Linux入职基础-4.1_简介微型计算机的组成结构

简介现代微型计算机的组成结构我们在办公室或许多业务处理场所，一般都能见到现代微型计算机（PC机）的使用场景，作为一个Linux运维工程师角色，你一般都有打开过主机机箱的经验，见到如下图。
 


本节，重点了解硬件组成，主要是其中的主板、CPU、内存、硬盘及I/O等硬件。
一、主板
  
  


对照上图，已经看到了一块主板主要由线路板和它上面的各种元器件组成。先认识下常见的主要元器件（如表一）
表一：

序号	元器件名	序号	元器件名	序号	元器件名
1	线路板	7	ATA接口	13	网卡芯片
2	CPU插座	8	软驱接口	14	IDE阵列芯片
3	芯片组	9	电源插口	15	频率发生器芯片
4	内存插槽	10	BIOS及电池
5	PCI总线插槽	11	I/O控制芯片及外部接口
6	AGP总线插槽	12	声卡芯片

1、线路板（亦称PCB印制板）
线路板实际是采用铜箔走线，由几层树脂材料粘合在一起的印制电路板。一般分有四层，最上和最下的两层是信号层，中间两层是接地层和电源层，将接地和电源层放在中间。而一些质量要求较高的6~8层或更多。
主板制作过程如下：绘出在PCB板上零件间+联机的布线、用粘剂压合，进行接插元器件所需的钻孔与电镀，在孔璧内部作金属处理，让内部的各层线路能够彼此连接，最后将芯片和各种元器件“焊接上去，这样过程就制造出一块成品的主板来。
2、CPU插座
CPU插座就是主板上安装处理器的地方。CPU需要通过某个接口与主板连接的才能进行工作。CPU经过这么多年的发展，采用的接口方式有引脚式、卡式、触点式、针脚式等。CPU接口类型不同，在插孔数、体积、形状都有变化，所以不能互相接插。主流的CPU插座主要有Socket370、Socket 478、Socket 423和Socket A几种。



依序为Intel CPU插槽Socket478、LGA 775和LGA 1366 CPU插槽, 用触点连接方式代替针脚式接口。CPU工作逻辑结构图：



3、芯片组
芯片组(Chipset)是主板的核心组成部分，它是与处理器保持同步的。芯片组是主机板的灵魂与核心,芯片组性能的优劣,决定了主机板性能的好坏与级别的高低。按照在主板上的排列位置的不同，通常分为北桥芯片和南桥芯片。
intel北桥系列有: intel82810E; intel82815EP; intel82845; intel82845D; intel82845E;intel82845G; intel82865PE; intel875P; intel915P; intel925P; intel955.
Intel南桥系列有Intel82801BA；Intel82801AA；Intel82801DB；Intel82801EB；Intel82801FR；IntelICH7R等。
南北桥芯片组的工作逻辑原理图：



北桥另一个重点是存贮器控制器，直接决定支持的存贮器种类和时脉，时脉的部分，就是由CPU的外频，乘上北桥里控制器内附的比值，计算出存贮器时脉。比如 CPU的外频是266，北桥设置的比值是1:1.5，那存贮器的真实时脉就会是266x1.5=400MHz，DDR之后就是800MHz。
南桥主要负责支持键盘控制器,USB接口,实时钟控制器,数据传递方式和高级电源管理,南桥芯片损坏后的现象也多为不亮,某些外围设备不能用。
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芯片分类	图片	作用
北桥芯片 如：             82875P(Intel) KT400(VIA)	离处理器近的一块芯片,主要负责用于与CPU、内存和AGP视频接口之间的通信。
南桥芯片 如: ICH5(Intel) VT8235(VIA)	离    处理器比较远,主要用来管理低、中速的组件，如PCI总线、ATA、SATA硬盘接口、LAN 、USB端口等。

