第九章微计算机系统

第九章微计算机系统

本章主要内容 微计算机系统以微处理器为核心，以主板为主要部件。微处理器、存储器、通用I/O接口、总线接口、声卡、显卡网卡等都能被集成在主板上。主板结构的好坏与功能强弱直接影响了微机系统的性能。本章在介绍微机系统的基本组成时，比较详细的介绍了32位微机系统中比较常用的芯片集。

9.1 IBM PC/XT微机系统的基本组成 1.整体工艺该系统板是四层印刷电路板，外两层为印刷电路，内两层为印制电源与地线，直流电源为+5V，+12V，-5V，-12V的电源信号通过两个6脚插头送入系统板。5芯圆形键盘插座，3针扬声器插座。8个62线印制板插槽J1~J8作为I/O通道，用来汇集插入IBM PC/XT系统中的扩展卡。其中J8与其他插槽不同，要求用卡选中信号进行响应。双列直插组合开关DIP，8位开关用于控制8255A-5芯片读入，为系统软件提供系统设置的若干信息。

9.1 IBM PC/XT微机系统的基本组成 2.功能模块划分 • 处理器子系统 • 只读存储器子系统 • 随机存储器子系统 • I/O接口 • I/O通道

9.1 IBM PC/XT微机系统的基本组成 3.控制核心 Intel 8088微处理器 8087协处理器 8284时钟发生驱动器 8288总线控制器地址锁存器数据收发器

9.1 IBM PC/XT微机系统的基本组成 4.控制模式在IBM PC/XT中，8088工作于最大模式，系统读/写控制信号由处于系统总线工作方式的8288产生。为了提高数值计算的速度，可以插入8087.同时系统允许使用DMA方式加快数据传输速度。

9.1 IBM PC/XT微机系统的基本组成 5.基本配置 IBM PC/XT的I/O通道有8个62线插槽，可以插入各种扩展板卡，以配置PC/XT系统的基本组成和扩展功能。基本配置包括RAM扩展板、显示适配器、串行适配器、并行适配器、软盘控制器、硬盘控制器。 RAM：系统板258KB，扩展板384KB Centronics并行接口（并行打印机适配器）彩色图形适配器（CGA）和彩色监视器软盘控制器和软盘驱动器硬盘控制器和硬盘驱动器

9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成 1.功能模块划分 MPU PIC DMAC PIT 并行I/O ROM RAM

9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成 2.MPU PC/AT主机板的核心是80286微处理器单元（MPU），程序指令均在MPU中执行。微处理器产生地址、数据、状态和控制信号，即为芯片总线。芯片地址线通过锁存和缓冲方式转换成24位系统地址总线（SA），芯片数据线通过锁存和缓冲方式转换成24位系统地址总线，芯片数据线通过缓冲方式转换成16位系统数据总线。

9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成 3.总线系统地址线与ROM/IO地址缓冲器相连，扩展地址总线（XA）由ROM存储器和I/O外围电路共用。系统数据总线经RAM/ROM数据总线转换电路转换成存储器数据总线（MD）。系统数据总线低8位经I/O数据总线转换电路转换成8位扩展数据总线（XD），扩展数据总线是所有I/O设备的数据通路。

9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成 4.同步时钟信号使微处理器和微机内其他设备之间的操作实现同步。在开机加电时，时钟电路生产加电复位信号用于初始化微处理器和外围电路。时钟电路和等待逻辑电路一起用于使MPU与外围慢速电路同步。

9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成 5.RAM PC/AT机主板上有256K RAM，使用128Kx1位的动态RAM芯片，如果用256Kb的DRAM芯片可扩展到512KB。 RAM子系统包括奇偶检验逻辑电路。这个电路为所有写入RAM的数据加上一个奇偶校验位。此外，从RAM读出数据时要进行奇偶校验，一旦发现错误，奇偶校验逻辑电路通过PCK信号向系统报告。

9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成 6. LSI外围电路 8237A DMA控制器 8254 PIT 8259A PIC

9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成 • 为了支持高速存储器数据传送和I/O数据传送，PC/AT系统板上有两个8237A DMA控制器。DMA控制器1、2各包含4个DMA通道。

9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成 • 在PC/AT系统中，基于8254的定时器电路模块提供与时钟有关的各项功能与信号。在8254PIT中含3个16位定时器。

9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成 • PC/AT系统中的I/O通道是ISA总线，由地址线、数据线、控制线、电源线组成。通过I/O通道完成对系统扩展的支持。

