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來源:貴州自考網 發表時間:2013-12-05   【 【貴州自考網:貴州自考考試第一門戶網】

一.主板
(一)主板的功能與組成
主板(Main Board,又稱主機板、系統板、母板)是位于PC機機箱內的一塊大型印刷電路板,這是PC機中最重要的部件之一,主板質量的好壞直接影響到整機的性能。據統計PC機許多不明的死機原因有90%都與主機有關。因此,主板的選擇是很重要的。
圖8-13是一塊典型的AT主板。從圖可見,主板的主要組成部件是:
CPU插座(Socket)或插槽(Slot)以及CPU芯片;
內存儲器(內存條)插槽以及內存條;
系統控制芯片組;
用以接插各種接口卡所需的I/O擴展插槽;
連接硬盤機、軟盤驅動器和光盤驅動器的外設接口插座;
連接鼠標器、鍵盤、打印機和MODEM(調制解調器)的串、并端口;
BIOS(Basic Input Output System,基本輸入/輸出系統)芯片和CMOS芯片;
電源、電池、電阻與電容等。
除顯示器、鍵盤等外部設備外,主板上集中了PC機的大部分基本組件。主板的選擇必然要考慮同這些組件有關的眾多技術要素。這些技術要求為:
(1)對CPU支持程度。包括是支持某一種型號的CPU芯片,還是可支持同級別的其它兼容芯片;是否支持同一型號不同頻率的芯片;是否便于今后的升級等。
(2)對總線的支持程度。包括是支持ISA總線、EISA總線,還是PCI總線。目前的奔騰主板和高能奔騰主板都采用PCI總線加上ISA總線。
(3)對內存條的支持程度。包括允許插入的內存條的條數、引腳數、內存芯片的類型(是支持 EDO DRAM還是 SDRAM芯片)。
(4)所采用的控制芯片組的選擇。控制芯片組的類型決定了主板的級別與檔次。
(5)對I/O控制器和端口的支持程度。包括對硬盤接口類型的支持,以及對各種并、串行端口和不同傳輸速度的端口的支持。如是否支持USB、IEEE1394、AGP等新接口。
(6)對多處理器的支持程度。是支持單CPU、雙CPU還是4CPU等。
(二)ATX主板
在PC系列中Intel確立了80x86系列的CPU標準,IBM制定了ISA(Industry Standard Architecture,工業標準體系結構)總線結構標準.前者規定了PC機的指令系統,后者規定了PC機的電氣特征,形成了通用的標準化的 IBM PC。然而上述標準對 PC機內部機械結構方面未作明確的規定。為此IBM在1984年推出IBM-PC/AT時,以產品定出了內部結構的標準 該標準以主板結構為主要特征,稱為“AT結構標準”。 1990年前后又發展為 Baby AT結構。Baby AT主板如圖8-14所示,其尺寸為26cmx22cm。有了這一結構標準 使組裝PC機市場能迅速發展。
隨著計算機技術的進一步發展,特別是電子計算機、電器和電信“三電一體化”和多媒體技術的發展,使集成到PC機中的功能日益增多,從而使傳統的Baby AT結構的缺點日益突出,這些缺點是:
(1)Baby AT主板是 “豎板”設計,即短邊位于機箱的后面板,使PC機后面直接從主板引出接口(端口)的空間太小,不利于插接各種擴展卡及引線接口。而當代PC機與外部的接口越來越多,例如多媒體功能的接口就有視頻及高保真視頻信號的輸入輸出,聲音信號的輸入輸出等,由于集成技術的發展,這些接口邏輯部可集成在主板上,但由于主板的橫向尺寸太小,這些輸入輸出信號的接口連接器無法直接從主板上引出,必須用特殊的線纜連接到機箱背部的連接器上。線纜增多造成PC機內部結構復雜,降低了系統的可靠性,增加了維護的難度,甚至會破壞PC機的電磁兼容特性--電磁輻射超標。
(2)主板上CPU芯片和內存條的安裝位置不合理、當前的PC機中所用的CPU芯片性能高、功耗大,必須要有良好的散熱裝置,才能保持芯片不過熱,保證工作穩定,為此在CPU的頂上加裝了一個小風扇,用來為CPU散熱。由于小風扇的加入,大大增加了CPU的高度,而Baby AT結構標準中,CPU芯片位于I/O擴展槽的下方,使全長的I/O擴展卡插不上,另外內存條插槽安排在電源底下,拆裝內存條很不便。同時,這樣的位置安排對插拔CPU芯片也帶來不便。
(3)軟、硬盤控制器,軟、硬盤機和光盤驅動器的支架在主板中無特定位置,這就使得在連接軟、硬盤機和光驅等設備時,由于連接線纜過長造成PC機機箱內連線混亂,這不僅會降低系統可靠性,嚴重時還會產生電磁干擾。硬盤連接線纜過長會使很多高速硬驅無法發揮高速特性,制約了PC機整體性能進一步提高。
為了解決這一問題,1995年7月,Intel公司公布了一種稱為“ATX Form Factor”(簡稱ATX)的設計規格,它以主板結構為主要特征,提出了全新的主板、機箱與電源尺寸的設計建議,作為下一代PC機內部布局的標準,可實現PC機整機結構本質性的提升。
ATX主板的外形相當于旋轉了90º的Baby AT主板,使長邊緊貼機箱的后部。如圖8-15所示。
 
ATX結構的主要特征為;
(1)CPU插座和內存條插槽的位置作了重新的設計,把CPU插座從原來ISA擴展槽附近移開,移到右邊電源的附近,這樣,不再影響I/O擴展卡的安裝,使所有的I/O擴展槽都可以插入全長擴展卡。而內存條插槽從電源附近移到主板中部,這樣一來裝拆內存條都很方便。
(2)CPU的位置緊靠電源風扇,只要加裝一塊散熱片,利用電源的通風冷卻系統電源風扇可直接為CPU散熱,而不一定再加裝專用的CPU散熱小風扇。
(3)A7X主板把PC機主機同外圍設備相連接的串行、并行和多媒體等接口(端口)全部集中在主機的右上方,并且與主機是水平方向排列。還有一種雙層接口(Double Expandable I/o Connector)如圖8-16所示,能連接更多的外部設備。這樣的安排改變了舊機箱后部接口(端口)繁雜混亂的狀況,使PC機安裝調試更方便快捷,也為把各種I/O卡集成到主板上創造有利條件。可以說ATX主板具有超強的擴充性。
