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微型计算机原理及应用学习笔记 实 用 接 口 知

来源:江苏自考网 发表时间:2013-12-05   【 【江苏自考网:江苏自考考试门户网】

一.主板
(一)主板的功能与组成
主板(Main Board,又称主机板、系统板、母板)是位于PC机机箱内的一块大型印刷电路板,这是PC机中最重要的部件之一,主板质量的好坏直接影响到整机的性能。据统计PC机许多不明的死机原因有90%都与主机有关。因此,主板的选择是很重要的。
图8-13是一块典型的AT主板。从图可见,主板的主要组成部件是:
CPU插座(Socket)或插槽(Slot)以及CPU芯片;
内存储器(内存条)插槽以及内存条;
系统控制芯片组;
用以接插各种接口卡所需的I/O扩展插槽;
连接硬盘机、软盘驱动器和光盘驱动器的外设接口插座;
连接鼠标器、键盘、打印机和MODEM(调制解调器)的串、并端口;
BIOS(Basic Input Output System,基本输入/输出系统)芯片和CMOS芯片;
电源、电池、电阻与电容等。
除显示器、键盘等外部设备外,主板上集中了PC机的大部分基本组件。主板的选择必然要考虑同这些组件有关的众多技术要素。这些技术要求为:
(1)对CPU支持程度。包括是支持某一种型号的CPU芯片,还是可支持同级别的其它兼容芯片;是否支持同一型号不同频率的芯片;是否便于今后的升级等。
(2)对总线的支持程度。包括是支持ISA总线、EISA总线,还是PCI总线。目前的奔腾主板和高能奔腾主板都采用PCI总线加上ISA总线。
(3)对内存条的支持程度。包括允许插入的内存条的条数、引脚数、内存芯片的类型(是支持 EDO DRAM还是 SDRAM芯片)。
(4)所采用的控制芯片组的选择。控制芯片组的类型决定了主板的级别与档次。
(5)对I/O控制器和端口的支持程度。包括对硬盘接口类型的支持,以及对各种并、串行端口和不同传输速度的端口的支持。如是否支持USB、IEEE1394、AGP等新接口。
(6)对多处理器的支持程度。是支持单CPU、双CPU还是4CPU等。
(二)ATX主板
在PC系列中Intel确立了80x86系列的CPU标准,IBM制定了ISA(Industry Standard Architecture,工业标准体系结构)总线结构标准.前者规定了PC机的指令系统,后者规定了PC机的电气特征,形成了通用的标准化的 IBM PC。然而上述标准对 PC机内部机械结构方面未作明确的规定。为此IBM在1984年推出IBM-PC/AT时,以产品定出了内部结构的标准 该标准以主板结构为主要特征,称为“AT结构标准”。 1990年前后又发展为 Baby AT结构。Baby AT主板如图8-14所示,其尺寸为26cmx22cm。有了这一结构标准 使组装PC机市场能迅速发展。
随着计算机技术的进一步发展,特别是电子计算机、电器和电信“三电一体化”和多媒体技术的发展,使集成到PC机中的功能日益增多,从而使传统的Baby AT结构的缺点日益突出,这些缺点是:
(1)Baby AT主板是 “竖板”设计,即短边位于机箱的后面板,使PC机后面直接从主板引出接口(端口)的空间太小,不利于插接各种扩展卡及引线接口。而当代PC机与外部的接口越来越多,例如多媒体功能的接口就有视频及高保真视频信号的输入输出,声音信号的输入输出等,由于集成技术的发展,这些接口逻辑部可集成在主板上,但由于主板的横向尺寸太小,这些输入输出信号的接口连接器无法直接从主板上引出,必须用特殊的线缆连接到机箱背部的连接器上。线缆增多造成PC机内部结构复杂,降低了系统的可靠性,增加了维护的难度,甚至会破坏PC机的电磁兼容特性--电磁辐射超标。
(2)主板上CPU芯片和内存条的安装位置不合理、当前的PC机中所用的CPU芯片性能高、功耗大,必须要有良好的散热装置,才能保持芯片不过热,保证工作稳定,为此在CPU的顶上加装了一个小风扇,用来为CPU散热。由于小风扇的加入,大大增加了CPU的高度,而Baby AT结构标准中,CPU芯片位于I/O扩展槽的下方,使全长的I/O扩展卡插不上,另外内存条插槽安排在电源底下,拆装内存条很不便。同时,这样的位置安排对插拔CPU芯片也带来不便。
(3)软、硬盘控制器,软、硬盘机和光盘驱动器的支架在主板中无特定位置,这就使得在连接软、硬盘机和光驱等设备时,由于连接线缆过长造成PC机机箱内连线混乱,这不仅会降低系统可靠性,严重时还会产生电磁干扰。硬盘连接线缆过长会使很多高速硬驱无法发挥高速特性,制约了PC机整体性能进一步提高。
为了解决这一问题,1995年7月,Intel公司公布了一种称为“ATX Form Factor”(简称ATX)的设计规格,它以主板结构为主要特征,提出了全新的主板、机箱与电源尺寸的设计建议,作为下一代PC机内部布局的标准,可实现PC机整机结构本质性的提升。
ATX主板的外形相当于旋转了90º的Baby AT主板,使长边紧贴机箱的后部。如图8-15所示。
 
ATX结构的主要特征为;
(1)CPU插座和内存条插槽的位置作了重新的设计,把CPU插座从原来ISA扩展槽附近移开,移到右边电源的附近,这样,不再影响I/O扩展卡的安装,使所有的I/O扩展槽都可以插入全长扩展卡。而内存条插槽从电源附近移到主板中部,这样一来装拆内存条都很方便。
(2)CPU的位置紧靠电源风扇,只要加装一块散热片,利用电源的通风冷却系统电源风扇可直接为CPU散热,而不一定再加装专用的CPU散热小风扇。
(3)A7X主板把PC机主机同外围设备相连接的串行、并行和多媒体等接口(端口)全部集中在主机的右上方,并且与主机是水平方向排列。还有一种双层接口(Double Expandable I/o Connector)如图8-16所示,能连接更多的外部设备。这样的安排改变了旧机箱后部接口(端口)繁杂混乱的状况,使PC机安装调试更方便快捷,也为把各种I/O卡集成到主板上创造有利条件。可以说ATX主板具有超强的扩充性。