9.2 IBM PC/AT微机系统的基本组成 7.IBM PC/AT对PC/XT的改进（1）对系统主板内几个主要I/O控制模块的改进 • 系统配置选择方法上的更改 • 键盘接口部分的改动 • 增加了实时时钟（2）对控制器和外设的改动及扩充 • 对软/硬盘控制器的改动 • 对串/并行接口适配器的改动 • 对键盘的改动 • 对内存扩充卡的改动 • 使用增强图形适配器（EGA）

9.3 80386微机系统的基本组成 • 在32位微机系统中，为了简化设计，使用了许多专用集成电路。这种设计方法的基础是开发具有高集成度的外围集成电路芯片。开发外围集成电路芯片的目的是在提高主板功能的同时，降低电路的复杂性和造价。

9.3 80386微机系统的基本组成 • 82340芯片集 82340芯片集中有4块芯片，负责完成主板上的大部分功能，若再加上少量其他集成电路，就可完成一块386微机主板的功能。主要功能模块： 80386DX CPU 80387DX数字协处理器 82385DX高速缓存控制器 82345 数据缓冲器 82346 系统控制器 82344 ISA控制器

9.3 80386微机系统的基本组成 2. 80386DX微机控制核心 80386微机主板控制核心由80386DX、80387DX、80385DX Cache控制器及Cache阵列等组成。80386DX的地址线A2～A31以及控制电路与82385DX相应的引脚直接相连， 80386DX的数据线与80387DX的数据线相连。

9.3 80386微机系统的基本组成 3.82345数据缓冲器 82345数据缓冲器是一片VLSI芯片，可对数据总线上的数据进行缓冲，也可以进行总线切换。同时可产生奇偶校验码，并可进行奇偶校验。由高密度128引脚塑制方形扁平封装。

9.3 80386微机系统的基本组成 4. 82346系统控制器在80340芯片集中，82346VLSI是系统控制器。系统控制器与80386DX局部总线、ISA总线、82345数据缓冲器以及82344 ISA控制器均相连。其功能包括产生时钟信号，产生DRAM阵列的操作地址，为主板存储器提供控制信号，为MPU提供复位信号，提供数字协处理器与80386DX接口。

9.3 80386微机系统的基本组成 5. 82344 ISA控制器 82340芯片集中有3个芯片与CPU局部总线及ISA总线均相连，82344 ISA控制器是其中之一，也是VLSI芯片，其封装形式为160引脚PQFP形式。该芯片通过CPU局部总线与82386DX的地址缓冲输入端相连，同时通过82344/82346通信接口线与82346系统总线控制器相连。其重要功能是提供ISA总线的大部分信号，同时，在系统使用BIOS EPROM芯片及驱动扬声器发声时，根据数据宽度选用8位或16位数据总线。

9.3 80386微机系统的基本组成 6. 82341 高集成度外围组合 82341芯片完成了大量的PC/AT微机所需的外设功能，芯片中有两个16C450异步串行通信口、一个并行打印机端口、一个实时时钟、一个暂存RAM、一个键盘/鼠标控制器、一个IDE硬盘接口及可编程片选电路。封装形式为128引脚PQFP。

9.4 80386/80486 EISA微机系统 1.EISA总线 EISA总线是一种开放型总线，它与PC总线及ISA总线兼容，Intel公司为EISA总线扩展槽提供了配套芯片组。许多高性能80386/80486微机大都采用了EISA总线，在EISA扩展槽上可以安装网卡、SCSI接口和图形控制器等高性能、高处理速度的智能板，使整个微机系统可以用作较高速的网络服务器或CAD开发机。

9.4 80386/80486 EISA微机系统 2.主要功能模块 82352 EBB 82358 EBC 82357 ISP 中断控制器定时/计数器 DMA控制器 NMI信号产生电路

9.5 Pentium微机系统 Pentium微机系统由主板及其部件以及软盘、硬盘、光盘驱动器、显示器和键盘等外设构成。 1.主板结构主板是由一块多层印制电路板、集成电路及各种总线插槽和接口组成。主板上有3个PCI和4个ISA插槽。同时主板还具有软盘驱动器接口FDC、通用串行总线接口USB、并行打印机接口、COM1和COM2、鼠标接口PS/2、4个72线内存条插槽SIMM、168线内存条插槽及键盘接口等。

9.5 Pentium微机系统 2.主板工作原理 PCMC、LBX、SIO组成了CPU的外围芯片组，直接与CPU进行通信，并代表CPU处理CPU对内存、外部Cache、PCI卡、ISA卡及硬盘等外设的操作。PCMC外围芯片的功能是管理PCI总线、外部Cache及内存，集成了外部Cache控制器、Cache标签存储器和DRAM控制器。两片局部总线加速器芯片LBX与PCMC一起将CPU总线变为PCI总线。系统I/O芯片SIO用来将PCI总线变为标准ISA总线，并负责多个ISA设备的仲裁。