(4)ATX主板把軟盤、硬盤和光驅等連接線設計在主板的右下方,更接近于軟驅硬驅和光驅的位置,這樣不僅安裝方便,同時也減少了有關線纜的長度 支持更高速度的硬盤和光驅工作,適應了新一代高速外設傳輸的需求。
(5)ATX規范使機箱內部各種線纜長度大為縮短,有些線纜甚至通過提高集成度而消失,使整機的電磁輻射減到最低,消除了電器之間的相互干擾現象,提高了整機的安全
性,也保護了人體健康 達到綠色環保的要求。
ATX規范對整機的電源系統也作了重大改進。
(1)ATX規范規定電源開關關閉時提供5V100mA的弱電流,可以維持PC機內部一小塊電路在關機的狀態下依然工作,便于實現遙控開啟機器和定時關閉機器的功能。這一小塊電路的工作用來檢測各種開機命令,如電話呼叫需要開機處理 或者遙控開機信號需要開機等等,接收到開機命令以后,向電源發出開啟信號,電源完全打開后,整臺機器開始工作。ATX規范的這一特征可以真正實現綠色節能的功能,并為PC機在收發傳真、應答電話、智能控制家電等方面得到廣泛的應用。
(2)ATX規范規定電源除+5V、-5V、+12V和-12V4種輸出外,還提供了3.3V的輸出。使PC機能工作干低電壓的工作狀態 從而降低了整機的功耗。
正由于ATX主板具有上述一系列優點。因此,自推出后,逐漸成為PC機的主流板。
二、芯片組
(一)芯片組的功能與組成
CPU芯片是PC機的靈魂,是PC機能完成強大的信息處理功能的核心器件,CPU要完成PC機所需要的信息處理功能,還必須有一系列的“支持電路”和“接口電路”。例如,CPU要能向外部設備輸入或輸出信息,必須要有并行接口電路和串行接口電路;CPU要能具有中斷功能,必須要有中斷控制電路,CPU要能支持DMA(Direct Memory Access,直接存儲器存取)功能,必須要有“DMA控制電路”;要把 CPU的芯片總線轉換成系統中各模塊間傳輸信息的公共通路——系統總線,必需要有“總線控制電路”。此外,要向CPU及系統中其它部件提供時鐘信號,那么“時鐘發生電路”也是必不可少的。在早期的PC機中,這些接口電路和支持電路都是由一些中、小規模集成電路和成千上萬個電阻、電容組成。這樣 不但占用了主板中的很大位置 而目還給維修帶來很大的麻煩。
在PC286以上的微機系統中,為了簡化硬件部分的設計,減少主板上芯片的數目,增加硬件的可靠性,大部分廠商都采用芯片組(Chip set)技術來設計 PC主板。隨著超大規模集成電路(VLSI,Very Large Scale Integration)技術的發展,這一趨勢更為明顯。采用VLSI技術,把主板上眾多的接口芯片和支持芯片按不同功能分別集成到一塊集成芯片之中。這樣,用少量幾片VLSI芯片就可完成主板上主要的接口和支持功能 這幾個VLSI芯片的組合稱為“芯片組”。采用芯片組技術后,可以簡化主板的設計,降低系統的成本、提高系統的可靠性,同時對今后的測試、維護和維修等都提供了極大的方便。
在PC機中,整個系統的有效運行都由系統控制芯片組(簡稱“芯片組”)來控制和協調,芯片組決定了系統的如下特性:
1)CPU的類型,是 Pentium,Pentium Pro,Pentium MMX還是 PentiumⅡ,除決定芯片類型外,還決定芯片主頻范圍;
2)內存條的類型,是FPM(Fast Page Mode,快速頁面模式)、EDODRAM(Extended Data Output擴展數據輸出)、BEDO DRAM(Burst EDO,實發式EDO),SD RAM(Synchronous DRAM,同步DRAM),還是ECC(Error Checking and Correction,錯誤檢測和糾正)是支持其中一種,還是幾種;
3)L2 Cache的類型,是突發式,管道流水線突發式、同步式,還是異步式;
4)存儲器總線的最大速度,是66MHz,75MHz,83MHz,100MHz還是133 MHz;
5)PCI總線類型,是32位,還是64位,同存儲器總線速度是同步還是異步;
6)對稱多處理能力,是支持單個CPU,2個CPU,3個CPU還是4個CPU;
7)對內置PCI、EIDE控制的支持;
8)內置PS/2鼠標、鍵盤控制器、BIOS以及實時時鐘電路。
芯片組一旦選定,則系統的上述特性就同時固定,在使用的過程中,芯片組是無法升級的。
90年代以來,Pentium系列芯片的推出和PCI總線的使用,使PC機的結構發生了一次飛躍,是進入高性能PC機的一個標志,因而從90年代中期以來,所推出的芯片組都是基于 Pentium(包括 Pentium Pro)處理器系列和 PCI總線的芯片組,通常稱為 PCI芯X組。
(二)芯片組與主權的關系
主板是PC機中最重要的部件,除顯示器、鍵盤等外部設備之外,主板上幾乎集成或安裝了PC機的大部分組件。主板上的主要部件有CPU插座及CPU芯片、內存條插槽及內存條、系統控制芯片組、I/O擴展插槽、外設接口插座(并行和串行端口)等。主板的選擇可以分別從上述各部件進行。例如,從CPU的角度出發,可以有“奔騰(Pentium)級”、“高能奔騰”(Pentium Pro)級、“多能奔騰”(Pentium MMX)級和“奔騰Ⅱ”(Pen-tium Ⅱ)等等;從內存條類型的角度出發,可以是支持EDO DRAM、還是SDRAM,是SIMM(Single Inline Memory Module,單列存儲模塊)還是 DIMM(Dual Inline Memory Module,雙列存儲模塊)等等;從I/O擴展插槽即總線擴展插槽角度出發,可以是ISA總線,EISA總線、VL總線還是PCI總線;從主板上的接口和端口的角度出發,可以是支持EIDE(Enhanced IDE,增強的IDE)、支持SCSI(Small Computer System Interface,小型計算機系統接口)、支持USB(Universal Serial Bus,通用串行總線)、支持AGP(Accelerated Graphics Port,加速圖形端口)還是支持Uitra DMA/33接口等等。上述這 4個方面的特性決定了主板,也就是決定了一個PC系統的主要性能和檔次。但是,必須著重指出的是,這4個方面的特性同主板上的另一個部件的性能是息息相通,密切聯系的。這一個部件就是系統控制芯片組。
