微型计算机系统.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,1,章,微型计算机系统,1.1,1.2,1.3,微型计算机系统的组成,微型计算机系统的发展历程,微型计算机系统的运行,1.1,微型计算机系统的组成,计算机分为巨型、大型、小型和微型计算机。一般而言，微型计算机是使用微处理器（,Microprocessor,）作为,CPU,的计算机。微型计算机的大多数部件都紧密地安装在机箱中，作为人机交互的,I/O,设备则连接在机箱之外，如显示器、键盘、鼠标等。它体积小，适合于日常计算及商务用途。台式计算机、笔记本电脑、,Tablet PC,以及各种电子手持设备都属于微型计算机的范畴，如图,1.1,所示。,图,1.1,各种类型的微型计算机,1.1,微型计算机系统的组成,微处理器将运算器和控制器两个主要功能部件合二为一，集成到一个芯片中。同时，随着半导体存储器代替磁芯存储器，存储容量和存取速度成倍地增长，需要计算机处理、加工的信息量与日俱增，为适应发展的需要，现代计算机组织结构从以运算器为中心逐步转向以存储器为中心，如图,1.2,所示。尽管如此，现代计算机基本结构仍然遵循冯,诺依曼原理。,图,1.2,以存储器为中心的现代计算机组织结构,1.1.1,硬件系统,如图,1.3,所示，微型计算机硬件系统根据计算机的结构分为主机和外部设备两大部分。存储器包括内存和外存输入包括输入设备和输入设备接口，输出包括输出设备和输出设备接口，输入设备和输出设备统称为外部设备，简称外设。,图,1.3,微型计算机硬件系统,1.1.1,硬件系统,多媒体计算机就是在普通微型计算机上增加了多媒体处理设备的计算机，这些设备包括声音处理设备、图像处理设备等，如图,1.4,所示。,图,1.4,多媒体计算机的组成,1.1.1,硬件系统,如图,1.5,所示，是从侧面观察的机箱内部，各种设备通过接口、插座、插槽等方式安装在一起。,图,1.5,计算机机箱内部,1.1.1,硬件系统,可将主要设备从机箱中拆卸出来，摆放在一起，如图,1.6,所示。,主板作为整个计算机的基板，是,CPU,、内存、I/O,接口的载体。主板是否稳定关系着整个计算机是否稳定，主板的速度在一定程度上制约着整机的速度。,图,1.6,计算机机箱内包含的设备,1.1.1,硬件系统,常用输入设备有键盘、鼠标等。有时也会用到光笔、扫描仪、游戏控制杆、数码相机、麦克风、摄像头、条码阅读机和读卡机等输入设备。,常用的输出形式有文字、声音、图像、动画（或视频）、动作和状态等。常见的输出设备有显示器、打印机、音箱、绘图仪等，如图,1.7,所示为典型的输入,/,输出设备。,图,1.7,计算机输入,/,输出设备,1.1.2,软件系统,软件是为了运行、管理和维护计算机而人工编制的各种程序的集合。如图,1.8,所示，软件系统建立在硬件系统之上，通过基本输入,/,输出系统（,BIOS,）作用于硬件，执行相应功能。,图,1.8,软件系统建立在硬件之上,1.1.2,软件系统,1,基本输入,/,输出系统,基本输入,/,输出系统（,Basic Input and Output System,，,BIOS,），是最基本的直接操作、测试和管理计算机硬件（裸机）的一组程序集。,BIOS,放在系统主板,ROM,芯片中。,BIOS,包含下列功能：,（,1,）系统配置分析。分析,CPU,型号、内存容量、软驱,/,硬盘的数量与型号、,I/O,设备等，作为计算机运行的重要参考信息。,（,2,）开机自测试（,Power-on Self Test,）也称加电自检。用来测试,CPU,、内存、芯片组、外设等工作是否正常，并对主机和有关外设进行初始化操作。当计算机通电后，“开机自测试”程序被执行，测试情况在显示器上用文字、图形显示，蜂鸣器发出声音通知用户。开机测试正常，才会执行,BIOS,的“载入操作系统”程序。,（,3,）输入,/,输出中断服务程序。