9.5 Pentium微机系统 3.外部设备奔腾微机的外部设备主要包括：高速硬盘（850MB～2.1GB），通过EIDE接口直接与PCI总线相连；PCI图形加速卡（显示适配器）用来连接SVGA彩色显示器；两个软盘驱动器（3.5英寸/1.44MB和5.25英寸/1.2MB各一个）通过34芯扁平电缆连至主板FDC插座，并行打印机通过25芯电缆连至主板上LPT插座。

9.5 Pentium微机系统 4. 显示器与键盘奔腾微机采用PCI显示卡及SVGA型60Hz逐行扫描先测显示器，分辨率为1024x768或更高。当更换显示卡或显示器时，应对BIOS有关参数进行重新设置。奔腾微机中的键盘与PC/AT机键盘兼容，采用101键或104键，并有8048单片机实现键扫描及控制，并将键值送主机，从而完成键盘命令的执行。

9.6 64位计算机系统 • 1. 64位计算机系统 • 64位计算机是指CPU GPRs（General-Purpose Registers，通用寄存器）的数据宽度为64位，64位指令集就是运行64位数据的指令，也就是说处理器一次可以运行64bit数据。 • 64bit处理器并非现在才有的，在高端的RISC很早就有64bit处理器了，比如SUN公司的UltraSparc Ⅲ、IBM公司的POWER5、HP公司的Alpha等。

9.6 64位计算机系统 • 64bit计算主要有两大优点：可以进行更大范围的整数运算；可以支持更大的内存。不能因为数字上的变化，而简单的认为64bit处理器的性能是32bit处理器性能的两倍。 • 目前主流CPU使用的64位技术主要有AMD公司的AMD64位技术、Intel公司的EM64T技术、和Intel公司的IA-64技术。其中IA-64是Intel独立开发，不兼容现在的传统的32位计算机，仅用于Itanium以及后续产品Itanium 2，一般用户不会涉及到，因此这里仅对AMD64位技术和Intel的EM64T技术做一下简单介绍。

AMD64位技术 • AMD64的位技术是在原始32位X86指令集的基础上加入了X86-64扩展64位X86指令集，使这款芯片在硬件上兼容原来的32位X86软件，并同时支持X86-64的扩展64位计算，使得这款芯片成为真正的64位X86芯片。这是一个真正的64位的标准，X86-64具有64位的寻址能力。

EM64T技术 • Intel官方是给EM64T这样定义的：EM64T全称Extended Memory 64 Technology，即扩展64bit内存技术。EM64T是Intel IA-32架构的扩展，即IA-32e（Intel Architectur-32 extension）。IA-32处理器通过附加EM64T技术，便可在兼容IA-32软件的情况下，允许软件利用更多的内存地址空间，并且允许软件进行32 bit线性地址写入。 • EM64T特别强调的是对32 bit和64 bit的兼容性。Intel为新核心增加了8个64 bit GPRs（R8-R15），并且把原有GRPs全部扩展为64 bit，如前文所述这样可以提高整数运算能力。增加8个128bit SSE寄存器（XMM8-XMM15），是为了增强多媒体性能，包括对SSE、SSE2和SSE3的支持。

64位CPU • 目前AMD方面支持64位技术的CPU有Athlon 64系列、Athlon FX系列和Opteron系列。Intel方面支持64位技术的CPU有使用Nocona核心的Xeon系列、使用Prescott 2M核心的Pentium 4 6系列和使用Prescott 2M核心的P4 EE系列。

9.6 64位计算机系统 2. AMD Opteron(皓龙) 芯片工艺0.13 微米，具有2级Cache，采用陶瓷封装方式，电压1.5V 内存通道：双通道DDR－400 内存型号：ECC / Registered DDR 内存带宽：6.4 GB/s / 12.8 GB/s (w/ NUMA aware OS) 支持的指令集：MMX, 3DNow!, SSE, SSE-2, X86-64 引脚类型：Socket-940 12级整数操作流水线和17级浮点操作流水线

9.6 64位计算机系统 • Opteron”源自于拉丁文optimus——“最佳”的意思，它可以表达性能最好、最高的含义，它还含有灵活性、选择的意思。 • Opteron微架构对32位X86软件提供固有支持的同时，又提供了灵活的升级途径来实现对AMD64架构的支持。Opteron处理器架构的设计是以“为用户提供新一代性能”为首要目标。要达到这一目标，需要在微架构的每时钟周期性能与处理器频率扩展能力之间实现良好的平衡，只有在两者都得到提高的同时，用户才真正可以得到由处理器结构改进而带来的真实性能的提升。