芯片組是用VLSI技術,把主板上眾多的CPU的接口芯片和支持芯片集成到幾個(通常是1~3片)集成芯片中。也就是說,芯片組中包括了CPU的接口芯片和支持芯片。這里的接口芯片包括CPU同外設進行數據傳送所必須的并行接口和串行接口,以及從CPU的芯片總線轉換為系統中各模塊間傳送信息的系統總線之間的“總線接口”電路。因此,芯片組選定后,總線擴展插槽的性質、串行與并行接口的性質,以及所能支持的各種接口或端口的類型和接口特性也就確定了。而芯片組中的支持芯片包括支持CPU及系統的中斷功能、DMA功能、定時計數功能、時鐘發生器的性能等等。這樣,芯片組選定后,主板以及系統的數據傳送的控制方式、CPU及有關部件的可用頻率等特性也就確定了。同時,芯片組還包括了內存儲器的控制電路和Cache的控制電路,因而,芯片組一經選定,主板所能支持的內存容量、類型、以及內存的主要性能隨之確定。最后,芯片組包括的主要是CPU的接口芯片和支持芯片,那么作為接口的“主體”以及被支持的“對象”——即CPU的特性也受芯片組性能的約束。從而,芯片組一旦選定,主板所支持的CPU的型號、范圍以及個數等也必然被確定。
從上面的分析,可以清楚地說明,選擇主板的重點是選擇芯片組,在整個PC系統中,系統的有效運行是靠芯片組配合CPU來控制和協調的,芯片組是構成主板外圍電路的核心,它決定了主板的類型和檔次。
三、顯示卡
(一)顯示器
顯示器是微機系統中最重要的輸出設備,其作用是將主機發出的電信號經過一系列的處理后轉換成光信號,并最終以文字、圖形形式顯現出來。顯示器的主要參數為:
(1)點距。點距是指一種給定顏色的一個發光點與離其最近的相鄰同色發光點之間的距離,點距不能用軟件來更改。在任何相同的分辨率下,點距越小,圖像越清晰,l4英寸顯示器常見的點距有28mm和31mm。
某些顯示器用條紋代替標準的CRT的色點,它所產生的圖像更亮麗、更清晰,條紋間距在0.25~0.26mm之間。
(2)分辨率。分辨率是指屏幕上所顯現出來的象素數目,象素數越多,分辨率越高,分辨率通常以象素數來計算,例如640X48o的象素數為307200,640為水平象素數,480為垂直象素數。
在屏幕尺寸不變的情況下,分辨率不能越過其最大合理限度,否則,就失去意義、例如14英寸顯示器的最大分辨率為1024×765;15in顯示器的最大分辨率為1280×1024;17英寸顯示器的最大分辨率為1600×1280。
(3)掃描頻率。掃描頻率是指顯示器每秒鐘掃描的行數,單位為KHz,它決定最大逐行掃描清晰度和刷新速度。水平掃描頻率、垂直掃描頻率、分辨率三者密切相關,每種分辨率都有其對應的最基本的掃描速率。例如,用于文字處理、分辨率為1024×768的水平掃描速率為64KHz。
(4)刷新速度。顯示器的刷新速度是指每秒鐘出現新圖像的數量,單位為Hz,又稱刷新率,刷新率越高,圖像的質量越好,閃爍不明顯。通常70~72Hz的刷新率即可保證圖像的穩定。
(二)顯示卡
顯示卡簡稱顯卡,是計算機內主要的I/O卡之一,CPU處理的數字信號必須經顯示卡進行后續的圖像的處理、加工和轉換后成為模擬信號,才能由顯示器顯現。
顯示卡的主要技術參數有最大分辨率、刷新頻率和色深等 前二者同顯示器,而“色深”又稱“顏色數”,是指顯卡在當前分辨率下能同屏顯示的色彩數量 一般以多少“bit”(位)色來表示,例如標準VGA顯卡在320×200分辨率下的色深為256色或8bit色;SuperVGA標準顯卡最大分辨率可達l600×1200,色深可達32bit色。
顯卡的基本結構如圖8-17所示。
從圖8-17可見,顯卡主要由如下部件組成。
(1)顯示芯片。這是顯卡上最大的一個芯片是用來處理圖像信號的CPU,可以處理軟件指令以完成特定的繪圖功能,是決定顯卡性能的主要器件。
(2)顯示內存。用來暫存顯示芯片處理的數據。顯卡的分辨率越高,屏幕上顯示的象素點越多,要求顯存的容量也越大,例如,顯示1024×768×65536色至少需要2MB顯存。專業型3D(三維)顯卡都具有2MB以上的顯存容量,而娛樂型顯卡可通過廉價的AGP技術獲得大的存儲容量。
(3)RAMDAC。這是一個數模轉換器,用來將顯存中的數字信號轉換成顯示器能接收的模擬信號。RAMDAC的轉換速度以MHz表示,速度越快,圖像越穩定。大多數娛樂型顯卡都將RAMDAC集成在顯示芯片內以降低成本,高檔專業型顯卡采用高品質的外置式RAMDAC芯片。
(4)VIDEO BIOS。開機或啟動時首先顯示在屏幕上的內容就是固化在該芯片里的一般用EPROM芯片,新式顯卡采用E2PROM芯片,可以通過專用程序來改寫VIDEO BIOS。
(5)VGA特性插座。這是顯卡與外部視頻設備交換數據的通道,大部分顯卡都有此插座,可插上于卡與外部視頻設備通信,常用的子卡有電視子卡和解壓卡等。
(6)顯示器插座。顯卡的顯示器插座與顯示器連接,以便將相應的影像輸出到屏幕。這是一個D形插座,有三排孔,每排5個孔,共15個插孔。
(7)總線接口。用于顯卡同主機板的連接 目前流行的是PCI接口與AGP接口。
(8)聲音輸出插孔。用于配接解壓子卡后,VCD的聲音由此輸出(而軟解壓的聲音由聲卡輸出)。
四、EIDE接口與SCSI接口
(一)EIDE接口