建立,BIOS,中断向量表，并使相关的中断服务程序常驻内存，以供操作系统或应用程序调用。,（,4,）载入操作系统。当开机自我测试完成后，该程序找出操作系统在硬盘上的位置并载入内存，之后,BIOS,将控制权交给操作系统，完成开机操作。,1.1.2,软件系统,2,系统软件,系统软件是管理、监控和维护计算机资源的软件，是扩展计算机的功能、提高计算机的工作效率、方便用户使用计算机的软件。系统软件是计算机正常运转不可缺少的，一般由计算机生产厂商或专门的软件公司开发研制，出厂时写入,ROM,芯片或存入存储介质（如光盘等），供用户选购。,系统软件中最常用的就是操作系统，任何用户都必须使用操作系统，因为其他程序都要在操作系统支持下运行。目前，常用的操作系统有,Windows,、,Linux,等。系统软件还包括语言处理系统、数据库管理系统、网络管理系统和计算机性能测试程序等。,1.1.2,软件系统,3,应用软件,应用软件是完成某种特定应用功能的软件。用户平时见到和使用的大部分软件均为应用软件，如,Microsoft Office,、,Adobe Photoshop,、,Macromedia Flash,、杀毒软件、学习软件、游戏软件和上网软件等。应用软件一般在操作系统安装后根据用户的需要安装，不再使用的应用软件应及时卸载。有些应用软件随操作系统同时启动，如病毒监控软件，与系统结合较紧密，所以应用软件和系统软件的划分并不是绝对的。,1.2,微型计算机系统的发展历程,1.2.1,微型计算机的发展,1,第,1,代：,4,位及低档,8,位微处理器,第一个微处理器是美国,Intel,（英特尔）公司于,1971,年生产的,4,位微处理器,4004,，如图,1.9,所示。,Intel 4004/4040体积小、价格低，立即引起了相关机构和企业的兴趣。,1972,年，,Intel,公司又生产了,8,位微处理器,8008,，人们将,Intel 4004,、,4040,、,8008,称为第一代微处理器。这些微处理器的字长为,4,位或,8,位，集成度大约为,2000,个晶体管,/,片，时钟频率为,1 MHz,，平均指令执行时间约为,20s,。,（,a,）,（,b,）,图,1.9 Intel 4004,（,a,）和,8008,处理器（,b,）,1.2.1,微型计算机的发展,2,第,2,代：中、低档,8,位微处理器,20,世纪,70,年代中期，微处理器生产厂商群雄逐鹿，生产了多种型号的微处理器，其中设计最成功、应用最广泛的是,Intel,公司的,8080/6085,系列，,Rockwell,公司的,6502,，,Zilog,公司的,Z80,，,Motorola,公司的,6800/6802,等，称为第二代微处理器。它们的时钟频率为,2,4 MHz,，平均指令执行时间为,l,2ms,，集成度超过,5000,个晶体管,/,片。在这一时期，微处理器的设计和生产技术已相当成熟，配套的各类器件也很齐全。图,1.10,所示为,1974,年罗伯茨用,8080,微处理器装配的一种专供业余爱好者试验用的“牛郎星”计算机（,Altair,）。,图,1.10,采用,Intel 8080,处理器的,Altair,计算机,1.2.1,微型计算机的发展,3,第,3,代：高、中档,8,位微处理器,20,世纪,70,年代末，超大规模集成电路工艺已经成熟。,19781979,年，一些厂商推出了性能可与过去占用数个房间的中档小型计算机相比的,16,位微处理器，其中有代表性的三种芯片是,Intel 8086/8088,，,Zilog,公司的,Z8000,，以及,Motorola,公司的,MC68000,。它们的时钟频率为,4,8 MHz,，平均指令执行时间为,0.5 s,，集成度为,20000,60000,个晶体管,/,片。人们将这一时期的微处理器称为第一代超大规模集成电路微处理器。