(4)ATX主板把软盘、硬盘和光驱等连接线设计在主板的右下方,更接近于软驱硬驱和光驱的位置,这样不仅安装方便,同时也减少了有关线缆的长度 支持更高速度的硬盘和光驱工作,适应了新一代高速外设传输的需求。
(5)ATX规范使机箱内部各种线缆长度大为缩短,有些线缆甚至通过提高集成度而消失,使整机的电磁辐射减到最低,消除了电器之间的相互干扰现象,提高了整机的安全
性,也保护了人体健康 达到绿色环保的要求。
ATX规范对整机的电源系统也作了重大改进。
(1)ATX规范规定电源开关关闭时提供5V100mA的弱电流,可以维持PC机内部一小块电路在关机的状态下依然工作,便于实现遥控开启机器和定时关闭机器的功能。这一小块电路的工作用来检测各种开机命令,如电话呼叫需要开机处理 或者遥控开机信号需要开机等等,接收到开机命令以后,向电源发出开启信号,电源完全打开后,整台机器开始工作。ATX规范的这一特征可以真正实现绿色节能的功能,并为PC机在收发传真、应答电话、智能控制家电等方面得到广泛的应用。
(2)ATX规范规定电源除+5V、-5V、+12V和-12V4种输出外,还提供了3.3V的输出。使PC机能工作干低电压的工作状态 从而降低了整机的功耗。
正由于ATX主板具有上述一系列优点。因此,自推出后,逐渐成为PC机的主流板。
二、芯片组
(一)芯片组的功能与组成
CPU芯片是PC机的灵魂,是PC机能完成强大的信息处理功能的核心器件,CPU要完成PC机所需要的信息处理功能,还必须有一系列的“支持电路”和“接口电路”。例如,CPU要能向外部设备输入或输出信息,必须要有并行接口电路和串行接口电路;CPU要能具有中断功能,必须要有中断控制电路,CPU要能支持DMA(Direct Memory Access,直接存储器存取)功能,必须要有“DMA控制电路”;要把 CPU的芯片总线转换成系统中各模块间传输信息的公共通路——系统总线,必需要有“总线控制电路”。此外,要向CPU及系统中其它部件提供时钟信号,那么“时钟发生电路”也是必不可少的。在早期的PC机中,这些接口电路和支持电路都是由一些中、小规模集成电路和成千上万个电阻、电容组成。这样 不但占用了主板中的很大位置 而目还给维修带来很大的麻烦。
在PC286以上的微机系统中,为了简化硬件部分的设计,减少主板上芯片的数目,增加硬件的可靠性,大部分厂商都采用芯片组(Chip set)技术来设计 PC主板。随着超大规模集成电路(VLSI,Very Large Scale Integration)技术的发展,这一趋势更为明显。采用VLSI技术,把主板上众多的接口芯片和支持芯片按不同功能分别集成到一块集成芯片之中。这样,用少量几片VLSI芯片就可完成主板上主要的接口和支持功能 这几个VLSI芯片的组合称为“芯片组”。采用芯片组技术后,可以简化主板的设计,降低系统的成本、提高系统的可靠性,同时对今后的测试、维护和维修等都提供了极大的方便。
在PC机中,整个系统的有效运行都由系统控制芯片组(简称“芯片组”)来控制和协调,芯片组决定了系统的如下特性:
1)CPU的类型,是 Pentium,Pentium Pro,Pentium MMX还是 PentiumⅡ,除决定芯片类型外,还决定芯片主频范围;
2)内存条的类型,是FPM(Fast Page Mode,快速页面模式)、EDODRAM(Extended Data Output扩展数据输出)、BEDO DRAM(Burst EDO,实发式EDO),SD RAM(Synchronous DRAM,同步DRAM),还是ECC(Error Checking and Correction,错误检测和纠正)是支持其中一种,还是几种;
3)L2 Cache的类型,是突发式,管道流水线突发式、同步式,还是异步式;
4)存储器总线的最大速度,是66MHz,75MHz,83MHz,100MHz还是133 MHz;
5)PCI总线类型,是32位,还是64位,同存储器总线速度是同步还是异步;
6)对称多处理能力,是支持单个CPU,2个CPU,3个CPU还是4个CPU;
7)对内置PCI、EIDE控制的支持;
8)内置PS/2鼠标、键盘控制器、BIOS以及实时时钟电路。
芯片组一旦选定,则系统的上述特性就同时固定,在使用的过程中,芯片组是无法升级的。
90年代以来,Pentium系列芯片的推出和PCI总线的使用,使PC机的结构发生了一次飞跃,是进入高性能PC机的一个标志,因而从90年代中期以来,所推出的芯片组都是基于 Pentium(包括 Pentium Pro)处理器系列和 PCI总线的芯片组,通常称为 PCI芯X组。
(二)芯片组与主权的关系
主板是PC机中最重要的部件,除显示器、键盘等外部设备之外,主板上几乎集成或安装了PC机的大部分组件。主板上的主要部件有CPU插座及CPU芯片、内存条插槽及内存条、系统控制芯片组、I/O扩展插槽、外设接口插座(并行和串行端口)等。主板的选择可以分别从上述各部件进行。例如,从CPU的角度出发,可以有“奔腾(Pentium)级”、“高能奔腾”(Pentium Pro)级、“多能奔腾”(Pentium MMX)级和“奔腾Ⅱ”(Pen-tium Ⅱ)等等;从内存条类型的角度出发,可以是支持EDO DRAM、还是SDRAM,是SIMM(Single Inline Memory Module,单列存储模块)还是 DIMM(Dual Inline Memory Module,双列存储模块)等等;从I/O扩展插槽即总线扩展插槽角度出发,可以是ISA总线,EISA总线、VL总线还是PCI总线;从主板上的接口和端口的角度出发,可以是支持EIDE(Enhanced IDE,增强的IDE)、支持SCSI(Small Computer System Interface,小型计算机系统接口)、支持USB(Universal Serial Bus,通用串行总线)、支持AGP(Accelerated Graphics Port,加速图形端口)还是支持Uitra DMA/33接口等等。上述这 4个方面的特性决定了主板,也就是决定了一个PC系统的主要性能和档次。但是,必须着重指出的是,这4个方面的特性同主板上的另一个部件的性能是息息相通,密切联系的。这一个部件就是系统控制芯片组。