9.6 64位计算机系统 • Opteron处理器改变了前一代(第七代)处理器的底层流水线结构，与前一代的微架构相比，Operon多出了两级管道，也就是说该产品拥有了12级整数操作流水线和17级浮点操作流水线，而更深的流水线使新一代的微架构拥有了更高的工作频率。Opteron处理器最初采用0.13微米SOI(Silicon on Insulator，绝缘硅)的工艺进行生产，而后来的产品采用90nm的工艺生产。

9.6 64位计算机系统 • 第一款基于X86架构的64位处理器 • 在同一个芯片上运行32位和64位x86应用程序 • 如需对AMD64架构深入了解，请参阅http://www.x86-64.org/documentation_folder/white_paper.pdf AMD64技术白皮书”。 • 在www.x86-64.org 中另有详细的AMD64指令集架构技术资料。

9.6 64位计算机系统 3. Intel Nocona Xeon(至强) • 扩展内存64位技术(EM64T) 在原x86指令集的基础上，增加了64位扩展，把寄存器也扩展到了64位。64位扩展包括64位模式和兼容32/64位模式 • 全新的LDT(闪电数据传输总线)，把LDT控制器建于北桥芯片，再把所有PCI控制器移入南桥芯片，这种设计可以使北桥芯片和南桥芯片之间的数据带宽达到6.4GB/s

9.6 64位计算机系统 芯片工艺0.09 微米，具有2级Cache，采用有机物封装方式，电压1.4V 内存通道：双通道DDR2－400 内存型号： ECC / Registered DDR2 内存带宽：6.4 GB/s 支持的指令集：MMX, SSE, SSE-2, SSE-3, X86-64 引脚类型：Socket-604

9.6 64位计算机系统 • Opteron 250 2.4 GHz处理器和 "Nocona" 3.4 GHz Xeon

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9.6 64位计算机系统 4. AMD Turion (炫龙) 0.09 微米SOI制造工艺Taylor核心，核心面积约为172.1平方毫米晶体管数量达到了1.538亿个具有2级Cache 核心电压1.075V最高功耗25W

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9.6 64位计算机系统 5. Intel Merom 移动平台双核心处理器基于全新的Core(酷睿)微架构核心仍然采用65nm制造工艺核心电压为1.3V左右封装方式采用PPGA 接口类型为Socket 478/479接口

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9.6 64位计算机系统 6. 龙芯计划 2002年9月28日，中国第一颗通用式处理器芯片—“龙芯1号”发布，结束了我国在计算机关键技术领域的“无芯”历史。“龙芯1号”是一款32位微处理器，采用0.18微米工艺，CMOS工艺制造，包含近400万个晶体管，具有良好的低功耗特性，平均功耗0.4瓦，最大功耗不超过1瓦，主频最高可达266MHz。“龙芯一号”处理器是一款既兼顾通用又有嵌入式CPU特点的新一代32位处理器，拥有32位MIPS指令系统，并采用一套简单高效的动态流水线，支持乱序执行和精确中断处理，可以在大量的嵌入式应用领域中使用。从技术和应用的角度来看，“龙芯一号”与主流CPU产品还有着很大的差距，仅相当于中端Pentium2的水平。

9.6 64位计算机系统 2005年4月26日面世的“龙芯2号”是国内首款64位高性能通用CPU芯片。“龙芯2号”仍采用0.18微米CMOS工艺制造，最高频率可达到500MHz，功耗3～5W，支持64位Linux操作系统和X-window视窗系统， “龙芯2号”可以媲美IntelPentium3，超过1.3GHz的威盛处理器的2至3倍。龙芯2号的主要应用目标是Linux桌面网络终端、低端服务器、网络防火墙、路由器交换机、多媒体网络终端机、无盘工作站等。

9.6 64位计算机系统 龙芯二号增强型处理器（简称“龙芯2E”）是中国科学院计算技术所研制，具有自主知识产权的64位高性能通用处理器，龙芯2E的最高频率达到1GHZ，最高双精度浮点运算速度每秒39.93亿次。龙芯2E采用四发射的动态超标量超流水线结构，实现了先进的寄存器重命名、动态调度、以及非阻塞的高速缓存访问等乱序执行技术。龙芯2E片内含64KB一级指令高速缓存访问等乱序执行技术。龙芯2E片内含64KB一级指令高速缓存、64KB一级数据高速缓存、以及512KB二级高速缓存，片内还集成有DDR内存控制器。

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