图1.6 微型计算机总线结构示意图 117
2) 总线的分类
现代计算机系统的总线包括内部总线、系统总线和外部总线。内部总线指CPU内部连接各部件的总线。系统总线指计算机系统的CPU、存储器与I/O接口之间的总线。外部总线指微机与外部设备之间或多机系统之间的互连。 系统总线从物理结构上来看，是一组两端带有插头、用扁平线构成的互连线，亦即传输线。这组传输线根据传送信号的不同，分为以下三种： 118
(1) 数据总线(Data Bus)：用于CPU与内存、I/O接口之间传送数据。计算机数据总线的宽度等于计算机的字长。数据总线的宽度(根数)决定每次能同时传输信息的位数，因此，数据总线的宽度是决定计算机性能的主要指标。数据总线通常双向传输。目前，微型计算机采用的数据总线有16位、32位、64位等几种类型。 119
(2) 地址总线(Address Bus)：用于CPU访问内存和外部设备时传送相关地址，实现信息传送的设备地址选择。例如，CPU与主存传送数据或指令时，必须将主存单元的地址送到地址总线上。地址总线通常是单向线，地址信息由源部件发送到目的部件。地址总线的宽度决定CPU的寻址能力。若某计算机的地址总线为n位，则此计算机的寻址范围为0～2n-1。 120
(3) 控制总线(Control Bus)：用于CPU访问内存和外部设备时传送控制信号，从而控制对数据总线和地址总线的访问和使用。控制总线通常是单向传输，有从CPU发送出去的，也有从设备发送出去的。
3) 常用总线标准
在计算机系统中通常采用标准总线。标准总线不仅具体规定了线数及每根线的功能，而且还规定了统一的电气特性。随着计算机通信技术、多媒体技术和CPU生产技术的不断发展，高速CPU、性能优异的外部设备及功能强大的软件大量涌现，总线技术也得到了飞速发展，先后出现了ISA、MCA、EISA、VESA、PCI、AGP等总线标准。 121
(1) ISA总线。ISA称为“工业标准体系结构”，也称为PC/XT总线，是具有开放式结构的计算机总线，它与IBM个人计算机一起首次出现于1981年。它是针对Intel 8088设计的，是一个8位总线。1984年，ISA总线扩充到16位(即AT总线)，适用于80286的IBM PC/AT微机系统，它与XT总线兼容。它的数据宽度为16位，最大传输速率为16 MB/s。 122
(2) EISA总线。1988年，由Compaq、HP、AST、Epson及NEC等9家计算机公司联合推出了一个32位总线标准——扩展的工业标准体系结构(EISA)，它是在ISA总线基础上发展起来的高性能总线，是AT总线的扩展，保持了与ISA的完全兼容。由于EISA的公开性，使EISA在应用领域得到充分发展。它的数据宽度为32位，最大传输速率为33 MB/s。 123
(3) VESA总线。VESA总线是“视频电子标准协会”于1991年推出的32位局部总线，把对数据传输率高的显示卡、网络卡等通过局部总线控制器与CPU总线相连，局部总线时钟与CPU时钟同步。它定义了32位数据总线且可扩展为64位，使用33 MHz的时钟频率，最大传输速率为132 MB/s，是一种高速的局部总线。VESA总线可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。
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(4) PCI总线。PCI即外围部件互连总线，也称为局部总线，是当前流行的总线之一，是由Intel公司推出的一种局部总线。它定义了32位数据总线且可扩展为64位，使用33 MHz或66 MHz的时钟频率，传输速率为132 MB/s。
(5) 通用串行总线USB。USB(Universal Serial Bus)是Intel提出的一种新型接口标准，目前已是主流规范。USB接口就是为解决现行PC与周边设备的通用连接而设计的。USB可以树状结构连接127个(涵盖几乎目前所有的)外部设备，例如DVD、ISDN、显示器、数字音响、扫描仪、数字照相机、Modem、打印机及键盘等。 125
(6) AGP总线。AGP总线(Accelerated Graphics Port，即图形加速接口)，由Intel公司于1996年提出，用来提高图像信息处理(特别是3D图形)的性能。AGP接口使用64位图形总线将CPU与内存直接连接，是目前使用最多的总线结构。 126