芯片组是用VLSI技术,把主板上众多的CPU的接口芯片和支持芯片集成到几个(通常是1~3片)集成芯片中。也就是说,芯片组中包括了CPU的接口芯片和支持芯片。这里的接口芯片包括CPU同外设进行数据传送所必须的并行接口和串行接口,以及从CPU的芯片总线转换为系统中各模块间传送信息的系统总线之间的“总线接口”电路。因此,芯片组选定后,总线扩展插槽的性质、串行与并行接口的性质,以及所能支持的各种接口或端口的类型和接口特性也就确定了。而芯片组中的支持芯片包括支持CPU及系统的中断功能、DMA功能、定时计数功能、时钟发生器的性能等等。这样,芯片组选定后,主板以及系统的数据传送的控制方式、CPU及有关部件的可用频率等特性也就确定了。同时,芯片组还包括了内存储器的控制电路和Cache的控制电路,因而,芯片组一经选定,主板所能支持的内存容量、类型、以及内存的主要性能随之确定。最后,芯片组包括的主要是CPU的接口芯片和支持芯片,那么作为接口的“主体”以及被支持的“对象”——即CPU的特性也受芯片组性能的约束。从而,芯片组一旦选定,主板所支持的CPU的型号、范围以及个数等也必然被确定。
从上面的分析,可以清楚地说明,选择主板的重点是选择芯片组,在整个PC系统中,系统的有效运行是靠芯片组配合CPU来控制和协调的,芯片组是构成主板外围电路的核心,它决定了主板的类型和档次。
三、显示卡
(一)显示器
显示器是微机系统中最重要的输出设备,其作用是将主机发出的电信号经过一系列的处理后转换成光信号,并最终以文字、图形形式显现出来。显示器的主要参数为:
(1)点距。点距是指一种给定颜色的一个发光点与离其最近的相邻同色发光点之间的距离,点距不能用软件来更改。在任何相同的分辨率下,点距越小,图像越清晰,l4英寸显示器常见的点距有28mm和31mm。
某些显示器用条纹代替标准的CRT的色点,它所产生的图像更亮丽、更清晰,条纹间距在0.25~0.26mm之间。
(2)分辨率。分辨率是指屏幕上所显现出来的象素数目,象素数越多,分辨率越高,分辨率通常以象素数来计算,例如640X48o的象素数为307200,640为水平象素数,480为垂直象素数。
在屏幕尺寸不变的情况下,分辨率不能越过其最大合理限度,否则,就失去意义、例如14英寸显示器的最大分辨率为1024×765;15in显示器的最大分辨率为1280×1024;17英寸显示器的最大分辨率为1600×1280。
(3)扫描频率。扫描频率是指显示器每秒钟扫描的行数,单位为KHz,它决定最大逐行扫描清晰度和刷新速度。水平扫描频率、垂直扫描频率、分辨率三者密切相关,每种分辨率都有其对应的最基本的扫描速率。例如,用于文字处理、分辨率为1024×768的水平扫描速率为64KHz。
(4)刷新速度。显示器的刷新速度是指每秒钟出现新图像的数量,单位为Hz,又称刷新率,刷新率越高,图像的质量越好,闪烁不明显。通常70~72Hz的刷新率即可保证图像的稳定。
(二)显示卡
显示卡简称显卡,是计算机内主要的I/O卡之一,CPU处理的数字信号必须经显示卡进行后续的图像的处理、加工和转换后成为模拟信号,才能由显示器显现。
显示卡的主要技术参数有最大分辨率、刷新频率和色深等 前二者同显示器,而“色深”又称“颜色数”,是指显卡在当前分辨率下能同屏显示的色彩数量 一般以多少“bit”(位)色来表示,例如标准VGA显卡在320×200分辨率下的色深为256色或8bit色;SuperVGA标准显卡最大分辨率可达l600×1200,色深可达32bit色。
显卡的基本结构如图8-17所示。
从图8-17可见,显卡主要由如下部件组成。
(1)显示芯片。这是显卡上最大的一个芯片是用来处理图像信号的CPU,可以处理软件指令以完成特定的绘图功能,是决定显卡性能的主要器件。
(2)显示内存。用来暂存显示芯片处理的数据。显卡的分辨率越高,屏幕上显示的象素点越多,要求显存的容量也越大,例如,显示1024×768×65536色至少需要2MB显存。专业型3D(三维)显卡都具有2MB以上的显存容量,而娱乐型显卡可通过廉价的AGP技术获得大的存储容量。
(3)RAMDAC。这是一个数模转换器,用来将显存中的数字信号转换成显示器能接收的模拟信号。RAMDAC的转换速度以MHz表示,速度越快,图像越稳定。大多数娱乐型显卡都将RAMDAC集成在显示芯片内以降低成本,高档专业型显卡采用高品质的外置式RAMDAC芯片。
(4)VIDEO BIOS。开机或启动时首先显示在屏幕上的内容就是固化在该芯片里的一般用EPROM芯片,新式显卡采用E2PROM芯片,可以通过专用程序来改写VIDEO BIOS。
(5)VGA特性插座。这是显卡与外部视频设备交换数据的通道,大部分显卡都有此插座,可插上于卡与外部视频设备通信,常用的子卡有电视子卡和解压卡等。
(6)显示器插座。显卡的显示器插座与显示器连接,以便将相应的影像输出到屏幕。这是一个D形插座,有三排孔,每排5个孔,共15个插孔。
(7)总线接口。用于显卡同主机板的连接 目前流行的是PCI接口与AGP接口。
(8)声音输出插孔。用于配接解压子卡后,VCD的声音由此输出(而软解压的声音由声卡输出)。
四、EIDE接口与SCSI接口
