《计算机在化学中的应用》课程教学资源（讲义）第一章微机的基础知识.pdf_大学文库

从计算机在化学中的应用一第一章微机的基础知识第一章微机的基础知识1.1微机的发展微机的控制器和运算器是集成在一个芯片上的，称为中央处理单元(CentralProcessingUnit)，即微机的心脏CPU。CPU也称微处理器。1946年2月，世界上第台电子计算机ENIAC诞生；1971年元月，以T.Hoff为首的Intel研制小组完成了世界上第一个微处理器4004，集成了2200个晶体管；1977年苹果公司发布AppleII电脑并提出了PC的概念(PersonalComputer)；1981年IBM公司进入PC市场，采用协作厂家的现成产品，即Intel的CPU，Microsoft的DOS系统，并将IBMPC的规格公开，从此开始了PC时代。1985年11月，Microsoft公司发表第一代窗口视觉界面，使PC机进入了所谓的图形用户界面(GUI：GraphicalUserInterface)，随后发布的Windows3.1、Windows95、Windows98、WindowsMe、Windows2000、WindowsXP与Intel公司不断发展的CPU：8088,8086,80286,80386,80486,Pentium,PentiumProPentiumMMXPentiumⅡ,PentiumIⅢ,Pentium4一起，占据了PC最大的市场。1.1.1CPU的发展1)Intel系列CPU1978年，美国Intel公司首次生产出16位的微处理器，并命名为i8086，同时还生产出与之相配合的数学协处理器i8087，这两种芯片使用相互兼容的指令集，但在i8087指令集中增加了一些专门用于对数、指数和三角函数等数学计算指令。由于这些指令集应用于i8086和i8087，所以人们也称之为X86指令集。虽然以后Intel又陆续生产出更先进、更快的新型CPU，但仍然兼容原来的X86指令，而且Intel在后续CPU的命名上沿用了原先的X86序列，直到586时因商标注册问题，才放弃了继续用阿拉伯数字命名而改用Pentium系列命名。从某种意义上说，微机的发展史既是以Intel公司的产品X86系列CPU为代表的发展史。·80861978年6月推出，为第一代CPU（16位），内含29000个晶体管，时钟频率为4.77MHz，地址总线为20位，可使用1MB内存，它们的内外部数据总线都是16位，其运算速度<1MIPS(1个MIPS表示每秒钟运算1百万次)。·80881979年6月推出，是8086CPU的简化型，与8086的区别是：其数据总线宽度内部为16位、外部为8位。1981年8088芯片首次用于IBMPC机，开创了全新的微机时代。·802861982年2月推出，为第二代CPU(16位)，该芯片含有13.4万个晶体管，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz，其内部和外部总线均为16位，地1-1