4) 系统总线的性能指标
(1) 总线的带宽。总线的带宽是指单位时间内总线上可传送的数据量，即每秒传送的字节数。它与总线的位宽和总线的工作频率有关。
(2) 总线的位宽。总线的位宽是指总线能同时传送的数据位数，即数据总线的位数。
(3) 总线的工作频率。总线的工作频率也称为总线的时钟频率，以MHz为单位，总线带宽越宽，则总线工作速度越快。 127
2．中央处理单元(CPU) 1) CPU的功能
CPU是由大规模和超大规模集成电路组成的模块，又被称为微处理器MPU(Micro- processing Unit)。它由运算器、控制器和寄存器组成，是微机硬件中的核心部件。CPU处理数据速度的快慢直接影响着整台电脑性能的发挥，所以人们把CPU形象地比喻为电脑的心脏。 128
计算机之所以能够在短短二十几年中在全世界迅速普及，主要原因是它功能的强大、操作的简便化和价格的直线下降，而计算机功能的每一次翻天覆地的变化都是缘于CPU功能的大幅度改进。我们常说的286、386、486、586以及今天的Pentium 4都是指CPU的型号。20世纪90年代以前，CPU的主要生产厂商Intel公司用“80x86”系列作为自己生产的CPU名称，例如，486就是80486的简称。 129
由于其他CPU厂家的CPU型号也是用486、586来表示的，这就使很多人误以为凡是标明为486、586的CPU都是Intel公司的产品。为了与其他厂家区别开来，Intel 公司将自己的586改名为“Pentium”，中文译为“奔腾”。Intel公司新近推出的Pentium 4强化了多媒体指令，新增了上百条命令。目前，著名的CPU生产厂家除了Intel公司外，还有AMD公司和Cyrix公司等。
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2) CPU的主要组成部件
(1) 程序计数器。它是控制器中的一个重要部件，是存放指令地址的一个寄存器。在程序执行过程中，其内容总是指向下一条指令在存储器中的地址，以便执行完当前的指令后，再去取下一条指令，从而保证工作的连续进行。
(2) 控制电路。控制电路的功能是根据指令要求，生成对各部件的控制信号。 (3) 累加器。累加器一般用来存放运算的原始数据或中间结果，如被加数或和数。 131
(4) 算术逻辑运算单元。它是运算器的主要部件，其功能是按指令的规定对操作数进行算术运算或逻辑运算。
(5) 数据寄存器。数据寄存器用于暂时存放参与运算的数据。CPU从主存储器读取数据时，该数据要先进入数据寄存器，然后再参与运算；运算结果送往主存储器时，该数据也要先进入数据寄存器，然后才能送出。除了数据寄存器之外，还有存放数据地址的地址寄存器，存放运算特征的标志寄存器等。 132
3) CPU的主要性能指标
(1) 字与字长。前面讲过，计算机内部作为一个整体参与运算、处理和传送的
一串二进制数，称为一个字。在计算机中，许多数据是以字为单位进行处理的，是数据处理的基本单位。字长越长，运算能力就越强，计算精度就越高。 133
(2) 主频。CPU有主频、倍频和外频三个重要参数，它们的关系是：主频＝外频×倍频。主频是CPU内部的工作频率，即CPU的时钟频率(CPU Clock Speed)。外频是系统总线的工作频率。倍频是主频和外频相差的倍数。CPU的运行速度通常用主频表示，以赫兹(Hz)作为计量单位。主频越高，CPU的运算速度越快。目前CPU的主频可达3.06 GHz以上。
(3) 时钟频率，即CPU的外部时钟频率(外频)。它由电脑主板提供，直接影响CPU与内存之间的数据交换速度。目前时钟频率可达200 MHz以上。
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(4) 地址总线宽度。地址总线宽度决定了CPU可以访问的物理地址空间，即CPU能够使用多大容量的内存。假设CPU有n条地址线，则其可以访问的物理地址为2n个。 (5) 数据总线宽度。数据总线宽度决定了整个系统的数据流量的大小，决定了CPU与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量。 135
3．内存储器
内存储器是计算机中最主要的部件之一，用来存储计算机运行期间所需要的大量程序和数据。