(一)EIDE接口
硬盘驱动器(Hard Disk Drive, HDD或HD)简称“硬盘(机)”是PC机中一个不可缺少的重要部件,它集电子技术、电磁转换技术、精密机械制造与传动技术之大成,又是使用频率最高的部件之一。从硬盘机的发展历史看,硬盘机有ST506硬盘机、ESDI硬盘机、IDE硬盘机以及SCSI硬盘机等几种,目前在PC机中使用最多的是IDE硬盘机。这里提到的ST506、ESDI、IDE以及SCSI都是一种硬盘接口的标准。
IDE(Integrated Drive Electronics,集成驱动器电子部件)是 Compaq公司开发的,并由Western Digital公司生产的硬盘驱动器接口。IDE接口并不是正式标准规范的名称,美国ANSI(American National Standards Institute,美国国家标准学会)于1991年正式把IDE接口命名为ATA(AT Attachment)接口,但一般还是习惯于沿用“IDE接口”的名字。IDF接口的最大特点是把原先ST506接口的控制器部分直接做到硬盘驱动器中,它把硬盘控制器电路跟硬盘驱动器本身的控制电路集成在一起,因而命名为“集成驱动器电子部件”。这样,在IDE接口的适配器电路中,不包含硬盘控制器。这一特点所带来的好处是,可以消除驱动器和控制器之间的数据丢失问题,使数据传输十分可靠。同时可以把每磁道的扇区数提高到30个以上,从而增大了可访问的容量。由于把控制器电路并入驱动器内,因此,从驱动器中引出的信号线已不是控制器同驱动器之间的接口信号线,而是通过简单处理后可同主系统连接的接口信号线,IDE接口采用40芯单排电缆连接,这是IDE接口方式同前二种接口——ST506接口和ESDI接口的区别所在。
传统的IDE接口最多只能连接二台硬盘。在硬盘机连接之前,必须设置其工作模式IDF硬盘有三种工作模式:Spare(单机)、Master(主)和Slave(从),Spare是指一条单排电缆只接一台硬盘机的状态,而接两台硬盘时 所接硬盘有两种工作状态,所接的第一台硬盘(C:盘)位置的为Master模式。第二台硬盘(D:盘)位置的为Slave模式。不少的IDE硬盘机在出厂时设置其默认值为“Spart”或“Master”。
IDE接口的硬盘机的基本特性是:①最多只可连接两台硬盘机;②数据传输率不超过2Mb/s;③只能支持528MB的最大容量 ;④最大传输带宽只有8位;⑤只能进行轮流操作,不能并行处理。
硬盘机是PC机中发展最迅猛的部件之一,存储容量和传输速度是硬盘机各项性能指标中提升最快的二项,这样,传统的IDE接口就远远不能满足硬盘机发展的要求。1993年,硬盘机专业公司 Western Digital开始着手制定增强 IDE规范(EIDE.即 ATA-2),1994年正式公布了EIDE规范。EIDE的主要特性是:①数据传输率至少可达12~18Mb/s;②支持硬盘的最大容量可达8.4GB;③可连接4台满足EIDE标准的外部设备④传输带宽为16位,可扩展到32位;⑤EIDE在内存及硬盘读写操作可并行处理。由于EIDE接口性能优越,已成为一般PC机硬盘的标准接口。
为了进一步提高ATA-2(即EIDE)的安全性和可靠性,硬盘驱动器工业组织SFF委员会又推出ATA-3标准,其特点是:①具有较高的可靠性;②提供了一个基于口令的简单的安全保护机制;③采用S.M.A.R.T(Self Monitoring Analysis And Report Technology,自监测,分析和报告技术);对硬盘可能发生的故障类型,预先向用户提出警告;④采用更成熟的电源管理。
硬盘机与主机进行数据交换的方式有二种:
(1)PIO(Programming Input/Ouput,编程 I/O)模式。这是通过 CPU执行 I/O(端口指令来进行数据的读写,对硬盘读写一般采用I/O串操作指令,只需取一次指令就可重复多次完成I/O操作 使之达到高数据传输率。
(2)DMA(Direct Memory Access,直接存储器存取)模式。数据不经过 CPU而直接在硬盘和内存之间传送,现在所有新的芯片组都支持总线主控DMA,DMA传送有单字和多字两种传送方式,单字DMA传送在每次DMA请求只传送一个16位字,而多字DMA传送只要DMA请求信号保持有效,将持续不断地传送16位字,直至终止计数。
各种传送模式的数据传输车如表8-8所示。
表 8-8中Ultra标准是在新标准ATA-4推出之前的一种过渡标准,在该标准中增加了一个高性能的传输模式-DMA/33,这种传输模式具有33Mb/s的数据传输率。Ultra ATA具有如下特点;①提高了突发模式的数据传输率;②数据可靠性得到进一步的提高,采用一种新型的CRC (Cyclic Redundancy Check,循环冗余校验码);③保持向后的兼容性。由于这些特点的存在,使它在目前硬盘接口中,成为速度最快捷的一种。
(二)SCSI接口
IDE接口,特别是EIDE接口具有良好的性能,所以在PC机中,一般用作硬盘驱动器和CD-ROM驱动器的接口标准是足够的,但是在服务器领域、超级计算机系统中,由于系统要求连接的外设数量较多,而且数据传输速度很高,这样,EIDE接口就显得力不从心了,而SCSI接口标准却能满足上述高速度、多设备的接口要求。
SCSI(Small Computer System Interface,小型计算机系统接口)是美国国家标准学会ANSI(American National Standards Institute)的标准,它定义一种输入/输出总线和逻辑接口,逻辑接口用来支持计算机和外部设备互联的总线。SCSI的主要目标是提供一种设备独立的机理,用来连接主机和访问设备,包括一个或多个主机。这样,通过单一的SCSI接口,不同的磁盘设备、磁带设备、打印机、光存储设备和其它设备能连接到主机系统中,而不需要修改一般的系统软件和硬件。