硬盤驅動器(Hard Disk Drive, HDD或HD)簡稱“硬盤(機)”是PC機中一個不可缺少的重要部件,它集電子技術、電磁轉換技術、精密機械制造與傳動技術之大成,又是使用頻率最高的部件之一。從硬盤機的發展歷史看,硬盤機有ST506硬盤機、ESDI硬盤機、IDE硬盤機以及SCSI硬盤機等幾種,目前在PC機中使用最多的是IDE硬盤機。這里提到的ST506、ESDI、IDE以及SCSI都是一種硬盤接口的標準。
IDE(Integrated Drive Electronics,集成驅動器電子部件)是 Compaq公司開發的,并由Western Digital公司生產的硬盤驅動器接口。IDE接口并不是正式標準規范的名稱,美國ANSI(American National Standards Institute,美國國家標準學會)于1991年正式把IDE接口命名為ATA(AT Attachment)接口,但一般還是習慣于沿用“IDE接口”的名字。IDF接口的最大特點是把原先ST506接口的控制器部分直接做到硬盤驅動器中,它把硬盤控制器電路跟硬盤驅動器本身的控制電路集成在一起,因而命名為“集成驅動器電子部件”。這樣,在IDE接口的適配器電路中,不包含硬盤控制器。這一特點所帶來的好處是,可以消除驅動器和控制器之間的數據丟失問題,使數據傳輸十分可靠。同時可以把每磁道的扇區數提高到30個以上,從而增大了可訪問的容量。由于把控制器電路并入驅動器內,因此,從驅動器中引出的信號線已不是控制器同驅動器之間的接口信號線,而是通過簡單處理后可同主系統連接的接口信號線,IDE接口采用40芯單排電纜連接,這是IDE接口方式同前二種接口——ST506接口和ESDI接口的區別所在。
傳統的IDE接口最多只能連接二臺硬盤。在硬盤機連接之前,必須設置其工作模式IDF硬盤有三種工作模式:Spare(單機)、Master(主)和Slave(從),Spare是指一條單排電纜只接一臺硬盤機的狀態,而接兩臺硬盤時 所接硬盤有兩種工作狀態,所接的第一臺硬盤(C:盤)位置的為Master模式。第二臺硬盤(D:盤)位置的為Slave模式。不少的IDE硬盤機在出廠時設置其默認值為“Spart”或“Master”。
IDE接口的硬盤機的基本特性是:①最多只可連接兩臺硬盤機;②數據傳輸率不超過2Mb/s;③只能支持528MB的最大容量 ;④最大傳輸帶寬只有8位;⑤只能進行輪流操作,不能并行處理。
硬盤機是PC機中發展最迅猛的部件之一,存儲容量和傳輸速度是硬盤機各項性能指標中提升最快的二項,這樣,傳統的IDE接口就遠遠不能滿足硬盤機發展的要求。1993年,硬盤機專業公司 Western Digital開始著手制定增強 IDE規范(EIDE.即 ATA-2),1994年正式公布了EIDE規范。EIDE的主要特性是:①數據傳輸率至少可達12~18Mb/s;②支持硬盤的最大容量可達8.4GB;③可連接4臺滿足EIDE標準的外部設備④傳輸帶寬為16位,可擴展到32位;⑤EIDE在內存及硬盤讀寫操作可并行處理。由于EIDE接口性能優越,已成為一般PC機硬盤的標準接口。
為了進一步提高ATA-2(即EIDE)的安全性和可靠性,硬盤驅動器工業組織SFF委員會又推出ATA-3標準,其特點是:①具有較高的可靠性;②提供了一個基于口令的簡單的安全保護機制;③采用S.M.A.R.T(Self Monitoring Analysis And Report Technology,自監測,分析和報告技術);對硬盤可能發生的故障類型,預先向用戶提出警告;④采用更成熟的電源管理。
硬盤機與主機進行數據交換的方式有二種:
(1)PIO(Programming Input/Ouput,編程 I/O)模式。這是通過 CPU執行 I/O(端口指令來進行數據的讀寫,對硬盤讀寫一般采用I/O串操作指令,只需取一次指令就可重復多次完成I/O操作 使之達到高數據傳輸率。
(2)DMA(Direct Memory Access,直接存儲器存取)模式。數據不經過 CPU而直接在硬盤和內存之間傳送,現在所有新的芯片組都支持總線主控DMA,DMA傳送有單字和多字兩種傳送方式,單字DMA傳送在每次DMA請求只傳送一個16位字,而多字DMA傳送只要DMA請求信號保持有效,將持續不斷地傳送16位字,直至終止計數。
各種傳送模式的數據傳輸車如表8-8所示。
表 8-8中Ultra標準是在新標準ATA-4推出之前的一種過渡標準,在該標準中增加了一個高性能的傳輸模式-DMA/33,這種傳輸模式具有33Mb/s的數據傳輸率。Ultra ATA具有如下特點;①提高了突發模式的數據傳輸率;②數據可靠性得到進一步的提高,采用一種新型的CRC (Cyclic Redundancy Check,循環冗余校驗碼);③保持向后的兼容性。由于這些特點的存在,使它在目前硬盤接口中,成為速度最快捷的一種。
(二)SCSI接口
IDE接口,特別是EIDE接口具有良好的性能,所以在PC機中,一般用作硬盤驅動器和CD-ROM驅動器的接口標準是足夠的,但是在服務器領域、超級計算機系統中,由于系統要求連接的外設數量較多,而且數據傳輸速度很高,這樣,EIDE接口就顯得力不從心了,而SCSI接口標準卻能滿足上述高速度、多設備的接口要求。
SCSI(Small Computer System Interface,小型計算機系統接口)是美國國家標準學會ANSI(American National Standards Institute)的標準,它定義一種輸入/輸出總線和邏輯接口,邏輯接口用來支持計算機和外部設備互聯的總線。SCSI的主要目標是提供一種設備獨立的機理,用來連接主機和訪問設備,包括一個或多個主機。這樣,通過單一的SCSI接口,不同的磁盤設備、磁帶設備、打印機、光存儲設備和其它設備能連接到主機系統中,而不需要修改一般的系統軟件和硬件。