从计算机在化学中的应用一第一章微机的基础知识址总线24位，可寻址16MB内存。80286有两种工作方式，实模式和保护模式。运算速度1~2MIPS。·803861985年10月推出，为第三代CPU(32位），它是80X86系列中的第种32位微处理器，内含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后逐步提高到20,25和33MHz，其内部总线和外部总线均为32位，地址总线也是32位，可寻址4GB内存，它除具有实模式和保护模式外，还增加了一个叫虚拟86的工作方式，可以通过同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。运算速度6～12MIPS·804861989年4月推出，为第四代CPU(32位)，芯片突破intel486DX2了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管，其时钟频率从25MHz逐步提高到33，50MHz，首次在486DXCPU内部将80386和数学协处理器80387以及一个8K的高速缓存集成在一个芯片中，HRO并且首次采用了RISC技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令它还采用了突发总线方式，大大提高了与内存的数据交换速度，由于这些改进，80486的性能比带80387数学协处理器的80386DX提高4倍。另外还有采用时钟倍频技术的芯片80486DX2(66MHz)和80486DX4(100MHz)。运算速度20~40MIPS·Pentium1993年3月推出的第五代CPU(32位），厂家代号：intel.pentiumeP54C，含有310万个晶体管，在相同的工作频率时，整数运算性能提高一倍，浮点运算性能提高5倍。其时钟频率也从最初的60，66MHz发展到75~200MHz，外部总线频率为50,60和66MHz。其中Pentium75~120采用0.6微米工艺制造，Pentium120~200采用0.35微米工艺制造，供电电压均为3.3V。P5的内部总线为32位，外部数据总线为64位，地址总线为36位，与INTEL以前的80X86微处理器100%兼容，运算速度在100～200MIPS以上。Intel的第五代CPU推出后，为摆脱AMD等兼容CPU厂家的纠缠而进行了注册申请，但由于不能用阿拉伯数字申报注册，所以Intel将i80586改成了Pentium(Pentium是拉丁文，表示“五”的意思)，中文名字为“奔腾”。现此类型的微机已基本停止使用。·PentiumPro1995年11月推出，为第六代CPU(32位），中文名称“高能奔腾”。在PentiumPro中采用了大量的先进技术，Intelintel.公司第一次采用了双芯片CPU生产技术，在CPU内部集成了256～ENTRUMSA512KB的L2Cache，因此L2Cache能与CPU内部时钟同步运行。其性能比Pentium有明显提高，但由于PentiumPro只是针对32位运算进行了优化，而没有对16位运算进行优化，所以运行Windows16位运行软件时甚至比Pentium还慢，而电脑上运行的大部分软件都是16位的（包括Windows95)；1-2

从计算机在化学中的应用一第一章微机的基础知识另外PentiumPro将原来主板上的Cache放到CPU内部，提高了数据交换速度，但芯片面积增大，成品率下降，制造成本也就难以下降，这两个原因注定它无法顺利地替代Pentium成为下一代的主流产品。主要用在网络操作系统和服务器上。PentiumMMX1997年1月推出，仍然是第五代CPU32位），厂家代号：P55C，这是为改善PC图形、音响、加速多媒体视听和通信应用软件开发的，被称为“多能奔腾”。是在原Pentium芯片中增加了处理多媒体数据的MMX指令集改进而成。PentiumMMX可以看成是带有多媒体扩展结构(MultiMediaeXtension)的奔腾级芯片，内部集成了450万只晶体管，用于桌面电脑的PentiumMMX主频有166.200和233MHz三种，外部总线频率为66MHz。该处理器采用分离电压供电，它要求处理器内核供电电压至少为2.8V，I/O电压为3.3V，仍采用Socket7接口，但主板必须支持双电压。采用MMX后，对不同种类的应用性能提高50%~400%，尤其对图形、图象、动画、音频数据处理的改进更为明显，对电脑总体性能提高10%~20%。现在此型号的计算机仍在使用·PentiumII1997年5月推出，仍然属于第六代CPU(32位)，中文文称“奔腾二代”pentiumill是鉴于PentiumPro的在运行16位软件性能较差和制造成本问题，Intel公司在PentiumPro的基础上进行了改进，开发出第二代芯片，也称为PentiumI，一方面增加了对16位运算的优化，并加入了MMX多媒体扩展技术，另一方面将Cache移到CPU外，提高了成品率，为不牺牲PentiumPro在缓存上的优势，Intel公司提出了二个S.E.C（单一封装)的概念，将CPU和外部缓存两个分离的部件做在一个盒子中，中间用一个比外部总线速度高得多的Cache总线连接，从一定程度上弥补了性能损失，但其与主板的接口不再是Pentium的Socket7，而是采用了Slot1。PentiumIⅡI集成了750万个晶体管。主频为233,266,300,333(外频为66，前3种采用0.35微米工艺制造，333采用0.25微米制造），350，400，450MHz外频为100MHz，采用0.25微米制造)。Intel公司总裁AndyGrove成功地在一年内进行了PC系统两次CPU革命，被《时代》周刊评为1997年度风云人物。?Celeron1998年4月Intel为夺回低端市场，发布了Celeron(赛扬）处理器。首先发布的Covington是一个精简的PentiumⅡI，与PentiumII的区别就是没有L2Cache，因而价格较低，并且1-3