SCSI前身是 SASI(Shugart Associates System Interface),是70年代末由Shugart Associates公司开发的一种用于小型和中型计算机系统的8位并行独立于设备的外设或系统总线。从系统角度看,可使磁盘设备系统独立于实际的磁盘物理设备,它还允许不同的公司独立地开发系统和外设,并可一起使用。这种思路也为以后成功地开发开放系统的平台起了一定的推动作用。1982年ANSI作为小型计算机系统接口标准的基础,并于1986年批推了SCSI的最初版本SCSI-1,1994年完成了改进版本SCSI-2, 以后又陆续推出SCSI-3等标准。
SCSI 接口一般用于高端应用领域,作为一种智能型接口,它可连接硬磁盘机、CD-ROM光驱、可擦写光驱、磁带机、扫描仪以及一些通信设备等。SCSI接口的特点是数据传输速度快、可驱动的外部设备数目多,可靠性高、定义规范、互换性好等。SCSI接口的发展较快,出现多种类型的接口定义,带来一定的混乱。为此,国标SCSI贸易专业协会对各种不同类型的SCSI接口按统一格式进行重新命名。统一命名后的各类SCSI标准的主要性能如表8-9所示。
表8-9中SCSI-1原名为SCSI-1;Fast SCSI原名为SCSI-2;Ultra SCSI原名为Fast/Wide SCSI;Ultra 2 SCSI和Wide Ultra 2 SCSI为新增加的标准。
这里要说明的是,当前最先进的SCSI接口是Ultra 2 SCSI和Wide Ultra 2 SCSI,前者将8位数据宽度下的传输率提高到40Mb/s.驱动能力为支持7台外设;而后者是Ultra2 SCSI标准的增强版,其数据宽度为 16位,数据传输率为 80Mb/s。但要注意的是,这两种接口都要使用 LVD(Low Voltage Differential,低压差分)收发器才能满足需要。
同IDE(包括EIDE)接口相比较,SCSI接口在速度和驱动设备能力上的优势是明显的。同时,它能支持多种计算机系统,包括PC机、SPARC工作站和大型主机等多种平台,因此,在服务器领域、超级计算机系统以及网络系统中得到广泛应用。但由于其价格昂贵,对一般的PC机用户不太会考虑采用SCSI接口,而性能价格比较高的IDE(包括EIDE)当为首选的接口。
五、USB与 IEEE 1394
(一)USB
在传统的PC机机箱的背面,有一大堆线缆与插口,例如显示器信号线、键盘连接线、鼠标连接线、打印机连接线等线缆以及相应的插口,而这些插口有方插口、圆插口,同时各插口的插孔数也不尽相同。这样,要从PC机上拆卸或安装一个外设装置时,必须把对应的外设装置插头同机箱上对应的插口相接插,方插头要对方插口,圆插头要对圆桶口,不能插错。而且,一般外设装置的安装与拆卸,除了要关掉电源外,还要安装专属该外设的驱动程序,才能让PC机来识别这一外设。
USB(Universal Serial Bus,通用串行总线)实际上是一个万能插口,可以取代PC机上所有的端口(包括串行端口和并行端口),用户可以将几乎所有的外设装置——包括显示器、键盘、鼠标、调制解调器、游戏杆、打印机、扫描仪和数码相机等的插头插入标准的USB插口。同时,还可将一些USB外设进行串接,这样,可以使一大串设备共用PC机上的一个端口。此外,一些USB产品,如数码机和扫描仪,甚至可以不要使用独立电源即可工作。因为USB总路线可提供电源。
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月联合开发的计算机串行接口总线标准,1996年1月15日颁布了USB1.0版本规范。USB的主要规范是:
(1)数据传输速度有两种,用于连接打印机、扫描仪、交换器和电话机等设备的可达12Mb/s(比特/秒);用于连接键盘、鼠标器、调制解调器等的为1.5Mb/s;
(2)最多可连接127个外设装置(包括转换器——HUB);
(3)连接结点(外设装置以及HUB)的距离可达5m;
(4)连接电缆种类有两种规格,传送速度为12Mb/s的用带屏蔽双扭线,传送速度为1.5Mb/s的可用普通无屏蔽双扭线。连接器为4芯插针,其中2条用于信号连接,2条用于电源馈电线路连接。
USB提供中、低速率外设装置的扩充能力,这些中、低速率的外设都可通过USB与PC机(及其他计算机系统)连接并传送数据,不需要搭配附加的接口卡来占用PC机的扩展槽。USB设备的连接如图8-18所示。
图8-18中,USB设备是以转接器(HUB)与设备节点(NODE)的方式连接的,最多可以延伸到4个层次。PC机主板上一般配备2个USB连接器,可以连接2个USB设备,或者一个USB设备,另外一个接到HUB或具有HUB功能的USB设备。每一个HUB至少提供两个连接器,以及连接到下一个HUB的能力。因此,用户要安装HUB设备时,只要找到一个HUB(转接器)底下的连接孔,把HUB设备的插头直接插入即可。这样,一个USB系统从整体上可看成一种树型结构。按USB规格设计,可以同时使用最多达127个外设(含HUB)在同一台PC机上。当然,PC机要具备USB的连接功能必须有相应的软件和硬件条件的支持。硬件方面,“奔腾”、“高能奔腾”、“多能奔腾”和“奔腾Ⅱ”系统的430HX、430VX、430TX、440FX、4401LX以及440BX等芯片组都支持USB连接功能。因此,以这些芯片组设计的系统主板都支持 USB。而软件方面,Windows95 OEM Servic Release2(即 Windows 95 OSR 2)版本内已加入对 USB的检测能力,WindowS 98更是具有对USB的支持功能。
