书城科普读物探究式科普丛书-高速智能的计算机
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第4章 软硬兼备——计算机的构成(2)

1985年,Intel又推出了80386芯片,它是80X86系列中的第一类32位微处理器,并且它的制造工艺与以前的处理器相比也有了很大的进步,它的内部含有27.5万个晶体管,时钟频率为12.5兆赫兹,后来又逐渐提高到20兆赫兹、25兆赫兹、33兆赫兹等,每一次的提升都是一个进步的表现。它的内外部数据总线都是32位,地址总线也是32位,此时的内存已经增加到4GB(4GB=1024×4兆)。

80386芯片除了具有实模式和保护模式外,还具有一种叫虚拟86的工作方式。这种工作方式可以通过同时模拟多个8086处理器来提供多种任务能力。随着科学技术的不断发展,Intel公司又陆续推出了一些其他类型的80386芯片,例如80386SX、80386SL、80386DL等。

1990年,Intel公司又推出了80486芯片,它是该类型中价格最低的一种机型,与80486DX相比它没有数学协处理器。并且时钟频率采用了时钟倍频技术,也就是芯片内部的运行速度比外部总线运行速度要快两倍,不过没有改变原来时钟与外界通讯的速度。后来在80486DX的基础上又研制出了80486DX2,它的内部时钟频率主要有40MHz、50MHz、66MHz等。另外,延伸的80486DX4也采用了时钟倍频技术的芯片,时钟频率为100MHz,它允许芯片内部的运行速度比外部总线的运行速度快两倍或三倍。并且为了支持这种提高了的内部工作频率,芯片内高速缓存也扩大到16兆。80486DX4的运行速度比66MHz的80486DX2快40%左右。

其次是Pentium时代的CPU。

1992年10月20日,在纽约第十届PC用户大会上,葛洛夫正式宣布Intel公司推出的第五代处理器被命名为“Pentium”。很多人都非常地疑惑,为什么不接续以前的命名规律把它命名为“586”呢?

原来,它具有以前的计算机处理器所不具备的新型功能。另外一个原因就是为了能和其他公司的产品来进行区分,因此才为它取名为“Pentium”。这一举动出乎许多人预料,并引起了很大的轰动。

Pentium的中文意思是“奔腾”,代表处理器的强大处理能力和高速性能。它的频率有60、66、75、90、100、120、133、150赫兹等,并且所有的“奔腾”CPU内部都装有16位的一级缓存。在后来出现的PentimuPro中,一个二级缓存芯片就有256兆,并且它和CPU之间用高频宽的内部通讯总线互连,处理器与高速缓存的连接线路也被安置在其中,这样能够使高速缓存更容易地在更高的频率上运行。当然,随着技术的不断进步与研究人员的不断努力,奔腾Ⅲ也在不断地更新换代,从奔腾MMX、奔腾Ⅱ、奔腾Ⅲ以及后来更先进的发展,都说明了处理器是在不断地更新换代的。

1955年的时候,AMD公司开始对抗奔腾Ⅲ,推出了K6——3处理器。这款处理器采用的是三层高速缓存结构,内部设有64位的第一级高速缓存及256位的第二层高速缓存,并且在主板上还配置了第三级高速缓存。K6——3处理器还支持增强型的指令集。令人遗憾的是,由于某种原因K6——3处理器在台式机上的运用并不是很成功,这也是它逐渐从台式机市场消失、转入笔记本市场的主要原因。

其实,K6——3处理器并不是AMD公司的最大成就,真正让AMD公司骄傲的是K7的Athlon处理器的出现。它具有超标量、超管线、多流水线的核心,采用的是0.25微米的工艺,内部总共含有2200万个晶体管,并且它还包含有3个解码器,3个整数执行单元,3个地址生成单元以及3个多媒体单元,可以在同一个时钟周期同时执行3条浮点指令,每个浮点单元都是一个完全的管道。

另外,它的内部设有128位的全速高速缓存,芯片外部是0.5时频率以及512兆容量的二级高速缓存,由于它的缓存比较大,所以能够进一步提高服务器系统所需要的庞大数据。

最后是新世纪的CPU。

CPU的发展速度也就是计算机的发展速度,当科学技术迈进了新世纪之后,CPU也跟着有了很大的变化,终于突破了1吉赫兹的大关,走向了新的世界。俗话说,没有竞争就没有进步,的确,在市场激烈的竞争下,促使了新产品不断问世。其中,竞争最激烈的是Intel公司与AMD公司,它们分别推出了Pentium4、Tunderbird、AthlonXP和Duron等处理器。

