冰箱，其设计目标很明确，使用起来也极为方便，产品相对