USB规范公布后,PC机制造厂商,外围设备生产厂以及LSI(大规模集成电路)芯片制造厂纷纷开发USB产品,许多新生产的PC机都备有USB接口。USB规范受到业界和用户的极大关注。这是由于USB具有一系列的优点:
(1)USB具有真正的即插即用(PnP,Plug and Play)特性,用户可以很容易地对外设进行安装和拆卸 主机可按外设的增删情况自动配置系统资源,同时用户可以在不关机的情况下进行外设的更换,外设装置的驱动程序的安装删除将实现自动化。
(2)USB具有很强的连接能力,最多可以链接形式连接127个外设到同一系统,这对一般的计算机系统是足够的了。
(3)低成本。一方面使外设的设计制造过程比较简单,因为所有系统的智能机制都驻留在主机中,另一方面USB从1996年4月起并入了Intel芯片组,从而使设备制造的开销降低。
(4)空间的节省。USB的引入减轻了对目前PC机中所有标准端口的需求,从而也减少了对PC机插槽的需求。
(5)USB与ETDM(Enhanced Time spanision Multiplexing,增强型时分多路转换)特性可以支持诸如ISDN(Integrated Services Digital Network,综合业务数字网)等高速数字电话信息通路接品,USB再加上Windows Telephone API (Application ProgramInterface,应用程序接口)后,为今后PC机同电话的集成提供良好的基础。
(6)连接电缆轻巧、电源体积缩小。USB使用的4芯电缆和+5V的直流电源给USB的用户和厂商带来了方便。
(7)USB是一种开放性的不具专利版权的理想的工业标准,由150多家企业组成的“USB实施者”(USB Inplementer Forum)是一个标准化组织,它所制定的任何标准不为哪一家公司所独有,不存在专利版权问题,所有USB组织的成员只要交付一定的会费(一年2500美元)即可。这一点也正是USB规范具有强大生命力之处。开放性是当前计算机技术能得到飞速发展的重要因素之一。
总之,USB的开发和应用将会很快改变PC机后部的端口设置,目前所用的各种标准的附加端口将会被若干个USB端口所替代。
(二)IEEE 1394
USB的数据传送速度为12Mb/s,这对于一般中、低速的外设是足够的,但对于一些高速的外设就有些力不从心了。而IEEE 1394则是用于高速数据传输的外围设置同主机之间连接的串行接口标准。
IEEE 1394(又称Fire Wire)是由Apple公司和TI(德克萨克仪器)公司开发的高速串行接口标准,其最高的数据传输率可达 1Gb/s(1024Mb/s)。IEEE 1394接口具有把一个输人信息源传来的数据向多个输出机器广播的功能,特别适用于家庭视听AV(Audio Visual)的连接。由于该接口具有等时间的传送功能,确保视听AV设备重播声音和图像数据的质量,具有很好的重播效果。IEEE 1394接口允许有很高的数据传输速度,作为PC机同外围设备之间的接口是很有前途的。目前400Mb/s左右的接口的接口检测芯片已投人市场,IEEE 1394接口已进入实用阶段。具备 IEEE 1394接口的 PC机,在显示器重播接收来的多媒体数据时,可利用其等时间传送功能,实现边接收边重播,不需配置价格昂贵的图像缓冲存储器,从而可降低系统成本。
IEEE1394 接口作为“信息家电”的专用接口是有极大的优势的,“信息家电”是数字化摄像录像一体型VTR(Video Tape Recorder,磁带录像机)、音频放大器、CD播放机、数字化音频磁带机(Digital Audio Taperecorder, DAT)以及电视机顶盒(Set Top Box)等数字化家用电器设备的统称。随着家用PC机多媒体化程度的加大,必然会提出“信息家电”同PC机以及PC机外围设备之间的多媒体数据交换、存储和处理的要求,而IEEE 1394接口自然是实现上述三者连接和沟通信息的重要途径。这些“信息家电”利用 IEEE 1394接口,通过单一类型专用电缆同PC机及其外围设备连接,构成一个高度综合的家庭多媒体信息系统,如图8-19所示。
必须指出的是,这样构成的多媒体信息处理系统具有良好的可伸缩性--可以方便地扩充或者降低系统的规模。例如,可以把这一系统收缩成仅由硬盘驱动器,简单控制设备和AV设备组成的简单的互联系统。其中,“简单控制设备”需要有“接触控制板”(Touch Panel),以用于指示读出写入的起始和终止,从而可以将图像和声音数据进行边编辑边存储。在这种简化的多媒体信息系统中,不一定需要由PC机作为中介,只要按”简单控制设备”发出的命令,即可实现磁盘驱动器同AV设备之间的数据传送。到目前为止 只有用IEEE 1394接口可以实现磁盘驱动器、AV设备和”简单控制设备 进行互联 也只有用 IEEE 1394接口才能把PC机及其外围设备同“信息家电 ”构成具有可伸缩性的多媒体系统。
此外,利用ATM(Asynchronous Transfer Mode,异步传输模式)技术可以扩展IEEE1394接口的作用,通过ATM网络的机顶盒外连ATM网络,内用 IEEE 1394接口 把各种家用电子设备与室外网络连接 可以有效地利用AW网络实现多媒体数据的相互交换。
显然 在多媒体信息处理系统中。IEEE 1394是更有前途的串行接口标准。
六、AGP
(一)AGP的特点
随着多媒体计算机的普及,为了使整个画面效果更接近于真实生活中所见的景像。对视觉效果的要求越来越高 从而对三维(3D,three-dimension)技术的应用也越来越广。
