[高等教育]2007計算機組成與結構(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 據(jù)具體的要求，改變主機板上的連線 (預先設計好的跳線 )改變跳線時，如果稍有不慎，機器可能不能正常運行，甚至燒毀昂貴的 CPU。因此，主板生產廠家采用了無跳線技術，采用這種技術的PⅡ 主機板可以不用打開機箱就能自動設定 CPU所使用的電壓、總線頻率、 CPU倍頻等。 48 11 系統(tǒng)監(jiān)控。 PⅡ 主機板一般提供了諸如 CPU溫度監(jiān)控、過熱報警、自動降頻 (降頻可減少功耗 )、 CPU風扇轉速的監(jiān)測和調整、 CPU電源引針的電壓監(jiān)視等。上述功能一般由主板上的系統(tǒng)監(jiān)控芯片或上述的 CMOS芯片完成。 除此以外，某些主板還具有遠程開機、定時開機和鍵盤開機的能力。 以上介紹的主機板主要適用于臺式 PC機。 綜上所述，主板上主要裝配有 CPU，芯片組以及若干個插槽和外設接口插座。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 (PⅡ )中。 49 PC的分類 1. 臺式機 臺式機即是放在桌上使用的 PC機，前面介紹的微處理器以及主機板都適用于臺式機。 2. 便攜機 (筆記本 PC機 ) 將便攜機稱之為筆記本 PC機，是因為其外形像筆記本，一般表面面積相當于 A4紙大小，厚度在 3cm左右，重量約 3kg。其 CPU和臺式機一樣，從 80286升到 80486， Pentium再升到 PⅡ 。筆記本 PC機和臺式 PC機在系統(tǒng)結構和功能上已相差不多，由于它的實用性和便攜性而深受用戶歡迎。下面對筆記本 PC機的特點及其和臺式機的主要差別作一介紹。 50 (1) 筆記本 PC機的結構 最初的筆記本 PC機，大多采用“一體化”結構，將系統(tǒng)涉及的各種芯片及各種適配器都設計在一塊主板上，以縮小 PC機尺寸。其缺點是散熱性差，容易因機內溫度過高而引起故障，因此被模塊化結構取代。 “模塊化”將相對獨立的邏輯芯片組成部件獨立出來形成一個個模塊 (卡 )，將卡插入主機板上的插槽中，構成整機系統(tǒng)。這種結構雖增加了 PC機體積，但較好地解決了散熱問題，并增加了配置的靈活性。 51 隨著半導體工藝的進步，微處理器實現(xiàn)了體積、功耗更小的目標，為“全內置” (AllinOne)的實現(xiàn)奠定了基礎。全內置與一體化沒有本質的差別，散熱問題仍未解決。 從用戶需求出發(fā)，筆記本 PC機除了具有輕便、靈巧、多能和實用的特點外，還要求能夠變換其配置。于是將“全內置”和“模塊化”結合起來，全內置指的是將 CPU、內存盤控、串 /并接口、顯示適配器和 Modem等置于一塊主板上，模塊化則能方便更換機內配置以適應外出使用或不同應用的需要。例如將軟驅或光驅更換為硬盤或電池模塊等。 52 (2) 散熱問題 便攜機的散熱問題一直是設計人員密切關注的問題，一方面要降低發(fā)熱部件的發(fā)熱量，采取降低芯片的電壓等方法，例如 Pentium芯片內部運行電壓已降到 。另一方面則要加強散熱，目前人們使用的導流、散熱器以及排風扇技術正在不斷改進。 PC機能耗的降低意味著電池壽命的延長，便攜機在外出工作時，是依靠電池工作的。 (3) 顯示器 采用薄型輕量的平面顯示器，而不用臺式機的 CRT顯示器。 53 (4) 外設接口 (PCMCIA) PC機必備的串口和并口已做在主板上，在機箱后部有插座引出。因筆記本 PC機體積有限，一般不設置擴展槽，因而在 1984年為便攜式 PC機制定了一種外設接口標準，稱之為 PCMCIA。一般筆記本PC機有一個或多個 PCMCIA插槽，供各種外部設備相應的接口卡插入。 (5) 鍵盤 采用超薄型鍵盤，同時具有外接鍵盤接口，可外接臺式機的鍵盤。 54 3. 個人數(shù)字助理 (personal digital assistant,簡稱 PDA) (1) PDA的特點 PDA是一個面向廣大用戶的計算和通信的設備，它不同于其他類型計算機，具有以下特點： ① 體積小，重量輕，便于握在手中或放在口袋里。集計算和通信于一體，適合于移動辦公人員使用。 ② 具有適用的應用軟件。具有電子記事簿的功能，如日程管理、地址管理和電話號碼管理等。同時還提供文字處理軟件和電子表格軟件等。 55 ③ 具有通信能力。 PDA可外接或內置 modem(調制解調器 )，通過有線或無線方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 ④ 以筆輸入為主，并逐步向語音輸入發(fā)展。 ⑤ 降低電源功耗，配備高容量電池。 ⑥ 價格低廉。 目前世界上有許多公司推出了 PDA產品，美國和日本處于領先地位，但還沒有統(tǒng)一標準，各個產品具有各自的特點。 56 (2) PDA的類型 由于應用領域的不同，各種 PDA產品在性能上有較大差異，大致可分為以下四類： ① 筆式掌上機，有著與微機完全不同的使用對象，主要特點是強調筆輸入 (一般不帶鍵盤 )，配有良好的手寫體識別軟件，并內置有字處理和電子表格軟件；有的還具有 Inter聯(lián)網(wǎng)功能。 ② 掌上 PC機，是微縮的便攜式計算機，它的特點是與微型機兼容，以鍵盤作為主要輸入設備 (或兼有筆輸入 )，以 DOS作為操作系統(tǒng)，或以 Windows CE(consultor electronics)作為操作系統(tǒng)。 57 ③ 個人通信機，主要特點是帶有 modem和通信軟件，可通過有線或無線網(wǎng)發(fā)送或接收 Email(電子郵件 )和 Fax(傳真 )。 ④ 電子組織機 (electronic anizer),在 PDA中，組織機的功能最簡單，沒有操作系統(tǒng)，只能運行一些固定的應用軟件，用于管理和存放資料。例如，計劃管理、日程安排等，不具有通信功能。耗電量較少，電池壽命較長，價格較低。 (3) PDA的硬件 58 ① PDA的微處理器 (MPU) 要求 MPU芯片低成本、低功耗、小尺寸。因此其工作電壓低，多數(shù)工作在 。一般帶有電源管理單元，若一定時間不用 PDA，可自動關掉顯示器或某些部件的電源。 PDA的 MPU芯片上一般包含多種功能部件。例如，有的芯片上包含有圖形處理部件、電源管理部件、存儲控制部件和 LCD顯示接口等。 由于 PDA推出于 20世紀 90年代，當時 RISC結構已出現(xiàn)，因此有的公司推出的 MPU采用 RISC結構，有的仍采用 CISC結構。 59 ② 存儲器 由于受尺寸限制， PDA中沒有內置軟盤或硬盤驅動器，所有的軟件和數(shù)據(jù)都存放在 RAM和 ROM中，因此容量有限。 要解決 PDA的存儲容量問題，同時滿足體積小、容量大、耗電低、非易失、價格低的要求，快閃存儲器(flash RAM)是未來 PDA的一個解決方案。 60 ③ 通信部件 影響 PDA通信功能的因素是無線通信網(wǎng)、通信部件和通信軟件。所有通信部件，包括 modem可制在一張 PCMCIA卡上。需要注意的是， PDA對無線通信網(wǎng)提出了更高的要求，因為無線通信網(wǎng)當初建立時，不是為數(shù)據(jù)通信設計的，在傳送語音時，短暫的傳輸中斷并不影響效果，而在傳送 Email、 Fax或數(shù)據(jù)文件時，則不允許。另外，無線通信網(wǎng)種類很多，缺乏標準、傳輸率低、服務的覆蓋范圍有限，這些缺點還有待于克服。通信軟件的發(fā)展還更滯后一些，相對來說，通信部件還解決得比較好一些。 61 ④ 電池 便攜機和 PDA等移動計算和通信的設備中都需要配備有電池，對電池的要求是輕便、小巧和使用時間長。目前常用的電池主要有鎳鎘電池、鎳金屬氫化物電池和鋰離子電池。表 。 還有一種可重復充電的堿電池，其能量密度居中，介于鎳鎘電池和鋰離子電池之間，是 PDA中使用最廣泛的電池。 智能化電池就是在電池中集成了微控制器，用來監(jiān)視電池的運行狀態(tài)。 62 表 移動計算機中的電池 電池類型 重量能量密度 /瓦時/千克 體積能量密度 /瓦時/升 優(yōu)點 缺點 鎳鎘 40~50 80~125 大電流輸出 ,可過度充電 ,充電次數(shù)可達 500次 鎘材料對環(huán)境有污染 ,記憶效應明顯 鎳金屬 氫化物 50~60 100~170 記憶效應小 ,充電次數(shù)300~500次 易受到強充電電流損害 鋰離子 80~100 220~240 無記憶效應 ,充電次數(shù)500~800次 ,自放電率較低 易受到過度充、放電損害 63 4. 手持計算機 (HPC) 自 Windows CE成為 PDA的主流操作系統(tǒng)之后，在該領域出現(xiàn)了新的名詞 HPC，形成了筆式掌上機和掌上 PC兩類分支，集通信功能、個人信息處理和計算功能于一體。在中文 Windows CE推出后，解決中文信息處理中人機交互問題將是 HPC技術難點之一， HPC存放軟件的 ROM的容量也要擴大，至少需要 8MB。 64 家用 PC 目前普遍認為家用電腦是指能在家中使用的基于多媒體的、集工作、事務處理、娛樂和學習于一體的高性能個人計算機。由于其使用對象不是專業(yè)人員，因此還要求操作簡易。但是家用電腦還不是家用電器。