Pentium4是于2000年11月出现的,是Intel旗下发布的第四代Pentium处理器。它没有沿用奔腾Ⅲ的架构,而是采用了全新的设计理念,包括等效于400兆赫兹的前端总线、SSE2指令集、256位、512兆的二级缓存、全新的超管线技术以及以1.3吉赫兹为起步频率等。

面对Intel公司的累累硕果,ADM公司也不甘示弱,它在2000年发布了第二个Athlon核心——Tunderbird处理器,与以前的产品相比,首先是改进了制造工艺,其次是改变了安装界面,最后是将二级缓存改为256兆,但是速度和CPU还是同步的。它在性能上要比奔腾Ⅲ领先,并且它的最高主频也一直比奔腾Ⅲ的要高。另外,它还是第一款首先达到1吉赫兹频率的CPU。

然而,随着Intel公司推出的Pentium4,ADM公司的Tunderbird也开始在频率上落后于对手。为了能够迎头赶上,AMD公司又发布了第三个Athlon核心——Palomino处理器,此CPU采用了最新的频率标称制度,也正因如此,Athlon型号上的数字并不代表它的实际频率,如果要达到Pentium4的频率还要根据一个公式换算才能得到。

另外把原来的名字也改为AthlonXP。例如AthlonXP1500+处理器实际频率并不是1.5吉赫兹,而是1.33吉赫兹。并且AthlonXP还兼容Intel的SSE指令集,在专门为SSE指令集优化的软件中也能充分发挥性能。

另外,对于低端CPU,AMD公司还推出了DuronCPU,它的基本架构和Athlon一样,只是二级缓存,只有64兆。

Duron的优点是,实用、价格低廉,因此它一时间成为低价组成兼容机的首选。不过Duron也有它致命的弱点,由于它和Athlon的基本构架一样,所以继承了Athlon发热量大的特点,并且它的核心也很脆弱,很容易烧坏CPU散热器。

(2)内存储器

虽然CPU是计算机硬件的核心部分,但并不是指它能够独立进行工作,它也需要与其他的设备相连才能运行。而内存储器就是直接与CPU相联系的存储设备,是微型计算机工作的基础,位于计算机的主板上。

一般来说,对于常用的微型计算机,它的内存储器有磁芯存储器和半导体存储器两种。目前大部分的微型计算机的内存都使用的是半导体存储器。从使用功能上来区分,又可以分为随机存储器(Random Access Memory,简称RAM),只读存储器(ReadOnlyMemory,简称ROM)。

①随机存储器

随机存储器是计算机工作的存储区,一切要执行的程序和数据都要先装入该存储器内。然后在需要的时候能够从该设备中读取数据或者写入数据。当CPU工作的时候,能够直接从RAM中读取数据,而RAM中的数据来自外存,并且会随着计算机工作的变化而变化。

随机存储器具有两个突出的特点,一是存储器中的数据能够反复使用,只有向存储器写入新数据时,存储器中的内容才会被更新;二是随机存储器中的信息会随着计算机的断电而自然消失。随机存储器在计算机处理数据时就相当于一个临时存储区,如果想要将数据长久地保存起来,必须将它们保存到外存储器中。

随机存储器是一种既可以读出,也可以写入的存储器。并且在读出的时候并不会损坏原来存储的内容,只有在写入的时候才会修改原来所存储的内容。另外,随机存储器可以分为动态(DRAM)和静态(SRAM)存储器两种。DRAM的特点是集成度高,主要用于大容量内存储器,而SRAM的特点是存取速度快,因此主要用于高速缓冲存储器。

②只读存储器

只读存储器是只能从该设备中读取数据,而不能往里写入数据的存储器。它的主要特点是只能读出原有的内容,不能由用户再写入新内容。并且,原来存储的内容采用一次性写入,能够永久性地保存下来。一般用来存放专用的固定程序和数据。在突然断电的时候不会丢失数据。也正是因为这样,存储在它里面的数据需要设计者和制造商事先编制好固定的程序,使用者不能随意地更改。它主要用于检查计算机系统的配置情况并提供最基本的输入与输出控制程序。例如CD——ROM光驱就是只读存储器的一种。