在PC机中,三维图形的处理一般可分为“几何变换”和“绘制着色”处理,如果这两种处理都由CPU承担,则CPU的负担太重。因此 将其中处理量极大的“绘制着色处理由三维图形加速卡上的三维图形芯片来完成。三维图形加速卡以硬件方式替代二维图形显示卡中由CPU通过运行软件来完成的耗时很大的“着色”处理,可以成倍提高运算速度。三维图形加速芯片除具有二维图形加速芯片应具备的支持色彩空间转换、图像编放、图像插值、双线缩放、图像压缩等功能外,还应具有硬件支持的Z轴缓冲区、纹理(Texture,又称“材质”)贴图、颜色浓淡插入(着色)技术、多边形动画技术、现缓冲存储器和alpha混合等特性。其中纹理贴图(又称纹理映射)是指可以将图形/图像(包括视频图形)或背景图案等像贴“墙纸”一样,粘接在三维图案(造型)的表面,一个三维立体物体,所使用到的“纹理图形数据”(Texture Data)越多,越复杂,则所显现的立体物体就越逼真,越富有动感。三维图形加速卡的“显存”(图像内存)除需存储屏幕上的画面数据外,还需存放“纹理图像数据”。
三维图形卡上的“显存”主要分为二部分,即“帧显存”的“纹理显存”。其中“帧显存”的大小决定了可支持的最高分辨率,例如2MB帧显存对应于640x480的分辨率,这一容量是固定的。 而随着用户(特别是一些游戏“玩家--游戏程序的发烧友)对视觉效果的要求越来越高,对三维图形加速卡上的“纹理显存”的容量要求也越来越大,目前一些高级的游戏程序已经要求16MB甚至更高容量的显存。而显存的价格昂贵,为了降低三维图形加速卡的成本,必须减小图形上显存的容量,把要求大容量的纹理数据存储到主存中去。但随之带来另一个问题是,在目前的PC机中 主存与图形卡之间是用PCI总线连接的,其最大的数据传输率为133Mb/s。同时,由于硬盘控制器、LAN(局域网)卡以及声卡等都是通过PCI总线同主存交换数据的。因此,实际的数据传输率远低于133Mb/s。而三维图形加速卡在三维图形处理时不仅要求有惊人的数据量,而且要求有更宽广的数据传输频宽。例如,对640 x 480的分辨率而言 以每秒75次画面更新率来计算“画面输出”需50Mb/s、“色彩输出”需100Mb/s、Z轴缓冲区需100Mb/s、“贴图纹理” 需100Mb/s,其他开销需20Mb/s则要求全部的数据频宽高达370Mb/s;若显示器分辨率提高到800X600,仅“贴图纹理”就需150Mb/s,总频宽流量为580Mb/s;而分辨率提高到1024X768时,“贴图纹理”高达250Mb/s。因此,原有PC机中133Mb/s数据传输率的PCI总线就成为三维图形加速卡上高速传送图形纹理数据的一大瓶颈。解决这一传输瓶颈问题,从PIC总线角度着手可采用两种方法:①把当前32位的总线扩展为64位;②把PCI总线时钟由333MHz提高到666MHz。这二种方法都可以把数据传输的频宽成倍地增加。但对大多数的PC机而言,实施都嫌太贵,同时由32位扩展为64位,必然使PCI有关设施更复杂。
AGP(Accelerated Graphics Port,加速图形端口)是在三维图形显示中,为解决“图形纹理”数据高速传输的瓶颈问题应运而生的。AGP是Intel公司开发的,于1996年7月底正式公布的一种新型视频接口技术标准,它定义了一种超高速的连通结构,把三维图形控制器从PCI总线上卸下来,用专用的点对点通道——AGP把图形控制器直接连在系统芯片组(“主存/PCI”控制芯片组)上,三维图形芯片可以将主存作为帧缓冲器 实现高速存取。AGP直接连通的系统芯片组以66.7MHz直接同主存联系,而AGP的数据宽度为32位,因此它的最大数据传输量为4 X 66.7=266Mb/s。是传统的PCI总线频宽的2倍。另外,AGP还定义了一种双激励(double pumping)的传输技术,它能够在一个时钟的上、下边沿由双向传送数据,如图8-20所示。这样AGP的实际数据传输频率就变成2×66.7MHz即133MHz,而其最大数据传输量也增为4×133Mb/s=533Mb/s。上述第一种情况(66.7MHz时钟)称为“基线AGP”或“AGP-1×”),第二种情况(双激励)称为全“AGP或“AGP-2×”)。当采用AGP2.0技术后,AGP的时钟频率为133MHz,有效频宽将为1Gb/s,是传统PCI的8倍,称为“AGP-4×”。
AGP的地址线和数据线分离,没有“切换”的“开销”,提高了随机访问主存时的性能。AGP可实现“流水线”处理,提高了实际数据传输速率、同时AGP是图形加速卡的一条专用信息通道,不用与其他任何设备共享 任何时候想调用该信息通道都会立即得到响应 效率极高。另外,由于将图形加速卡从PCI上分离出来 可以使PCI总线的重负载得到缓解,使PCI总线上的其他设备,包括PCI声卡、网卡、SCSI设备及PCI设备的工作效率随之得到提高。上述这几方面是AGP技术的优点所在 而从开发方面考虑AGP能配置在低价位的PC机中 它使相应的器件(图形控制芯片)制造简单,成本低。由于AGP除同主存/PCI控制芯片组连接外,只限于连接一个器件,因此所连接的器件容易开发,在主存/PCI控制芯片组,无需安装用于AGP仲裁的专用电路,可降低开发成本。
正由于AGP技术具有上述众多优点,所以在当前PC机中会越来越多地采用AGP技术。
(二)应用时应注意的问题
AGP目前有两种工作方式,一是DMA(Direct Memory Access,直接存储器在取)方式,它是利用高速 AGP来提高数据传输车 不使用PC机的主存作为显存的扩展,全部的图形运算还是在显存内部完成,这实际上不是真正意义上的AGP 。二是DIME(Direct Memory  Execute,直接内存执行)方式,当显存容量不够时,将主存当作显存来用,把纹理贴图,Z轴缓冲区、Alpha混合等耗费显存的三维操作全部放在主存内完成。采用DIME方式有二大优点:一是节省显存,这是AGP技术开发的出发点,使三维图形加速卡( “显示卡”)的成本大大降低;二是减少了主存与显示卡之间的数据传输,因为许多操作直接在主存上完成,就不必再在主存与显示卡之间倒来倒去。而目前PC机的配置状况为DIME方式提供了良好的条件:PC机的基本主存已是32MB或64MB,甚至是12SMB;同时100NlllZ的SDRAM(同步DRAM)已经普及,主存和显存之间的速度差距进一步缩小。