SCSI前身是 SASI(Shugart Associates System Interface),是70年代末由Shugart Associates公司開發的一種用于小型和中型計算機系統的8位并行獨立于設備的外設或系統總線。從系統角度看,可使磁盤設備系統獨立于實際的磁盤物理設備,它還允許不同的公司獨立地開發系統和外設,并可一起使用。這種思路也為以后成功地開發開放系統的平臺起了一定的推動作用。1982年ANSI作為小型計算機系統接口標準的基礎,并于1986年批推了SCSI的最初版本SCSI-1,1994年完成了改進版本SCSI-2, 以后又陸續推出SCSI-3等標準。
SCSI 接口一般用于高端應用領域,作為一種智能型接口,它可連接硬磁盤機、CD-ROM光驅、可擦寫光驅、磁帶機、掃描儀以及一些通信設備等。SCSI接口的特點是數據傳輸速度快、可驅動的外部設備數目多,可靠性高、定義規范、互換性好等。SCSI接口的發展較快,出現多種類型的接口定義,帶來一定的混亂。為此,國標SCSI貿易專業協會對各種不同類型的SCSI接口按統一格式進行重新命名。統一命名后的各類SCSI標準的主要性能如表8-9所示。
表8-9中SCSI-1原名為SCSI-1;Fast SCSI原名為SCSI-2;Ultra SCSI原名為Fast/Wide SCSI;Ultra 2 SCSI和Wide Ultra 2 SCSI為新增加的標準。
這里要說明的是,當前最先進的SCSI接口是Ultra 2 SCSI和Wide Ultra 2 SCSI,前者將8位數據寬度下的傳輸率提高到40Mb/s.驅動能力為支持7臺外設;而后者是Ultra2 SCSI標準的增強版,其數據寬度為 16位,數據傳輸率為 80Mb/s。但要注意的是,這兩種接口都要使用 LVD(Low Voltage Differential,低壓差分)收發器才能滿足需要。
同IDE(包括EIDE)接口相比較,SCSI接口在速度和驅動設備能力上的優勢是明顯的。同時,它能支持多種計算機系統,包括PC機、SPARC工作站和大型主機等多種平臺,因此,在服務器領域、超級計算機系統以及網絡系統中得到廣泛應用。但由于其價格昂貴,對一般的PC機用戶不太會考慮采用SCSI接口,而性能價格比較高的IDE(包括EIDE)當為首選的接口。
五、USB與 IEEE 1394
(一)USB
在傳統的PC機機箱的背面,有一大堆線纜與插口,例如顯示器信號線、鍵盤連接線、鼠標連接線、打印機連接線等線纜以及相應的插口,而這些插口有方插口、圓插口,同時各插口的插孔數也不盡相同。這樣,要從PC機上拆卸或安裝一個外設裝置時,必須把對應的外設裝置插頭同機箱上對應的插口相接插,方插頭要對方插口,圓插頭要對圓桶口,不能插錯。而且,一般外設裝置的安裝與拆卸,除了要關掉電源外,還要安裝專屬該外設的驅動程序,才能讓PC機來識別這一外設。
USB(Universal Serial Bus,通用串行總線)實際上是一個萬能插口,可以取代PC機上所有的端口(包括串行端口和并行端口),用戶可以將幾乎所有的外設裝置——包括顯示器、鍵盤、鼠標、調制解調器、游戲桿、打印機、掃描儀和數碼相機等的插頭插入標準的USB插口。同時,還可將一些USB外設進行串接,這樣,可以使一大串設備共用PC機上的一個端口。此外,一些USB產品,如數碼機和掃描儀,甚至可以不要使用獨立電源即可工作。因為USB總路線可提供電源。
USB是Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC(日本)和Nothern Telecom(加拿大)等7大公司于1994年11月聯合開發的計算機串行接口總線標準,1996年1月15日頒布了USB1.0版本規范。USB的主要規范是:
(1)數據傳輸速度有兩種,用于連接打印機、掃描儀、交換器和電話機等設備的可達12Mb/s(比特/秒);用于連接鍵盤、鼠標器、調制解調器等的為1.5Mb/s;
(2)最多可連接127個外設裝置(包括轉換器——HUB);
(3)連接結點(外設裝置以及HUB)的距離可達5m;
(4)連接電纜種類有兩種規格,傳送速度為12Mb/s的用帶屏蔽雙扭線,傳送速度為1.5Mb/s的可用普通無屏蔽雙扭線。連接器為4芯插針,其中2條用于信號連接,2條用于電源饋電線路連接。
USB提供中、低速率外設裝置的擴充能力,這些中、低速率的外設都可通過USB與PC機(及其他計算機系統)連接并傳送數據,不需要搭配附加的接口卡來占用PC機的擴展槽。USB設備的連接如圖8-18所示。
圖8-18中,USB設備是以轉接器(HUB)與設備節點(NODE)的方式連接的,最多可以延伸到4個層次。PC機主板上一般配備2個USB連接器,可以連接2個USB設備,或者一個USB設備,另外一個接到HUB或具有HUB功能的USB設備。每一個HUB至少提供兩個連接器,以及連接到下一個HUB的能力。因此,用戶要安裝HUB設備時,只要找到一個HUB(轉接器)底下的連接孔,把HUB設備的插頭直接插入即可。這樣,一個USB系統從整體上可看成一種樹型結構。按USB規格設計,可以同時使用最多達127個外設(含HUB)在同一臺PC機上。當然,PC機要具備USB的連接功能必須有相應的軟件和硬件條件的支持。硬件方面,“奔騰”、“高能奔騰”、“多能奔騰”和“奔騰Ⅱ”系統的430HX、430VX、430TX、440FX、4401LX以及440BX等芯片組都支持USB連接功能。因此,以這些芯片組設計的系統主板都支持 USB。而軟件方面,Windows95 OEM Servic Release2(即 Windows 95 OSR 2)版本內已加入對 USB的檢測能力,WindowS 98更是具有對USB的支持功能。