[/align]4、内存插槽
主板上用来安装内存的地方。目前常见的内存插槽为SDRAM内存、DDR内存插槽。
 


用不同颜色区分就更加方便用户配置双通道，只需要将两条完全一样的DDR内存插入到同一颜色的内存插槽中即可。现在几乎所有支持双通道内存的主板都采用这样的颜色标注方法。
5、PCI插槽及总线
PCI插槽的作用：它为显卡、声卡、网卡、电视卡、MODEM等设备提供了连接接口。它是由Intel公司推出的一种局部总线。PC机上的系统总线又可分为ISA、EISA、MCA、VESA、PCI、AGP等多种标准。
总线就是连接多个功能部件的一组公共信号线，一般由数据总线、地址总线、控制总线组成。
数据总线：由双方向的多根信号线组成，CPU可以沿这些线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外设送出数据。是外部设备和总线主控设备之间进行数据传送的数据通道。
地址总线：单方向的多根信号线组成，用于CPU向主存、外设传输地址信息的通道。
控制总线：专供各种控制信号传递的通道，传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存/外设反馈给CPU的状态信号。总线操作的各项功能都是由控制总线完成的。
总线工作逻辑结构图：
内部总线：I2C总线 、SPI总线 、SCI总线等；
系统总线：ISA总线、EISA总线、VESA总线 、PCI总线、AGP总线等；
外部总线：RS-232-C总线、RS-485总线、IEEE-488总线、USB总线等。
ISA总线：
ISA总线的主要特点和性能指标:8位ISA扩展I/O插槽由62个引脚组成，用于8位的插卡；8/16位的扩展插槽除了具有一个8位62线的连接器外，还有一个附加的36线连接器，这种扩展I/O插槽既可支持8位的插卡，也可支持16位插卡。
PCI总线：
目前该总线可分为PCI１.0和PCI 2.0。PCI1.0为32位总线，时钟频率33MHz，总线最大传输率132MB/S，而PCI 2.0为64位总线，时钟频率66MHz，最大传输率264MB/S。其特点：在CPU和外设之间插入了一个复杂的管理层，以协调数据传输并提供总线接口。
微型总线接口：
在笔记本电脑中，由于空间的限制采用一种专用的微型总线接口——PCMCIA，主要是应用于网卡、Modem板卡之类，与其它设备连接的话（如电话线、网线等），都需要一条转接线。
6、AGP总线及插槽
AGP总线接口，它是专门从PCI接口中分离出来的，独立直接与主板的北桥芯片相连，避免经过窄带宽的PCI总线而形成系统瓶颈，只有图像数据才能通过AGP端口，使用了更高的总线频率（66MHz），它拥有很高的传输速率，主要针对图形显示方面进行优化，专门用于图形显示卡。AGP插槽通常都是棕色。
AGP图形加速端口是专供3D加速卡(3D显卡)使用的接口。AGP接口主要可分为AGP1X/2X/PRO/4X/8X等类型。现在有 AGP4×的显示卡（例如Savage4），它的最大理论数据传输率将达到1056MB/s。
最新的接口标准，那就是PCI-Express。PICExpress的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括PIC X1、X4、X8、X16、X32、几种模式（X2模式将用于内部接口而不是插槽模式），而且较短的PCI Express 卡可以插入较长的PCI Express插槽中使用。
