打入PC内部

吴颖
1998年 第01期 07版

#1    现在计算机对大多数人来说，不再陌生而神秘，它正逐渐走进人们的生活，为人们所熟悉。尤其是随着技术的飞速发展，计算机已不再是一个单纯的工作机器，它正逐渐向消费机器过渡。比如说，在计算机中加个光驱和声卡、音箱，你就可以轻轻松松地欣赏音乐、打游戏；加上一套播放软件，还可以放VCD；装一个图文收视卡和一个股票分析软件，你可以把大户室搬进家中，在家炒股；装个MODEM，再办个“上网许可证”，足不出户便可以“遨游世界”；此外，计算机还可以用来打国际长途电话、收发传真……计算机究竟是一个什么样的机器，何以如此的“神通广大”，它的内部构造是怎么样的呢？
　　本文中我们将从微处理器、微型计算机和微型计算机系统这三个层次（如^010701a^）逐步深入计算机，了解它的基本组成。
#1计算机的大脑——微处理器
　　微处理器也称中央处理器CPU（Central Process Unit）。从功能上看，它包含运算器和控制器，是整个计算机的“中枢神经”。从结构上看，它至少应该包含以下几部分：
　　·算术逻辑部件ALU
　　·累加器和通用寄存器组
　　·程序计数器、指令寄存器和译码器
　　·时序和控制部件
　　其中：（1）ALU专门用于处理运算，可以进行加、减、乘、除等算术运算和与、或、非和异或等逻辑运算。低档一些的CPU不能做乘除运算；
　　（2）累加器和通用寄存器组用来保存参加运算的数据以及运算的中间结果，也用于存放地址；
　　（3）程序计数器存放下一条要执行的指令的地址。每取一条指令，计数器会自动指向下一条要执行的指令，指令寄存器和译码器的功能则分别是存放从存储器中取出的指令和对指令进行译码和分析；
　　（4）时序和控制逻辑电路负责接收由指令译码器译码产生的控制信号，然后将信号送至计算机的其它部件并协调这些部件工作。
　　上面所列出的只是CPU必须包含的部件，随着技术的不断发展，CPU从最初的4位微处理器发展到现在的32位微处理器，并加入了最新的MMX多媒体技术，今后还将向64位处理器发展，功能越来越强，速度越来越快，当然结构也越来越复杂。
　　以往的CPU都采用X86的形式标识，例如386和486等。但从486以后，INTEL公司的CPU的名字改用Pentium（相当于586），例如Pentium Pro，PentiumII等。目前较为流行的CPU有INTEL公司的Pentium、Pentium Pro和PentiumⅡ，它们最高的速度达到300MHz，此外还有AMD公司的K5、K6，以及Cyrix公司的6x86MX（M2），它们都是非常优秀的处理器。
#1微型计算机
　　微型计算机由CPU、存储器、输入输出（I/O）接口和系统总线构成。下面我们逐个介绍一下它们的功能：
#1    一、计算机中的“小仓库”——存储器
　　存储器用来存储信息，它可以分为两大类：一种是内部存储器，位于主机板上，简称内存或主存；另一类叫外部存储器，简称外存。CPU可以直接使用内存上的数据，而外存上的数据必须经由专门的设备送至内存，才能被CPU读写。
#1    1.内存
　　内存由于可以直接被CPU使用，一般采用速度较快的存储元件。但内存的数量并不是随意的，其大小通常会受到地址总线数量的限制。内存一般用来存放系统软件中的系统引导程序、监控程序和操作系统中的基本输入输出部分BIOS，以及当前所要运行的应用软件，而其余的系统软件和全部应用软件则在用到时再由外存调至内存。
　　按存取方式来分，内存主要有两种：随机存取存储器RAM（Random Access Memory），它即可读也可写；另一种是只读存储器ROM（Read Only Memory），顾名思义，它只能被读取而不能被写入。
　　（1）RAM具有易失性，一旦掉电，其中的内容会完全丢失，因而它一般用来存放从外存中读取的系统程序和应用程序。在程序运行过程中，中间结果一般放在RAM中，结束后又将最后结果送入外存，而RAM的可读写又允许其中的程序和数据随时被修改。RAM主要有两种：双极型和MOS型，后者又分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM），这两种RAM各有长处。静态RAM不需要刷新，因而快速，能适应总线定时的需要，但是比较贵；动态RAM需要刷新电路来保持存储的内容不会丢失，因而较慢，但是便宜。而高速缓存Cache则综合这二者的优点。它使用少量的静态RAM用作即时存储系统，而大量的DRAM用于慢的存储。这种技术允许整个系统用快速存储器来模拟，这样系统花了便宜的相当于动态RAM的价格却得到了相当于静态RAM的性能，它可以用^010701b^说明。
　　Cache可以被封存装入微处理器中或者在处理器之外。但芯片内的Cache（通常为256K）经常感到不足。于是可在芯片外也加上Cache。最常用的数据放在Cache中，而其余的数据则放在主存中，CPU在访问存储器时，首先会检查Cache中有无所需要的数据，如果没有则再访问主存。Cache越大，所需数据装得越多，则访问速度越快。
　　（2）ROM具有非易失性，即使掉电，它的内容也不会丢失。因此它常被用来存放系统启动程序、监控程序和BIOS。
　　当前内存技术发展得很快，常用的类型有EDO RAM扩充数据输出随机存储器，SDRAM同步动态随机存储器等。
#1    2.外存