在讨论AGP应用的时候,必须注意如下几个问题。
(1)采用AGP技术,必须对PC机的系统结构作相应的改变,从主板、系统芯片组、图形控制器等都要作相应的变化。主板上要求有AGP插槽以安插符合AGP标准的图形卡(显示卡\系统芯片组要有一个新的 32位 I/O口用于插槽;而图形控制器和图形卡都需要转换从PCI AGP的通信协议。另外AGP也需要操作系统的支持,例如,Windows 98和Windows NT 5.0都加入对AGP的支持。
(2)AGP是使信息在图形控制器和系统芯片组之间专用的点对点的通道上传输AGP仅仅是一种一对一连接的“端口”(Pot),它不是一种“系统总线”甚至称其为“总线”也是不严密的,因为“总线”必须是在二个以上设备之间信息传输的公共通路。而PCI总线是目前在PC机中使用最为广泛的一种局部总线,AGP仅仅是对PCI总线在某些应用(如三维显示卡)中性能不足的一种补充,要说用AGP采取代PCI总线,则是不可能的 能取代PCI总线的只能是下一代的性能更高的新的系统总线。
(3)AGP是Intel公司为“奔腾Ⅱ”(Pentium Ⅱ)芯片设计的技术,只有同“奔腾Ⅱ” 的强大功能——高性能的浮点处理部件和高速、新型的高速缓冲存储器(Cache)相结合才能显著提高PC机的显示性能。在操作系统方面 Windows NT5.0 版本对 AGP进行全面优化;Windows 98在设计中已考虑到对AGP等硬件的全面支持。此处系统芯片组也必须具有AGP功能,例如Intel的440LXAGP Set芯片组。总之采用AGP技术,必须考虑系统的软、硬件的支持。
(4)采用DIME方式时AGP总体的传输率对整体性能影响极大,从理论上讲,在66MHz的频率下,AGP可达到相当于133MHz频率的532Mb/S的数据传输率,但由于编程序时的一些原因,实际上在应用中一般无法达到这一理论值,因此采用AGP-1X,对DIME方式是不够的,只有采用AGP-2X才是真正适合于DIME的速度。
(5)AGP技术主要是针对绘制、处理三维图形而言,同时,AGP对于MPEG2(Motion Picture Experts Group,动态图像专家小组)视频的再生具有积极作用,这是指不用专用解压硬件而用CPU来解压MPEG2视频数据的情况,用CPU解压时,可在画面显示时,经AGP将解压后的视频数据传送给视频存储器。
总之,AGP技术是提高三维图形/视频处理速度的切实可行的解决策略。而在应用中必须注意上述这些问题。才能全面领会AGP技术的实质。
七、即插即用(Plug & Play, PnP)
(一)问题的提出
在进行微机硬件系统的扩充时,对非微机专业人员而言,最麻烦的是各种跳线器的设置。因为微机系统的资源空间(如存储空间、I/O地址和中断向量等)是有限的,几乎所有的设备都要使用这些资源,这就可能引起两个或多个设备使用相同的系统资源产生的冲突,一旦产生冲突,系统就不能正常工作。为了避免与其他设备发生冲突,各外设扩展卡制造厂都将自己的扩展卡设计得灵活一些 使其可使用的系统资源是可调整的,一旦某些资源已被其他设备占用,就可调整自己使用其它的资源。外设的这种调整能力目前大多都是用跳线器来实现的。扩充微机硬件系统时,必须调整各个外设(扩展卡)的跳线器,使整个系统资源不发生被占用的冲突。为此,微机系统急需提供一种方便的技术,使非微机专业人员也能根据自己的需要方便地扩充系统功能,这种技术就是“即插即用”(Plug & Play)。
所谓“即插即用”是指为微机系统提供了这样一种功能:只要将扩展卡插入微机的扩展槽中时,微机系统就能自动进行扩展卡的配置工作,保证系统资源空间的合理分配,以避免发生系统资源占用的冲突。这一切都是开机后由系统自动进行的,而无须保作人员的干预。
(二)即插即用功能简述
1992年在美国旧金山召开的WinHEC(窗口硬件工程)会议上,Microsoft和Intel公司提出了“即插即用”标准的建议,由于这一建议对发展PC机有着重大意义,立即得到世界上20多家公司的响应,组成了推广“即插即用”标准联盟,开展了一系列发展和推广即插即用的工作。
为达到“即插即用”完全一致性的要求,应该改变PC系统的4个主要部分,即基于ROM的BIOS、操作系统、硬件设备和应用软件。一旦“即插即用”实现了完全一致性要求,“即插即用”就几乎能使PC系统上的每个I/O总线和端口由软件进行自动配置,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监视器。即插即用还将设置系统中的硬接线母板设备,如键盘、鼠标、控制杆和显示控制器。这样,在PC系统中就根本不需要跳线器和DIP配置开关,也无需运行一此配置文件,如CONFIG.SYS,SYSTEM.INI AUTOEXEC.BAT和WIN.INI等。
即插即用功能主要取决于微机的系统总线结构,EISA和PCI总线本身就采用了即插即用技术,提供了这种功能。但EISA所采用的即插即用技术还不完善 在扩展EISA卡时,需要配置程序进行系统的配置工作;PCI所采用的技术非常完善,为用户提供真正的即插即用功能。PCI总线标准定义了三种地址空间;存储地址空间、I/O地址空间和配置地址空间。其配置空间为256字节, 每个PCI设备都有,它包含了PCI设备的有关信息:设备类型代码、设备控制、状态和延时寄存器、设备扩展ROM的位置和基地址寄存器。当PCI卡插入到微机系统时,系统BIOS根据每个PCI设备的配置信息分配系统资源,保证整机系统协调一致地工作。

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