1) 内存储器的分类
内存储器按功能分为随机存储器(Random Access Memory，简称RAM)、只读存储器(Read Only Memory，简称ROM)和高速缓冲存储器(Cache)。 136
(1) 随机存储器(RAM)。它的作用是临时存放正在运行的用户程序和数据及临时(从磁盘)调用的系统程序。其特点是，RAM中的数据可以随机读出或者写入；关机或停电时，其中的数据会丢失。
RAM又可分为静态存储器和动态存储器。
· 静态存储器(Static RAM，简称SRAM)的“静态”是指数据被写入后，除非重新写入新数据或关机，否则写入的数据保持不变。 137
· 动态存储器(Dynamic RAM，简称DRAM)就是我们平常所说的内存。它用MOS型晶体管中的栅极电容存储数据信息，需要定时(一般为2 ms)充电，以补充丢失的电荷，因此称为动态存储器，充电的过程称为刷新。
SRAM要比DRAM速度更快，常用来作计算机的高速缓存(Cache)。 目前，微机中常用的内存以内存条的形式插于主板上。 138
(2) 只读存储器(ROM)。它的作用是存放一些需要长期保留的程序和数据，如系统程序、控制时存放的控制程序等。其特点是只能读，一般不能改写；能长期保留其上的
数据，即使断电也不会破坏。一般在系统主板上装有ROM-BIOS，它是固化在ROM芯片中的系统引导程序，完成系统加电自检、引导和设置输入/输出接口的任务。 只读存储器分为以下几种：
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固定只读存储器(ROM)：其内容由厂家生产时写入，用户不能改写；
可写入只读存储器(PROM)：其内容由用户事先写入，写入后不能再改写； 可改写只读存储器(EPROM)：其内容可用紫外线照射擦除，然后重新写入。 电擦除只读存储器(E2PROM)：其内容可用电擦除，然后重新写入。 140
(3) 高速缓冲存储器(Cache)。由于现在的CPU的速度越来越快，动态随机存取存储器的速度受到制造技术的限制，无法与CPU的速度同步，因而经常导致CPU不得不降低自己的速度来适应DRAM的速度。Cache的作用是缓解高速度的CPU与低速度的DRAM之间的矛盾，以提高整机的工作效率。其实现方法是将当前要执行的程序段和要处理的数据复制到Cache，CPU读写时，首先访问Cache。当Cache中有CPU所需的数据时，直接从Cache中读取； 141
如果没有，就从内存中读取，并把与该数据相关的部分内容复制到Cache，为下一次访问做好准备。
一般Cache分为两种：一种是CPU内部Cache，也称一级Cache，它集成在CPU芯片内，容量较小；另一种是CPU外部Cache，也称二级Cache，它放在系统主板上，容量比一级Cache大一个数量级，价格也便宜。目前一级Cache和二级Cache通常集成到CPU芯片中。为了进一步提高性能，还可以把Cache设置成三级。
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2) 内存的性能指标
(1) 存储容量。通常以RAM的存储容量来表示微型计算机的内存容量，常用单位有KB、MB、GB等。
(2) 存取周期。内存的存取周期是指存储器进行两次连续、独立的操作(存数的写操作和取数的读操作)之间所需要的最短时间，以ns(纳秒)为单位。该值越小速度越快，常见的有7 ns、10 ns、60 ns等。存储器的存取周期是衡量主存储器工作速度的重要指标。 (3) 功耗。它能反映存储器耗电量的大小，也可反映发热程度。功耗小，对存储器的工作稳定有利。 143
4．系统主板
系统主板(Systemboard)又称主板或母板，用于连接计算机的多个部件。它安装在主机箱内，是微型计算机的最基本、最重要的部件之一。在微机系统中，CPU、RAM、存储设备和显示卡等部件都连接在主板上，主板性能和质量的好坏将直接影响整个系统的性能。
集成在主板上的主要部件有：系统扩展槽(总线)、芯片组、BIOS芯片、CMOS芯片、电池、CPU插座、内存槽、Cache芯片、DIP开关、键盘插座及小线接脚等。目前新型的主板还集成了显卡、声卡、网卡及调制解调器等接口。其结构如图1.7所示。 144
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