另外，在规范中PCI Express总线接口支持热拔插。用于取代AGP总线接口规范的PCE Express*16接口带宽为5GB/s，即使排除编码上的损耗也依然能达到4GB/s左右的实际带宽，也远远超过了AGP 8X的2.1GB/s的带宽。
7、ATA接口
ATA接口是用来连接硬盘和光驱等设备而设的。主流的IDE接口有ATA33/66/100/133。
ATA33又称Ultra DMA/33，它是一种由Intel公司制定的同步DMA协定，具备33MB/S的传输速度。ATA66/100/133则是在Ultra DMA/33的基础上发展起来，具备66M/S、100M/S、133M/S的传输速度。
Serial ATA即串行ATA插槽，它是一种完全不同于并行ATA的新型硬盘接口类型，它用来支持SATA接口的硬盘，传输率可达150MB/S，300M/S（SATA II）。
SATA工作逻辑结构图
8、软驱接口
驱接口共有34根针脚，用来连接软盘驱动器的。
9、电源插口
电源插座主要有ATX电源插座，采用20口的防插反设计
10、BIOS及RTC电路
BIOS(BASIC INPUT/OUTPUT SYSTEM)基本输入输出系统，是一块储存了系统设备信息设置和装入了系统启动和开机上电自检程序的EPROM或EEPROM集成芯片。
实际上它是被固化在计算机ROM(只读存储器)芯片上的一组程序，为计算机提供最低级的、最直接的硬件控制与支持。如日期、时间、磁盘数量与型号、内存数量等，系统将这些信息存储在某个可读/写RAM芯片上，而这个芯片是以CMOS半导体生产的，因此便称为“CMOS”。
    目前市面上较流行的主板BIOS主要有AwardBIOS、AMI BIOS、Phoenix BIOS三种类型。除此而外，在BIOS芯片附近一般还需要有一块电池组件，它为BIOS提供了启动时需要的电流。
RTC电路：RTC即实时钟控制电路,它主要分为3个部分,一个是晶体(32.768KHZ)电路,一部分为供电电路,一部分是集成在南桥内部,它的作用是保存系统时钟和CMOS设置。
BIOS工作逻辑结构图
例如进入AWARD BIOS程序：开启计算机或重新启动计算机后，在屏幕显示“Waiting……”时，按下“Del”键就可以进入CMOS的设置界面。进入后可以用方向键移动光标选择CMOS设置界面上的选项，然后按Enter进入子菜单，用ESC键来返回父菜单，用PAGE UP和PAGE DOWN键来选择具体选项，F10键保留并退出BIOS设置。
11、I/O控制芯片及外部接口
在微型计算机系统中，数据总线上传送的数据更新速度很快，由于内存储器相对于外设属高速设备，且数据也是二进制形式，所以，通常直接与系统总线相连，而外设则由于低速，一般还是模拟量等原因，通常不能直接相连，必须隔离，这个工作由I/O接口担当。
常见的I/O控制芯片有华邦电子(WINBOND)的W83627HF、W83627THF系列，ITE等。
I/O控制芯片(输入/输出控制芯片)提供负责软驱口，键盘，鼠标，串口，并口的数据传输，以及CPU风扇等的管理与支持。常见的对应外部接口设备，如下图：