USB規范公布后,PC機制造廠商,外圍設備生產廠以及LSI(大規模集成電路)芯片制造廠紛紛開發USB產品,許多新生產的PC機都備有USB接口。USB規范受到業界和用戶的極大關注。這是由于USB具有一系列的優點:
(1)USB具有真正的即插即用(PnP,Plug and Play)特性,用戶可以很容易地對外設進行安裝和拆卸 主機可按外設的增刪情況自動配置系統資源,同時用戶可以在不關機的情況下進行外設的更換,外設裝置的驅動程序的安裝刪除將實現自動化。
(2)USB具有很強的連接能力,最多可以鏈接形式連接127個外設到同一系統,這對一般的計算機系統是足夠的了。
(3)低成本。一方面使外設的設計制造過程比較簡單,因為所有系統的智能機制都駐留在主機中,另一方面USB從1996年4月起并入了Intel芯片組,從而使設備制造的開銷降低。
(4)空間的節省。USB的引入減輕了對目前PC機中所有標準端口的需求,從而也減少了對PC機插槽的需求。
(5)USB與ETDM(Enhanced Time spanision Multiplexing,增強型時分多路轉換)特性可以支持諸如ISDN(Integrated Services Digital Network,綜合業務數字網)等高速數字電話信息通路接品,USB再加上Windows Telephone API (Application ProgramInterface,應用程序接口)后,為今后PC機同電話的集成提供良好的基礎。
(6)連接電纜輕巧、電源體積縮小。USB使用的4芯電纜和+5V的直流電源給USB的用戶和廠商帶來了方便。
(7)USB是一種開放性的不具專利版權的理想的工業標準,由150多家企業組成的“USB實施者”(USB Inplementer Forum)是一個標準化組織,它所制定的任何標準不為哪一家公司所獨有,不存在專利版權問題,所有USB組織的成員只要交付一定的會費(一年2500美元)即可。這一點也正是USB規范具有強大生命力之處。開放性是當前計算機技術能得到飛速發展的重要因素之一。
總之,USB的開發和應用將會很快改變PC機后部的端口設置,目前所用的各種標準的附加端口將會被若干個USB端口所替代。
(二)IEEE 1394
USB的數據傳送速度為12Mb/s,這對于一般中、低速的外設是足夠的,但對于一些高速的外設就有些力不從心了。而IEEE 1394則是用于高速數據傳輸的外圍設置同主機之間連接的串行接口標準。
IEEE 1394(又稱Fire Wire)是由Apple公司和TI(德克薩克儀器)公司開發的高速串行接口標準,其最高的數據傳輸率可達 1Gb/s(1024Mb/s)。IEEE 1394接口具有把一個輸人信息源傳來的數據向多個輸出機器廣播的功能,特別適用于家庭視聽AV(Audio Visual)的連接。由于該接口具有等時間的傳送功能,確保視聽AV設備重播聲音和圖像數據的質量,具有很好的重播效果。IEEE 1394接口允許有很高的數據傳輸速度,作為PC機同外圍設備之間的接口是很有前途的。目前400Mb/s左右的接口的接口檢測芯片已投人市場,IEEE 1394接口已進入實用階段。具備 IEEE 1394接口的 PC機,在顯示器重播接收來的多媒體數據時,可利用其等時間傳送功能,實現邊接收邊重播,不需配置價格昂貴的圖像緩沖存儲器,從而可降低系統成本。
IEEE1394 接口作為“信息家電”的專用接口是有極大的優勢的,“信息家電”是數字化攝像錄像一體型VTR(Video Tape Recorder,磁帶錄像機)、音頻放大器、CD播放機、數字化音頻磁帶機(Digital Audio Taperecorder, DAT)以及電視機頂盒(Set Top Box)等數字化家用電器設備的統稱。隨著家用PC機多媒體化程度的加大,必然會提出“信息家電”同PC機以及PC機外圍設備之間的多媒體數據交換、存儲和處理的要求,而IEEE 1394接口自然是實現上述三者連接和溝通信息的重要途徑。這些“信息家電”利用 IEEE 1394接口,通過單一類型專用電纜同PC機及其外圍設備連接,構成一個高度綜合的家庭多媒體信息系統,如圖8-19所示。
必須指出的是,這樣構成的多媒體信息處理系統具有良好的可伸縮性--可以方便地擴充或者降低系統的規模。例如,可以把這一系統收縮成僅由硬盤驅動器,簡單控制設備和AV設備組成的簡單的互聯系統。其中,“簡單控制設備”需要有“接觸控制板”(Touch Panel),以用于指示讀出寫入的起始和終止,從而可以將圖像和聲音數據進行邊編輯邊存儲。在這種簡化的多媒體信息系統中,不一定需要由PC機作為中介,只要按”簡單控制設備”發出的命令,即可實現磁盤驅動器同AV設備之間的數據傳送。到目前為止 只有用IEEE 1394接口可以實現磁盤驅動器、AV設備和”簡單控制設備 進行互聯 也只有用 IEEE 1394接口才能把PC機及其外圍設備同“信息家電 ”構成具有可伸縮性的多媒體系統。
此外,利用ATM(Asynchronous Transfer Mode,異步傳輸模式)技術可以擴展IEEE1394接口的作用,通過ATM網絡的機頂盒外連ATM網絡,內用 IEEE 1394接口 把各種家用電子設備與室外網絡連接 可以有效地利用AW網絡實現多媒體數據的相互交換。
顯然 在多媒體信息處理系統中。IEEE 1394是更有前途的串行接口標準。
六、AGP
(一)AGP的特點
隨著多媒體計算機的普及,為了使整個畫面效果更接近于真實生活中所見的景像。對視覺效果的要求越來越高 從而對三維(3D,three-dimension)技術的應用也越來越廣。