2.外部设备

计算机硬件中的外部设备主要包括外存储器(软盘、硬盘、光盘、磁带)、输入设备(键盘、鼠标、光笔、图形扫描仪等)、输出设备(显示器、打印机、绘图仪等)以及其他部分(网卡、调制解调器、声卡、显卡、视频卡等)。

(1)外存储器

外存储器也就是外存,也称为辅助存储器,是内存的延伸,它的主要作用是长期存放计算机工作所需要的系统文件、应用程序、用户程序、文档和数据等。当CPU需要执行某部分程序和数据时,由外存调入内存以供CPU访问,由此我们可以知道,外存的作用是扩大存储系统的容量。

外存储器主要包括软盘、硬盘、光盘以及磁带等,它们既属于输出设备又属于输入设备。软盘、硬盘、光盘是微型计算机使用的主要存储设备,一般来说,任何一台计算机都要有一软盘、一个硬盘和一个光盘。那么,它们对计算机分别起到哪些作用呢?

首先是软盘,它是由3个部分组成的,分别是软盘、软盘驱动以及软盘适配器。软盘是活动的存储介质,软盘驱动器是读写装置,软盘适配器是软盘驱动器与主机相连的接口。

虽然软盘是一种可装可卸、携带比较方便的磁盘,但是它的存取速度比较慢,容量也比较小。它作为一种可移动的贮存方法,适合用于那些需要被物理移动的小文件。

另外,按照尺寸可以把软盘分为8寸、3.5寸等,目前常用的软盘都是3.5寸的,存储容量为1.44兆。那么,软盘是怎样存储的呢?它的存储格式是按磁道和扇区来存储信息的。磁道是由外向内的一个个同心圆,从外向内圆圈越来越小,每个磁道又能分成几个扇区,而每个扇区又能划分成几个字节。例如,1.44兆软盘上有80个磁道,每个磁道有18个扇区,每个扇区又有512个字节,每个磁盘都有两面。

那么,你知道软盘是如何来工作的吗?其实,软盘的工作是要通过软盘驱动器来实现的。当软盘插入软盘驱动器后,驱动器的电机就通过离合器来带动盘片在封套内旋转,在封套上有一个读写槽,磁盘上的磁头通过读写槽沿着磁道移动而进行读写。我们生活中见到的唱片机或者VCD机等也是这样来工作的。

其次是硬盘,硬盘是由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成,它们中的大部分都是固定的硬盘,被置于主机箱内的硬盘驱动器中,是一种涂有磁性材料的磁盘组件,用于存放数据。

硬盘与软盘不同,虽然在它的上面也有磁道、扇区以及读写磁盘,但是它们之间是有一定区别的。比如说,一个硬盘可以有一到十张甚至更多的盘片,所有的盘片被串在一根轴上,两个盘片之间仅留出安置磁头的距离,而软盘只有一张盘片,并且有不同的磁道。硬盘的存储容量取决于它的磁头数、柱面数以及每个磁道的扇区数。另外,不同的硬盘之间的容量也是不相同的。主机和硬盘有很大的关系,因此在安装新的磁盘后,需要对主机进行硬盘类型的设置。此外,当计算机发生故障时也需要对磁盘类型进行重新设置。

那么,硬盘都有哪些种类呢?目前所使用的硬盘有固定式和抽取式两种。固定式是固定在主机箱内,容量在1GB~40GB(1GB=1024MB)之间的磁盘,而抽取式是和软盘比较相似的,只是存储速度和容量比软盘大的磁盘。它的容量一般为50MB、80MB等不同规格,使用于备份数据的存储,但是没有固定式硬盘的使用率高。

一般衡量硬盘的性能通过存储容量、速度、访问时间以及平均无故障时间等来衡量。另外,一张硬盘在使用之前也要注意对硬盘的低级格式化、分区以及高级格式化,因为只有做到这三点,才能保证硬盘正常工作。我们知道,目前使用的硬盘都非常地小,可是你知道吗,在计算机刚问世的时候,硬盘的体积有两台冰箱那么大呢!并且它的容量也非常地小,大约只有5MB。硬盘的基本架构真正被确立是在1973年IBM3340问世的时候,那时这台计算机的硬盘容量有30MB。随着计算机不断地更新换代,目前使用的硬盘的容量已经大大增加。据说,在2009年,希捷公司还有望制造出2500GB的超大容量的硬盘呢!