“4”号位置	键盘和鼠标接口，绿色的这个接口为鼠标接口，而紫色的这个为键盘接口。
“5”号位置	并行接口，通常用于老式的并行打印机连接，正在被USB或IEEE 1394接口所取代。
“6”号位置	串行COM口，它主要是用于以前的扁口鼠标、Modem以及其它串口通信设备，它的不足之处也是数据传输速率低，也将被USB或IEEE 1394接口所取代。
“7”号 “9”号	串行接口（是USB接口），目前最新的标准是2.0版，理论传输速率可达480MB/s。目前如Modem、打印机、扫描仪、数码相机等采用这种设备接口。
“8”号位置	IEEE 1394接口，目前最新版本仍为IEEE 1394 95a版，最高传输速率为400MB/s，但它的IEEE 1394 b版将达到1.6GB/s的传输速率。 它与USB类似，在一些高档设备中应用普遍，如数码相机、高档扫描仪等。
“10”号位置	是指双绞以太网线接口，也称之为“RJ-45接口”。
“11”号位置	是指声卡输入/输出接口，这也要在主板集成了声卡后才提供的，不过现在的主板一般都集成声卡，所以通常在主板上都可以看到这3个接口。

I/O接口芯片主要用来控制一些I/O接口功能设备的正常运行.分担南桥所管理的一些外围设备，减轻南桥的工作负荷，使南桥有更多时间处理其他数据请求，加速计算机运行。I/O IC一般采用+5V和+3.3V以及+3.3V的待机电压供电。一般的I/O IC主要管理的外设有FDD、COM口、LPT头等。
12、声卡芯片
主板上集成的AC97声卡芯片主要可分为软声卡和硬声卡芯片两种。所谓的AC'97硬声卡，是在主板上集成了一个声卡芯片(如创新CT5880和支持6声道的CMI8738等)，这个声卡芯片提供了独立的声音处理，最终输出模拟的声音信号。这种硬件声卡芯片相对比软声卡在成本上贵了一些，但对CPU的占用很小。
声卡芯片工作逻辑结构图
13、网卡芯片
现在很多主板都集成了网卡。在主板上常见的整合网卡所选择的芯片主要有10/100M的RealTek公司的8100(8139C/8139D芯片)系列芯片以及威盛网卡芯片等。一些中高端主板还另外板载有Intel、3COM、Alten和Broadcom的千兆网卡芯片等，如Intel的i82547EI、3COM 3C940等等。
   


14、IDE阵列芯片
一些主板采用了额外的IDE阵列芯片提供对磁盘阵列的支持。例如Promise公司的PDC20276/20376系列芯片，SILICON公司的 SIL312ACT114芯片，均能提供支持0，1的RAID配置，具自动数据恢复功能。
  SIL312ACT114芯片 
15、频率发生器芯片
频率也可以称为时钟信号，频率在主板的工作中起着决定性的作用。时钟信号首先设定了一个基准（晶振:输出基准14.318MHZ频率），我们可以用它来确定其它信号的宽度，另外时钟信号能够保证收发数据双方的同步。
主板电路由多个部分组成，每个部分完成不同的功能，而各个部分由于存在自己的独立的传输协议、规范、标准，因此它们正常工作的时钟频率也有所不同，如CPU的FSB可达上百兆，I/O口的时钟频率为24MHz，USB的时钟频率为48MHz，因此这么多组的频率输出，不可能单独设计，所以主板上都采用专用的频率发生器芯片来控制。
时钟控制IC输出的各种频率是由14.318MHZ晶振提供的基准振荡频率进行分频和倍频得到的,然后传送到主机板上的各个设备,让各个设备可以正常地运行。
 时钟频率发生器工作逻辑结构图：
现时钟生产厂商有如下几种:RTM,ICS,CY等，主机板时钟常见的型号有：
(1)ICS系列:950213AF,93725AF,950228BF,952607EF等。
(2)其它系列:W211BH;W83194BR,RTM560;RTM360等。
例如ICS 950224AF时钟频率发生器，是在I845PE/GE的主板上得到普遍采用时钟频率发生器。
该时钟控制的主要信号：
(1)  输出AGP图形卡需要的66MHZ时钟频率。(2)  一般情况下输出33MHZ的PCI BUS时钟。(3)  输出南桥需要的33MHZ,24MHZ时钟和控制USB的48MHZ的专用时钟频率。(4)  输出BIOS需要的33MHZ的工作时钟。(5)  输出I/O需要的33MHZ,24MHZ或100MHZ工作时钟频率。(6)  输出AC’97IC需要的24.576MHZ时钟(有的则不需要时钟控制IC供给,由自身24.576MHZ晶振提供)。(7) 输出PCIE设备需要的100MHZ时钟频率。(8) 输出内存的频率,依据芯片组不同。(9)输出CPU的频率，随CPU外频的不同,如:100MHZ,133MHZ,166MHZ,200MHZ等。
注:只有VIA的芯片组才会用次时钟IC为内存提供时钟信号,其它的都一般由北桥为内存提供时钟信号。
二、微处理器（CPU）