,1981,年，,IBM,公司推出采用,Intel 8088,的,IBM 5150,微型计算机，如图,1.11,所示，并将其称为,Personal Computer,（个人计算机），不久，其缩写“,PC,”成为所有微型计算机的代名词。,图,1.11,采用,Intel 8088,处理器的,IBM 5150,计算机,1.2.1,微型计算机的发展,4,第,4,代：,16,位及低档,32,位微处理器,1980,年以后，半导体生产厂商继续在提高电路的集成度、速度和功能方面展开研发，取得了很大进展，相继出现了,Intel 80286,、,Motorola 68010,等,16,位高性能微处理器。,1983,年以后，,Intel 80386和,Motorola 68020,相继推出。这两者都是,32,位微处理。,1989,年,Intel,公司推出了,80486,（时钟频率为,30,40 MHz,），集成度达到,15,50,万甚至上百万个晶体管,/,片，因此称为超级微型机。早期的,80486,相当于把,80386,和完成浮点运算的数学协处理器,80387,以及,8KB,的高速缓存集成到一起，这种片内高速缓存称为一级（,L1,）缓存，,80486,还支持主板上的二级（,L2,）缓存。后来推出的,80486 DX2,首次引入了倍频的概念，有效缓解了外部设备的制造工艺跟不上,CPU,主频发展速度的矛盾。,1.2.1,微型计算机的发展,5,第,5,代：高档,32,位,/64,位微处理器,1993,年以后，,Intel,公司又陆续推出了,Pentium,、,Pentium Pro,、,Pentium MMX,、,Pentium II,、,Pentium III,和,Pentium IV,，这些,CPU,内部都是,32,位数据宽度，都属于,32,位微处理器。在此过程中，,CPU,的集成度和主频不断提高。尽管,64,位处理器早已运用于超级计算机和顶级服务器上，但在微型计算机上的应用一直步履蹒跚。,1.2.1,微型计算机的发展,2005,年以后，随着,Intel,公司推出第一个双核,EM64T,处理器,Pentium EE,和,Pentium D,，,AMD,公司也引入它的第一个双核,AMD64 Opteron,服务器,CPU,和桌面型版本,Athlon 64 X2,，双核和多核处理器开始正式进军微型计算机市场，如图,1.12,所示。,（,a,）,（,b,）,图,1.12,从,32,位的,Intel Pentium 586,（,a,）到,64,位双核的,AMD Athlon 64 X2,（,b,）,1.2.2,微型计算机操作系统,1,DOS,操作系统,DOS,的全称是磁盘操作系统（,Disk Operating System,）。它的主要功能是设备管理和文件管理。,MS-DOS,是主要的操作系统之一，由微软（,Microsoft,）公司开发，它经历了,1.0,6.0,几个阶段的不断发展，是一个单用户、单任务、命令行界面的操作系统。,2,Windows,操作系统,Microsoft,公司的,Windows,操作系统家族经历了从,Windows 3.0,到,Windows NT/2000/XP/2003,和,Windows Vista,的发展，最新的,Windows 7,操作系统目前已通过,Beta,测试，进入,RC,（,Release Candidate,，发行候选）阶段。,1.2.2,微型计算机操作系统,如图,1.13,所示的系统启动界面展示了,Windows,的发展历程。,图,1.13 Windows,发展历程中的各个版本,1.2.2,微型计算机操作系统,3,UNIX,和,Linux,操作系统,UNIX,系统是由,AT&T,公司贝尔实验室的研究人员设计的。,UNIX,是一个功能强大的多用户、多任务分时操作系统。现在的,UNIX,由不同的公司衍生出了很多不同的版本。,Linux,操作系统是,UNIX,兼容系统之一，由于其“,自由,”和“开放”的特性，衍生出了众多各具特色的发行版，图,1.14,形象地示出了,Linux,的这一特色。