　　我们平时在使用计算机时会有大量的应用软件和程序、数据要保存起来，而这些数据又经常需要修改，它们的保存仅仅依赖内存是完全不够的，而外存的作用正在于此。现在常见的外存有软盘、硬盘、数据流带和光盘。外存的一个重要特点是它们的数量不受限制，携带方便，给用户带来了很大便利。但它们也必须要有专门的驱动设备才能工作。
　　软盘分为高密度盘和低密度盘，从体积上看又分为3英寸盘和5英寸盘两种，它们必须在软盘驱动器中才能使用。
　　硬盘的存储容量很大，目前常用的有1GB到4.3GB。硬盘是最常用的外存，它必须和硬盘驱动器配合，目前最常用的硬盘驱动器接口有IDE接口、增强型IDE接口、SCSI接口。
　　光盘是最近几年才出现的一种外存。它兼有软盘、硬盘的优点，它像软盘大小，携带方便；但容量很大，约有几百兆字节，可以存放很多软件。光盘也必须在光盘驱动器中使用。
　　目前基于光盘的技术有两种，CD－ROM和MO技术。CD－ROM现在还只是只读技术，使用专门的驱动器允许一次性的写数据，然后可以多次读出；而MO技术则是真正的读写技术。
#1    3.选择存储器时应考虑的因素
　　（1）易失性：指断开电源后，存储器的内容是否丢失。RAM是易失性的，而ROM是非易失性的，外存一般是非易失性的。
　　（2）只读性。
　　（3）容量：表示方法：
　　　　　　存储单元数×每一单元的位数
　　例如，一片4K×1的存储器，表示每个存储单元是1位，共有4K个这样的单元。
　　（4）速度：存储器的速度是用存储器的访问时间来衡量的。访问时间是指存储器接收到稳定的地址输入到完成操作的时间，这主要取决于制作器件的工艺。
　　（5）价格：由两方面决定，一是存储器本身的价格，二是存储器模块中接口电路的价格。
#1    二、输入输出接口
　　输入输出接口主要用来连接主板和外设，分为并行接口和串行接口。
#1    1.接口的作用
　　外部设备为什么一定要通过接口电路和主板总线相连呢?能不能将外设和CPU的数据总线和控制总线直接相连起来呢?主要有以下原因。
　　（1）外部设备的功能是多种多样的，有输入设备也有输出设备，它们所使用的信息可能是数字型的，也可是模拟式的。由于计算机只能处理数字信号，因此非数字信号必须经过转换，使其成为对应的数字信号才能送到计算机总线。这种将模拟信号变为数字信号，或者反过来将数字信号的功能是由A/D、D/A接口完成的。
　　（2）对于数字式的外部设备，也并不是意味着可以直接和主机相连。一些外设的信息是并行的，而另一些则是串行的，而CPU只能接收和发送并行信息，因此串行设备必须通过接口将串行信息变为并行信息，才送给CPU；反之，CPU送出的并行信息也要变为串行信息才能送给串行设备，这种变换是由串行接口完成的。
　　（3）对于并行设备来说，也不能不用接口。因为CPU通过总线要和多个外设打交道，而在同一时刻CPU只能和一个外设交换信息，只有被CPU选中的外设才能接收数据总线上的数据或将外设信息送到数据总线上。因此即使是并行设备也同样要通过接口和总线相连。这部分功能是由并行接口完成的。
　　（4）速度不匹配。通常外设的工作速度要比CPU的速度低得多，而且各种外设的工作速度也不相同，因此接口对输入输出过程要起一个缓冲和联络的作用。
#1    2.接口的组成以及和主机、外设的连接方式
　　接口都应该包含一组寄存器，用于存放所要传送的不同类型的信息，这些寄存器也称I/O端口。它们分为三类：数据端口、状态端口、命令端口。接口的组成以及和外设、主机的连接方式可见^010701c^：
　　实际上，CPU对外设的输入输出操作是对接口各端口的读取操作。
#1    三、计算机的“动脉”——总线
　　总线在计算机中是很重要的，它的作用类似于“运输线”，在各个部件之间传送信息。根据所传送的信息的不同，又分为数据总线、地址总线、控制总线。
　　从总线所处位置来看，位于CPU芯片内部的，称为内部总线；与此对应，用来连接系统主要部件的，称为外部总线，而在外部总线中，将系统主机板内部的总线和其它插件板内部的总线称为局部总线，而连接主要系统部件的则称为系统总线。它们的关系可以用^010701d^表示：
　　在局部总线上挂有局部存储器和局部的输入输出接口，而系统总线上挂有公共存储器和公共的输入输出接口，这样就可以把很大一部分存储器读写操作和输入输出操作通过局部总线完成，只有在访问公共存储器和公共输入输出接口时，才用系统总线。局部总线减轻了系统总线负担，避免了“阻塞”现象。
　　目前常用的总线有ISA总线和EISA总线、MCA总线及VL总线，局部总线有PCI总线、USB总线。
#1微型计算机系统
　　在微型计算机基础上，加上系统软件和外设之后，就成了微型计算机系统。
#1    一、外设
　　外设的主要作用是实现数据的输入输出，我们现在常用的有显示器、打印机、磁盘控制器、鼠标、键盘、扫描仪、光盘控制器等。
#1    二、系统软件
　　系统软件包括操作系统和系统应用程序，例如编辑软件、汇编软件、编译软件、调试软件等，其中操作系统至关重要。操作系统是硬件和软件的接口，是计算机系统中的“管家”，负责管理计算机中的所有资源，协调各种操作。操作系统可分为单用户和多用户两种，主要功能有两方面，一是设备管理，管理显示器、键盘、磁盘、打印机、异步通信口等各种设备资源，二是文件管理，负责有关文件操作的管理。
　　目前流行的操作系统有DOS、UNIX、Windows95等。
　　经过上面我们对微型计算机系统的逐步的简要介绍，大家应该已经对计算机有了一个初步的认识。以后，我们将就计算机的每一个系统部件为读者作深入全面的讲解，帮助你更深入地认识计算机。