2.4 微机硬件系统及其扩展

2.4.1 微型计算机的硬件组成

我们可以从多种角度对现代计算机进行分类。一种常见的分类是根据计算机的处理能力将计算机分成巨型计算机、大型计算机、小型计算机、工作站和微机，其中微机为面向普通用户使用的个人计算机，目前已经非常普及。这里我们以微机为例，来简要说明计算机的硬件结构。

要了解微机的硬件组成，最为简便的方法就是打开微机的主机箱盖进行观察。人们一般都会想当然地认为微机内部结构非常复杂，但实际上由于制作工艺的进步，微机的硬件结构其实显得非常简单、清晰。图2-12展示了典型的微机内部结构。初看起来可能会觉得杂乱无章，但实际上整个机箱内部呈积木式结构，模块性很强，主要部件包括印刷电路板、电源、光盘驱动器（简称光驱）、软盘驱动器（简称软驱）、硬盘驱动器和带状缆线等。

（1）主机板。

在机箱内部，核心通常为一块较大的印刷电路板，一般被称做主机板，有时也称做母板。微机中最核心的部件（如微处理器、存储器、接口卡等）都安插在主机板上的插座和插槽内。微机系统中的各种设备和其他部件最终也都要连接在主机板上。图2-13展示了一块典型的主机板。

在主机板或扩展卡上，有许多有多个引脚的黑色方块，即为通常所说的芯片。由于集成电路技术的高速发展，目前可以把数以亿计的晶体管、电容、电阻、导线等电子元器件组成的线路集成在一小片晶体硅上，用陶瓷载体封装后，就形成了集成电路芯片。正是由于大规模集成电路技术的进步，把大量复杂的电子线路封装在芯片中，才使微机体积变得很小，机箱内部的结构显得简单、清晰。

（2）微处理器。

在主机板上，有一块较大的芯片比较引人注目，即微机的CPU，在微机中称做微处理器。微处理器是计算机中最为核心的部件，计算机的控制器和运算器都封装在微处理器中。计算机一经加电，微处理器就会处在高速运转过程中。由于长时间运转的芯片会产生大量热量，导致温度升高而损毁芯片，因此在微处理器芯片上通常都会安装一个风扇协助微处理器散热，保证微处理器芯片长时间正常运转。图2-14（a）是一块由英特尔公司生产的奔腾Ⅲ型微处理器芯片；图2-14（b）是安插在主机板上的微处理器芯片，可以很清楚地看到芯片上方装有一个散热用的风扇。

（3）存储器。

除了微处理器芯片外，存储器也安插在主机板上。在计算机中，通常会装配两种类型的存储器：一种是只能读出而不能写入的存储器，称为只读存储器（read only memory, ROM）。ROM中存储的程序和数据在厂家制造时就已经写入，其中的内容在计算机电源关闭后也不会消失。另一类存储器是既可以读出也可以写入的存储器，称为随机读写存储器（random access memory, RAM）。RAM在加电的情况下可以随时进行读出和写入，但其中存储的程序和数据在计算机掉电后则会消失。微机中，通常把若干块RAM芯片安插在一块条状的印刷电路板上组成双列直插式内存模块（也就是通常所说的内存条）；然后安插在主机板的存储器插槽中，如图2-15所示。微机用户可以根据需要来更换或增加内存条，以达到扩充内存容量的目的。

ROM和RAM在逻辑上最主要的区别在于，计算机不加电时其中存储的内容是否可以永久保持。由于ROM中的内容在出厂时被写入，其内容不会受到是否加电的影响。因此ROM中常用来存放一些很基本的维持系统加电后可以运转的程序，主要包括基本输入输出系统（basic input/output system, BIOS），用来完成对系统的加电自检，系统中各功能模块的初始化，驱动键盘、显示器等设备正常工作及引导操作系统的功能。计算机开机后，微处理器首先从ROM中读取程序并执行指令，检查微机硬件设备是否可以正常运转。在确认没有设备故障的前提下，从硬盘等外部设备中将操作系统读入RAM中；随后微处理器执行已经装入RAM中的操作系统，并进一步根据用户需要将其选择的程序装入RAM中并运行。可见，微机开机后首先会到ROM中读取要执行的指令。因此如果ROM发生故障，微机将不能正常启动和工作。

存储器是计算机系统中的重要部件，其容量和速度对计算机系统性能有很重要的影响。因为微处理器需要频繁地从存储器中读取将要执行的指令和数据，如果存储器的速度很慢，与微处理器的速度不匹配，则微处理器需要等待存储器。此时尽管微处理器的速度很快，但微机总体性能仍然会很低。存储器的容量也很关键，如果存储器的容量较小，则较大的程序或数据不能全部载入，微机就不能运行这些大程序或处理这些数据，而需要用复杂的管理办法来运行这些程序或处理这些数据，导致进一步降低系统的工作效率。但是，容量大且速度快的存储器价格非常昂贵，大量使用会导致微机系统价格的提升。

权衡系统性能和价格，目前计算机中常采用多级存储体系解决这一问题。在这样的计算机系统中，存储器通常按照其性能、容量以及价格分成不同的级别，不同性能、容量和价格的存储器共同组成计算机的存储器体系。最简单的办法是把计算机存储器分成两个级别，其中一级存储器速度很快，但容量较小，价格昂贵；二级存储器速度较慢，但容量很大，价格便宜。在逻辑上，一级存储器位于微处理器和二级存储器之间。在微机运行时，一级存储器中的内容是二级存储器中部分内容的副本。微处理器读写程序和数据时先访问一级存储器，若其中没有相应内容，再访问二级存储器，同时再把相应内容复制到一级存储器。这样就减少了对速度较低的二级存储器的访问次数，提高了微处理器访问存储器的性能。在这种结构中，一级存储器通常被称做高速缓冲存储器（cache）；二级是我们一般所说的内存储器。目前的微机系统中，还可以把高速缓冲存储器继续分成多级，例如分为片内高速缓冲存储器和片外高速缓冲存储器：片内高速缓冲存储器直接集成在微处理器芯片中，速度最快，但容量一般最小；片外高速缓冲存储器则安插在主机板上，速度比片内高速缓冲存储器慢，但容量要大些。随着技术的进步，微机所配备的存储器不断扩大容量，一般都有几百兆到上千兆个字节。但无论如何，存储器的容量仍然是有限的，为了弥补这一不足，目前的微机系统大多还支持“虚拟存储器”的概念。虚拟存储器并不是真正意义上的存储器，而是硬盘等外部存储设备上的一个区域。由于硬盘等外部存储设备容量巨大，计算机系统通常通过软、硬件手段把硬盘上的部分区域划分出来用做存储器，以弥补存储器容量不足的问题。虚拟存储器的容量通常可以很大，但其存取速度远远小于内存储器。

图2-16描述了目前微机系统中的多级存储体系。其中，层次越高，存储器的容量越小，但读写速度越快；层次越低，容量越大，但读写速度越慢。片内高速缓冲存储器拥有最快的读写速度，但容量最小；虚拟存储器的容量可以非常大，但存取速度则最低。