,图,1.14 Linux,有多个发行版,1.2.2,微型计算机操作系统,苹果,MAC OS,操作系统是专用于苹果计算机的基于,UNIX,技术的操作系统，较新的,MAC OS X 10.5,（,Leopard,）操作系统，如图,1.15,所示，符合最新的,UNIX,系统规范第三版（,UNIX 03,认证），并且最新的苹果计算机也开始采用类似于,PC,的,Intel-based,架构，转而使用,Intel,处理器。,图,1.15 MAC OS X Leopard,的操作界面,1.3,微型计算机系统的运行,1.3.1,硬件初始化,1,打开电源后的处理,Step 1.,当按下电源开关时，交流电开始送到电源变压器，此时电压还不太稳定。主板芯片组会向,CPU,发出并保持一个,RESET,（重置）信号，让,CPU,内部自动恢复到初始状态，但,CPU,在此刻不会马上执行指令计算机检测电源设备并确认供电是否稳定。若电压稳定，则电源向主板芯片组发送信号，表示可以供电，一切正常。,Step 2.,当芯片组检测到电源供电稳定的信号后，它便撤去,RESET,信号（如果是手工按下计算机面板上的,Reset,按钮来重启机器，那么松开该按钮时芯片组就会撤去,RESET,信号），与此同时计算机的,Power,指示灯亮起。,Step 3.,CPU,从地址,FFFF:0000,处（即,BIOS,的地址空间内）读入一条跳转指令，到,BIOS,的启动代码处，执行后续指令。,1.3.1,硬件初始化,2,加电自检（,POST,）并准备硬件,Step 1.,POST,过程大致为：加电,CPUROM BIOSSystem ClockDMA640 KB RAMIRQ,显卡等。检测显卡以前的过程称为关键部件测试，由于显示系统未初始化，该过程没有任何屏幕输出。如果关键部件有问题，计算机会处于挂起状态，习惯上称为核心故障。在正常情况下，,POST,过程进行得非常快，以至于很难被用户感觉到。如果计算机在,POST,阶段出现故障，需要跟踪,POST,过程，必须使用,POST,诊断卡等检测设备，如图,1.16,所示，有的主板上已集成了,POST,诊断功能。,图,1.16 POST,诊断卡,1.3.1,硬件初始化,Step 2.,接下来系统将检查显卡，通过读取显卡,BIOS,来初始化显卡，大多数显卡都会在屏幕上显示一些信息，介绍生产厂商、显卡芯片类型等，如图,1.17,所示。如果是品牌计算机，一般会显示计算机厂商的,Logo,信息。系统,BIOS,接着会查找声卡、网卡等扩展设备的,BIOS,程序，并使用,BIOS,内部的初始化代码来初始化相关设备，该过程十分简短。,图,1.17,显卡名称、,BIOS,版本、制造商和显存容量等信息,1.3.1,硬件初始化,tep 3.,其他设备的,BIOS,查找完毕之后，系统,BIOS,将显示自身的启动画面，如图,1.18,所示。其中包括系统,BIOS,的类型、序列号和版本号等。接着系统,BIOS,将检测和显示,CPU,的类型和工作频率，然后开始测试全部内存。,BIOS,信息,检测,CPU,、内存、驱动器、即插即用等,图,1.18 AMI,和,Award BIOS,的检测信息显示,1.3.1,硬件初始化,Step 4.,之后，系统,BIOS,将开始检测系统中安装的其他硬件设备，包括键盘、硬盘、光盘和软盘驱动器等，有些,BIOS,还会显示内存时钟和单,/,双通道模式，硬盘和光驱,DMA,模式等。如果在此时系统停止，则有可能是设备连接问题或故障。,Step 5.,检查即插即用支持，通过该功能检测连接到主板上的声卡、调制解调器等即插即用设备。每找到一个设备，系统都会为该设备分配中断、,DMA,通道和,I/O,端口等资源。,Step 6.,将上述检测结果与,CMOS,芯片上记录的内容比较，以确认硬件是否更改，是否与,CMOS,中的信息一致。