以下为各个寄存器的含义：
 


早期第一台计算机是1946年美国的ENIAC，它没有处理器的概念。
第一片单片微处理器：Intel 4004　4位处理器 寻址空间4096字节
第一片8位微处理器：Intel 8008 、Intel8080 、Intel8085 8位处理器主频0.1~5MHz寻址空间4096字节
第一代：Intel8086/8088  16位处理器 主频4.77MHz寻址空间1MB
第二代：Intel80286  16位处理器（地址线24位）  主频6MHz   寻址空间16MB
第三代：Intel 80386  32位处理器（地址线32位）  主频16MHz   寻址空间4GB
第四代：Intel 80486  32位处理器（地址线32位）  主频25MHz   寻址空间4GB，但是内部结构增加了数学协处理器和8KB容量的高速缓冲存储器。
Intell公司还生产过80486的其他版本：
80486SX，工作频率20MHz，不包含数学协处理器。
80486DX2，采用双倍时钟，内部执行速度达到66MHZ，内存存取速度为33MHz。
80486DX4，采用三倍时钟，内部执行速度达到100MHZ，内存存取速度为33MHz。
第五代：Pentium系列
第一代Pentium处理器（以P5代称，1993年）
采用0.8mm工艺技术，集成了310万个晶体管，工作频率为60MHz/66MHz。
第二代Pentium处理器（以P54C代称，1994年）
采用0.6mm工艺，工作频率为90MHz/100MHz。
第三代Pentium MMX（以P55C代称1997年）
增加了57条多媒体指令，在体系结构上，Pentium在内核中采用了RISC技术，可以说它是CISC和RISC技术相结合的产物
第六代：P6，1996年开始，PentiiumPro、Pentiium II、Pentiium III，工作频率为166MHz--1GHz,其中：P67，2000年开始，Pentiium IV(研发代号Willamette)（威廉斯塔得），时钟频率1..4GHz~2GHz，400MHz的前端总线。
Intel现在生产的CPU中，Pentium4、PentiumD、Celeron是面向PC 的，Xeon（至强）、XeonMP和Itanium（安腾）是面向工作站服务器的。其中Itanium是与其他CPU完全不同的64位CPU，设计时并没有考虑用于现有的Windows应用。
Pentium4（Celeron）和Xeon（至强）最大差别是Xeon能构建多处理器系统，而P4不行。P4组建的系统中只能用一个CPU，Xeon可以用2块CPU组建双处理器系统，而XeonMP可以用4快以上的CPU组建系统。
多处理器系统可以用于3维图形制作和动画文件编辑等单处理器无法实现的高处理器速度应用，还可壹用于服务器中数据库处理等高负荷高速度应用中。此外，P4用478针封装，Xeon用604针封装，而且支持它们的芯片组也不同，因而不能互换使用。
AMD也生产面向工作站和服务器的Athlom MP处理器。其内部设计与Athlon XP基本相同，但支持双CPU。
此外，美国Sun公司的UltraSPARC和IBM公司的Power等CPU也是面向服务器，可以组成多处理器系统的CPU，但它们与Intel和AMD的CPU在软件和硬件上都不兼容。
第七代：64位处理器P7（IA64体系结构），工作频率为733MHz/800MHz，Ittaniium处理器的内部/外部数据总线及地址总线都是64位。
三、内存（主存储器）
内存又称主存，是CPU能直接寻址的存储空间，由半导体器件制成，暂时存储程序以及数据的地方。半导体的分类，如下图：



比如当我们在使用WPS处理文稿时，当你在键盘上敲入字符时，它就被存入内存中，当你选择存盘时，内存中的数据才会被存入硬（磁）盘。
内存模块的工作原理



内存在PC系统中的映射图



主存储器分为三个主要部分：ＴＰＡ（临时程序区）、系统区和XMS（扩展内存系统）。由PC中的微处理器类型决定是否存在扩展内存。
内存的组成逻辑结构，如下图



 内存发展历史，请看下面是对照表：
  


内存标贴上的频率是等效频率！
四、硬盘（外存储器）
用于存放大量且暂不用的数据或程序。一般说来，无论哪种硬盘，都是由盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部份组成。



按接口分类：IDE接口、SCSI接口、SATA接口、光钎通道
五、I/O端口
在普通Linux系统下通过查看/proc/ioports文件可以得到相关控制器或设备使用的I/O地址范围。
[root@lamp01 ~]# cat /proc/ioports