家用電器通常是針對人們生活中特定需求而設計的。例如，電視機和電冰箱，其設計目標很明確，使用起來也極為方便，產品相對來說也比較穩(wěn)定。而與之形成鮮明對照的是，計算機功能多，且更新快。諸多功能需要通過硬件和軟件的配合才能實現(xiàn)，因而增加了用戶的使用難度。 65 嵌入式計算機（工業(yè) PC和軍用計算機） 嵌入式計算機是嵌入應用系統(tǒng)中的計算機。 嵌入式微處理器和通用微處理器最大的不同就是嵌入式微處理器多數(shù)工作在用戶自己設計的系統(tǒng)中，CPU廠商設計了許多具有外圍電路的 16位 /32位微處理器。例如， Motorola 68360是一個 32位內核的CPU，片內除集成了 CPU、存儲器、 DMA控制、DRAM控制、時鐘、異步串口和中斷等電路外，還集成了一個通信系統(tǒng)，可支持多種通信協(xié)議；還提供一個 10M以太網(wǎng)接口，為嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡管理計算機系統(tǒng)的連接提供了方便。 66 嵌入式微處理器最大并且增長最快的市場是手持設備、電子記事本、 PDA、手機等消費類電子產品。這些產品除了高性能外還要求很低的功率消耗，這是考慮到散熱和供電電池的工作壽命而提出的。 由于嵌入式微處理器應用范圍極為廣泛，要求各異，因此沒有一種結構的嵌入式處理器能滿足不同設計師的所有要求，采用 80 86看來是比較適宜的，因為它在性能價格比，開發(fā)難易程度，開發(fā)周期，硬件軟件的兼容性以及長期供貨保障等方面都具有無可比擬的優(yōu)勢。 67 通過采用高質量的開發(fā)工具，系統(tǒng)開發(fā)商可以減少軟件開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。開發(fā)工具的供應商在提供高效的編譯器和調試器方面加大了投資。80 86具有多種可互換的調試器，可以和不同的編譯器、仿真器和實時操作系統(tǒng)配合使用。用戶往往用 C語言或匯編語言編寫程序，因此需要通過編譯器將其翻譯成機器語言，同時需要在開發(fā)系統(tǒng)上調試程序，并修正其中的錯誤，開發(fā)系統(tǒng)提供的編譯、調試環(huán)境可以仿真用戶所開發(fā)的系統(tǒng)，稱之為仿真器。嵌入式系統(tǒng)所服務的對象往往需要實時控制。 68 嵌入式計算機一般具有以下特征： ① 功能和結構符合應用系統(tǒng)的要求。嵌入式計算機往往直接嵌入到所服務的對象 (如武器 )中，因此其功能與結構 (體積、形狀、重量 )要符合服務對象的要求及其所提供的環(huán)境。 ② 高可靠性和高安全性，維護簡單。 ③ 實時性 ——實時操作系統(tǒng)和實時應用系統(tǒng)。 ④ 直接與傳感器及執(zhí)行機構相連接。 ⑤ 硬件一般用單片機或單板機；在軟件方面，因程序固定，往往被固化在機內，人機界面簡單。 69 1. 嵌入式工業(yè) PC 嵌入式工業(yè) PC以其小型化體積，模塊化和組合化的靈活結構，豐富的過程控制能力，特殊的惡劣環(huán)境適應能力，良好的開發(fā)環(huán)境，方便的聯(lián)網(wǎng)能力和高可靠性，而被廣泛應用于工業(yè)控制中。 一般的 PC，如應用于環(huán)境條件差的工廠中，尚存在以下問題：① 主板尺寸大，散熱差；② 不能承受工廠中的震動和沖擊；③ 輸入輸出 (I/O)種類少，可擴展能力差；④ 不能防塵；⑤ 抗電網(wǎng)干擾能力差；⑥ 抗電磁干擾能力差；⑦ 溫度范圍窄；⑧ MTBF(平均無故障時間 )短；⑨ 故障檢測和自動排除故障的能力差等。 70 經過改造的工業(yè) PC，一般具有以下特點： (1) 全鋼、密封機箱，加強散熱、過濾器防塵。 (2) 系統(tǒng)功能分散到幾塊板上，減少板的尺寸，使維護和維修條件得到改善。 (3) 板上信號用多層地線隔離，均勻分布電容器，以增強抗電磁干擾能力。 (4) 采用半導體盤替代軟、硬盤，減少運動部分，增強防震能力。 (5) 增加 PC插槽數(shù)目，開發(fā)種類齊全的工業(yè) I/O板，給系統(tǒng)提供了較靈活的組合配置能力。 71 (6) 采用長壽命、高可靠的工業(yè)開關電源。 (7) 選擇溫度范圍寬的元器件，以適應工業(yè)現(xiàn)場的溫度范圍 (25℃ ～ +65℃ )。 (8) 采用容錯技術 (見 )。 2. 軍用嵌入式計算機 前面講到的嵌入式計算機特征以及有關嵌入式工業(yè)PC的描述同樣適用于軍用嵌入式計算機。以下僅對關鍵技術作一些補充。 72