在PC機中,三維圖形的處理一般可分為“幾何變換”和“繪制著色”處理,如果這兩種處理都由CPU承擔,則CPU的負擔太重。因此 將其中處理量極大的“繪制著色處理由三維圖形加速卡上的三維圖形芯片來完成。三維圖形加速卡以硬件方式替代二維圖形顯示卡中由CPU通過運行軟件來完成的耗時很大的“著色”處理,可以成倍提高運算速度。三維圖形加速芯片除具有二維圖形加速芯片應具備的支持色彩空間轉換、圖像編放、圖像插值、雙線縮放、圖像壓縮等功能外,還應具有硬件支持的Z軸緩沖區、紋理(Texture,又稱“材質”)貼圖、顏色濃淡插入(著色)技術、多邊形動畫技術、現緩沖存儲器和alpha混合等特性。其中紋理貼圖(又稱紋理映射)是指可以將圖形/圖像(包括視頻圖形)或背景圖案等像貼“墻紙”一樣,粘接在三維圖案(造型)的表面,一個三維立體物體,所使用到的“紋理圖形數據”(Texture Data)越多,越復雜,則所顯現的立體物體就越逼真,越富有動感。三維圖形加速卡的“顯存”(圖像內存)除需存儲屏幕上的畫面數據外,還需存放“紋理圖像數據”。
三維圖形卡上的“顯存”主要分為二部分,即“幀顯存”的“紋理顯存”。其中“幀顯存”的大小決定了可支持的最高分辨率,例如2MB幀顯存對應于640x480的分辨率,這一容量是固定的。 而隨著用戶(特別是一些游戲“玩家--游戲程序的發燒友)對視覺效果的要求越來越高,對三維圖形加速卡上的“紋理顯存”的容量要求也越來越大,目前一些高級的游戲程序已經要求16MB甚至更高容量的顯存。而顯存的價格昂貴,為了降低三維圖形加速卡的成本,必須減小圖形上顯存的容量,把要求大容量的紋理數據存儲到主存中去。但隨之帶來另一個問題是,在目前的PC機中 主存與圖形卡之間是用PCI總線連接的,其最大的數據傳輸率為133Mb/s。同時,由于硬盤控制器、LAN(局域網)卡以及聲卡等都是通過PCI總線同主存交換數據的。因此,實際的數據傳輸率遠低于133Mb/s。而三維圖形加速卡在三維圖形處理時不僅要求有驚人的數據量,而且要求有更寬廣的數據傳輸頻寬。例如,對640 x 480的分辨率而言 以每秒75次畫面更新率來計算“畫面輸出”需50Mb/s、“色彩輸出”需100Mb/s、Z軸緩沖區需100Mb/s、“貼圖紋理” 需100Mb/s,其他開銷需20Mb/s則要求全部的數據頻寬高達370Mb/s;若顯示器分辨率提高到800X600,僅“貼圖紋理”就需150Mb/s,總頻寬流量為580Mb/s;而分辨率提高到1024X768時,“貼圖紋理”高達250Mb/s。因此,原有PC機中133Mb/s數據傳輸率的PCI總線就成為三維圖形加速卡上高速傳送圖形紋理數據的一大瓶頸。解決這一傳輸瓶頸問題,從PIC總線角度著手可采用兩種方法:①把當前32位的總線擴展為64位;②把PCI總線時鐘由333MHz提高到666MHz。這二種方法都可以把數據傳輸的頻寬成倍地增加。但對大多數的PC機而言,實施都嫌太貴,同時由32位擴展為64位,必然使PCI有關設施更復雜。
AGP(Accelerated Graphics Port,加速圖形端口)是在三維圖形顯示中,為解決“圖形紋理”數據高速傳輸的瓶頸問題應運而生的。AGP是Intel公司開發的,于1996年7月底正式公布的一種新型視頻接口技術標準,它定義了一種超高速的連通結構,把三維圖形控制器從PCI總線上卸下來,用專用的點對點通道——AGP把圖形控制器直接連在系統芯片組(“主存/PCI”控制芯片組)上,三維圖形芯片可以將主存作為幀緩沖器 實現高速存取。AGP直接連通的系統芯片組以66.7MHz直接同主存聯系,而AGP的數據寬度為32位,因此它的最大數據傳輸量為4 X 66.7=266Mb/s。是傳統的PCI總線頻寬的2倍。另外,AGP還定義了一種雙激勵(double pumping)的傳輸技術,它能夠在一個時鐘的上、下邊沿由雙向傳送數據,如圖8-20所示。這樣AGP的實際數據傳輸頻率就變成2×66.7MHz即133MHz,而其最大數據傳輸量也增為4×133Mb/s=533Mb/s。上述第一種情況(66.7MHz時鐘)稱為“基線AGP”或“AGP-1×”),第二種情況(雙激勵)稱為全“AGP或“AGP-2×”)。當采用AGP2.0技術后,AGP的時鐘頻率為133MHz,有效頻寬將為1Gb/s,是傳統PCI的8倍,稱為“AGP-4×”。
AGP的地址線和數據線分離,沒有“切換”的“開銷”,提高了隨機訪問主存時的性能。AGP可實現“流水線”處理,提高了實際數據傳輸速率、同時AGP是圖形加速卡的一條專用信息通道,不用與其他任何設備共享 任何時候想調用該信息通道都會立即得到響應 效率極高。另外,由于將圖形加速卡從PCI上分離出來 可以使PCI總線的重負載得到緩解,使PCI總線上的其他設備,包括PCI聲卡、網卡、SCSI設備及PCI設備的工作效率隨之得到提高。上述這幾方面是AGP技術的優點所在 而從開發方面考慮AGP能配置在低價位的PC機中 它使相應的器件(圖形控制芯片)制造簡單,成本低。由于AGP除同主存/PCI控制芯片組連接外,只限于連接一個器件,因此所連接的器件容易開發,在主存/PCI控制芯片組,無需安裝用于AGP仲裁的專用電路,可降低開發成本。
正由于AGP技術具有上述眾多優點,所以在當前PC機中會越來越多地采用AGP技術。
(二)應用時應注意的問題
AGP目前有兩種工作方式,一是DMA(Direct Memory Access,直接存儲器在取)方式,它是利用高速 AGP來提高數據傳輸車 不使用PC機的主存作為顯存的擴展,全部的圖形運算還是在顯存內部完成,這實際上不是真正意義上的AGP 。二是DIME(Direct Memory  Execute,直接內存執行)方式,當顯存容量不夠時,將主存當作顯存來用,把紋理貼圖,Z軸緩沖區、Alpha混合等耗費顯存的三維操作全部放在主存內完成。采用DIME方式有二大優點:一是節省顯存,這是AGP技術開發的出發點,使三維圖形加速卡( “顯示卡”)的成本大大降低;二是減少了主存與顯示卡之間的數據傳輸,因為許多操作直接在主存上完成,就不必再在主存與顯示卡之間倒來倒去。而目前PC機的配置狀況為DIME方式提供了良好的條件:PC機的基本主存已是32MB或64MB,甚至是12SMB;同時100NlllZ的SDRAM(同步DRAM)已經普及,主存和顯存之間的速度差距進一步縮小。
