17微型计算机系统

1.11.21.3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、TabletPC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．基本输入/输出系统基本输入/输出系统（BasicInputandOutputSystem，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-onSelfTest），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。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。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MicrosoftOffice、AdobePhotoshop、MacromediaFlash、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。1.2.1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。Intel4004/4040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Intel4004、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1MHz，平均指令执行时间约为20μs。（a）（b）图1.9Intel4004（a）和8008处理器（b）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2～4MHz，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Intel8080处理器的Altair计算机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。1978—1979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Intel8086/8088，Zilog公司的Z8000，以及Motorola公司的MC68000。它们的时钟频率为4～8MHz，平均指令执行时间为0.5μs，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Intel8088的IBM5150微型计算机，如图1.11所示，并将其称为PersonalComputer（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Intel8088处理器的IBM5150计算机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Intel80286、Motorola68010等16位高性能微处理器。1983年以后，Intel80386和Motorola68020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30～40MHz），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80486DX2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。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、PentiumPro、PentiumMMX、PentiumII、PentiumIII和PentiumIV，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。2005年以后，随着Intel公司推出第一个双核EM64T处理器PentiumEE和PentiumD，AMD公司也引入它的第一个双核AMD64Opteron服务器CPU和桌面型版本Athlon64X2，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IntelPentium586（a）到64位双核的AMDAthlon64X2（b）1．DOS操作系统DOS的全称是磁盘操作系统（DiskOperatingSystem）。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Windows3.0到WindowsNT/2000/XP/2003和WindowsVista的发展，最新的Windows7操作系统目前已通过Beta测试，进入RC（ReleaseCandidate，发行候选）阶段。如图1.13所示的系统启动界面展示了Windows的发展历程。图1.13Windows发展历程中的各个版本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1.14Linux有多个发行版苹果MACOS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MACOSX10.5（Leopard）操作系统，如图1.15所示，符合最新的UNIX系统规范第三版（UNIX03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1.15MACOSXLeopard的操作界面1.3.1硬件初始化1．打开电源后的处理Step1.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。Step2.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。Step3.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。2．加电自检（POST）并准备硬件Step1.POST过程大致为：加电→CPU→ROMBIOS→SystemClock→DMA→640KBRAM→IRQ→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1.16POST诊断卡Step2.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