注意，,BIOS,设置程序（或称,CMOS,设置程序）完成硬件参数设置（自动或手动）后的硬件设备信息保存在,CMOS,存储器中。,1.3.1,硬件初始化,Step 7.,所有硬件都已经检测配置完毕后，一些,BIOS,会重新清屏，并在屏幕上显示一个表格，其中简要地列出了系统中安装的各种标准硬件设备，以及它们使用的资源和一些工作参数，如图,1.19,所示。,图,1.19,确认设备和使用的资源,1.3.2,载入启动文件,Step 1.,系统读取,BIOS/CMOS Setup,（,BIOS,或,CMOS,设置程序）中设置的,Boot Sequence,（启动顺序），从软驱、硬盘或光驱中寻找启动所需文件，,Windows XP,系统所需的文件是,NTLDR,、,NTDETECT.COM,和,boot.ini,。,进入,CMOS,设置的方法是，在打开计算机电源出现启动画面时根据提示按相应的按键，不同品牌,BIOS,按键不同，可能是,【F1】,、,【F2】,或,【Delete】,键。找到,Boot Sequence,页面，如图,1.20,所示。,图,1.20 CMOS Setup,中的启动顺序,1.3.2,载入启动文件,Step 2.,一般情况下，用户将操作系统安装在硬盘上，,BIOS,找到可启动的硬盘从硬盘的开头部分读入,MBR,（,Master Boot Record,，主引导记录）。硬盘的主引导记录（,MBR,）不属于任何一个操作系统，它先于所有的操作系统而被调入内存，其中包含已安装的操作系统位置和其他信息。磁盘开头部分包含的内容和顺序如图,1.21,所示。,图,1.21,磁盘开头部分示意图,1.3.2,载入启动文件,MBR,程序段的主要功能如下：,检查硬盘分区表是否完好。,在分区表中寻找可引导的“活动”分区。,将活动分区的第一逻辑扇区内容装入内存，在,DOS,分区中，此扇区内容称为,DOS,引导记录（,DBR,）。,Step 3.,MBR,从分区表找到活动分区（安装操作系统时会将存放启动文件的分区设为“活动”状态（,Active,），默认是第一个可用分区，而存放操作系统文件的分区可以是第一个分区或其他分区），在根目录查找和运行,NTLDR,，即,NT Loader,（文件系统加载器）。,1.3.3,运行操作系统,Step 1.,NTLDR,通过微型文件系统驱动找到硬盘上被格式化为,NTFS,或,FAT/FAT32,模式的文件系统的分区。,Step 2.,NTLDR,程序在完成初始化工作后，会从硬盘上读取,boot.ini,文件，并根据其中的内容判断计算机上安装了几个,Windows,（或,boot.ini,文件中记录的其他操作系统），以及安装位置。如果只安装了一个，,NTLDR,直接加载该操作系统。如果安装了多个，,NTLDR,就会根据,boot.ini,文件的记录显示一个操作系统列表，并默认持续,30,秒供用户选择，如图,1.22,所示。,图,1.22,操作系统选择菜单,1.3.3,运行操作系统,Step 3.,选择操作系统后，,NTLDR,执行,NTDETECT.COM,文件，它收集计算机所有硬件信息，包括总线类型、显卡、通信端口、,CPU,、可移动存储器、键盘、鼠标等，接着将硬件信息提交给,NTLDR,，并写入,Windows,注册表中。,Step 4.,读取系统内核文件并初始化设备驱动。,NTLDR,首先载入内核所需的底层设备驱动，然后根据注册表记载的信息载入相应的其他设备驱动并进行初始化。在此过程中,Windows XP,会显示如图,1.23,所示的,Logo,画面。,图,1.23,启动时的,Logo,画面,1.3.3,运行操作系统,tep 5.,开始启动高层子系统和服务，当所有这些操作都完成后，,Windows,的图形界面就显示出来了，键盘及其他,I/O,设备便可以使用了。接着,Winlogon.exe,进程被启动，至此用户可以开始登录，如图,1.24,所示。,图,1.24 Windows XP,登录界面,