在討論AGP應用的時候,必須注意如下幾個問題。
(1)采用AGP技術,必須對PC機的系統結構作相應的改變,從主板、系統芯片組、圖形控制器等都要作相應的變化。主板上要求有AGP插槽以安插符合AGP標準的圖形卡(顯示卡\系統芯片組要有一個新的 32位 I/O口用于插槽;而圖形控制器和圖形卡都需要轉換從PCI AGP的通信協議。另外AGP也需要操作系統的支持,例如,Windows 98和Windows NT 5.0都加入對AGP的支持。
(2)AGP是使信息在圖形控制器和系統芯片組之間專用的點對點的通道上傳輸AGP僅僅是一種一對一連接的“端口”(Pot),它不是一種“系統總線”甚至稱其為“總線”也是不嚴密的,因為“總線”必須是在二個以上設備之間信息傳輸的公共通路。而PCI總線是目前在PC機中使用最為廣泛的一種局部總線,AGP僅僅是對PCI總線在某些應用(如三維顯示卡)中性能不足的一種補充,要說用AGP采取代PCI總線,則是不可能的 能取代PCI總線的只能是下一代的性能更高的新的系統總線。
(3)AGP是Intel公司為“奔騰Ⅱ”(Pentium Ⅱ)芯片設計的技術,只有同“奔騰Ⅱ” 的強大功能——高性能的浮點處理部件和高速、新型的高速緩沖存儲器(Cache)相結合才能顯著提高PC機的顯示性能。在操作系統方面 Windows NT5.0 版本對 AGP進行全面優化;Windows 98在設計中已考慮到對AGP等硬件的全面支持。此處系統芯片組也必須具有AGP功能,例如Intel的440LXAGP Set芯片組。總之采用AGP技術,必須考慮系統的軟、硬件的支持。
(4)采用DIME方式時AGP總體的傳輸率對整體性能影響極大,從理論上講,在66MHz的頻率下,AGP可達到相當于133MHz頻率的532Mb/S的數據傳輸率,但由于編程序時的一些原因,實際上在應用中一般無法達到這一理論值,因此采用AGP-1X,對DIME方式是不夠的,只有采用AGP-2X才是真正適合于DIME的速度。
(5)AGP技術主要是針對繪制、處理三維圖形而言,同時,AGP對于MPEG2(Motion Picture Experts Group,動態圖像專家小組)視頻的再生具有積極作用,這是指不用專用解壓硬件而用CPU來解壓MPEG2視頻數據的情況,用CPU解壓時,可在畫面顯示時,經AGP將解壓后的視頻數據傳送給視頻存儲器。
總之,AGP技術是提高三維圖形/視頻處理速度的切實可行的解決策略。而在應用中必須注意上述這些問題。才能全面領會AGP技術的實質。
七、即插即用(Plug & Play, PnP)
(一)問題的提出
在進行微機硬件系統的擴充時,對非微機專業人員而言,最麻煩的是各種跳線器的設置。因為微機系統的資源空間(如存儲空間、I/O地址和中斷向量等)是有限的,幾乎所有的設備都要使用這些資源,這就可能引起兩個或多個設備使用相同的系統資源產生的沖突,一旦產生沖突,系統就不能正常工作。為了避免與其他設備發生沖突,各外設擴展卡制造廠都將自己的擴展卡設計得靈活一些 使其可使用的系統資源是可調整的,一旦某些資源已被其他設備占用,就可調整自己使用其它的資源。外設的這種調整能力目前大多都是用跳線器來實現的。擴充微機硬件系統時,必須調整各個外設(擴展卡)的跳線器,使整個系統資源不發生被占用的沖突。為此,微機系統急需提供一種方便的技術,使非微機專業人員也能根據自己的需要方便地擴充系統功能,這種技術就是“即插即用”(Plug & Play)。
所謂“即插即用”是指為微機系統提供了這樣一種功能:只要將擴展卡插入微機的擴展槽中時,微機系統就能自動進行擴展卡的配置工作,保證系統資源空間的合理分配,以避免發生系統資源占用的沖突。這一切都是開機后由系統自動進行的,而無須保作人員的干預。
(二)即插即用功能簡述
1992年在美國舊金山召開的WinHEC(窗口硬件工程)會議上,Microsoft和Intel公司提出了“即插即用”標準的建議,由于這一建議對發展PC機有著重大意義,立即得到世界上20多家公司的響應,組成了推廣“即插即用”標準聯盟,開展了一系列發展和推廣即插即用的工作。
為達到“即插即用”完全一致性的要求,應該改變PC系統的4個主要部分,即基于ROM的BIOS、操作系統、硬件設備和應用軟件。一旦“即插即用”實現了完全一致性要求,“即插即用”就幾乎能使PC系統上的每個I/O總線和端口由軟件進行自動配置,其中包括ISA、EISA、PCI、VL-BUS、PCMCIA、SCSI、MCA、IDE、并行端口、RS-232C串行端口和SVGA監視器。即插即用還將設置系統中的硬接線母板設備,如鍵盤、鼠標、控制桿和顯示控制器。這樣,在PC系統中就根本不需要跳線器和DIP配置開關,也無需運行一此配置文件,如CONFIG.SYS,SYSTEM.INI AUTOEXEC.BAT和WIN.INI等。
即插即用功能主要取決于微機的系統總線結構,EISA和PCI總線本身就采用了即插即用技術,提供了這種功能。但EISA所采用的即插即用技術還不完善 在擴展EISA卡時,需要配置程序進行系統的配置工作;PCI所采用的技術非常完善,為用戶提供真正的即插即用功能。PCI總線標準定義了三種地址空間;存儲地址空間、I/O地址空間和配置地址空間。其配置空間為256字節, 每個PCI設備都有,它包含了PCI設備的有關信息:設備類型代碼、設備控制、狀態和延時寄存器、設備擴展ROM的位置和基地址寄存器。當PCI卡插入到微機系統時,系統BIOS根據每個PCI設備的配置信息分配系統資源,保證整機系統協調一致地工作。

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