从计算机在化学中的应用一第一章微机的基础知识利于超频。采用0.25微米工艺制造，集成了750万只晶体管，有266和300MHz两种主频，外频为66MHz。该处理器浮点运算与PentiumⅡI类似，但由于没有L2Cache：整数运算太差，让人难以接受。Intel于1998年8月推出了Mendocino既CeleronA它与Covington的区别是在芯片内部加了128KB的L2Cache，为PentiumⅡ的1/4，外频也是66MHz。由于L2Cache与CPU是同速运行，所以性能与同频的PentiumI相近。Slot1接口Celeron(赛扬)处理器的主频为300~433。为降低成本，Intel又将早期的Slot1接口的CeleronA做成了Socket370接口的PPGA封装，主频为300~500。·Xeon1998年6月发布的Xeron处理器是Intel的高端产品，其核心与PentiumII接近，但有更大的运行在CPU核心频率下的快速L2Cache(512K~2M)，采用Slot2接口。支持8个CPU系统：使用36位内存地址和PSE模式，最大800MB/s的内存带宽。它是为多处理器和多线程程序设计的，适合于服务器使用，外频为100MHz，主频为400~450MHz。·PentiumⅢI从1999年2月，Intel公司正Pinte式发表了下一代CPUKatmai，并正式命名为pentium-lllPentium(奔腾)ⅢI。PentiumⅢI集成了950万个晶体管，其基本内核以及二级Cache大小都和PentiumI(Deschutes)相同，只是新增加了70条SSE命令(StreamingSIMDExtensions)一单指令多数据流扩inte展，这些新的指令让CPU可以对多个数据同时进行浮点运算，有利手提升对3D图形、视频编码/解码以及其他一些浮点运算密集的应用程序的执行效率，像N视频会议、语音识别等应用。KatmaiPentiumⅢI有450~600MHz，外频为100和133MHz。接口为Slot1和Socket370。1999年10月，Intel推出Coppermine系列的PentiumⅢI处理器。Coppermine采用0.18微米工艺，集成了2810万个晶体管（包括256K的全速二级缓存），部分支持133MHz外频，性能比同频Katmai系列PentiumIⅢ（采用SECC2封装，512K半速二级缓存）提高20%以上。Coppermine系列PentiumIⅡⅢI可配合支持100MHz外频的440ZX、440BX芯片组、支持133MHz外频的i810E、i820芯片组使用。2000年初提供了支intel0:9持新PeniumIⅢI的i815主板芯片组。Coppermine有400MHz~1G(外频100MHz和133MHz)。最近又发布了以0.13微米工艺制造的Tualatin，外频为1.13和1.2GMHz·CeleronIⅡI2000年3月，英特尔公司正式发布新的赛扬处理1-4

从计算机在化学中的应用一第一章微机的基础知识技术，能迅速对3D图形进行辅助处理，并使用100MHz外频。使其性能可与PentiumⅡ竞争，但浮点运算能力仍弱于PentiumII。主要用于商业软件和游戏上。使用100MHz外频的Socket7架构主板(Super7)，主频有266,300,333,350MHz?AMDK71999年底推出，其性能第一次全面超过同主频的IntelCPU，是AMD与Intel竞争的主打产品，该CPU使用专用的SlotA接口K7（Athlon）CPU的主频有0.25微米技术制造的500~700MHz和0.18微米技术制造550MHz~1.4GHz(Thunderbird)等。2000年AMD又推出了与IntelCeleron竞争的低端Duron系列的K7CPU，目前主要有750~900MHz。随着Intel与AMD竞争的加剧，CPU换代时间开始变快。3）目前主流CPU的技术特征缓存(KB)集成品内核工作芯片最大主频范围CPU工艺(μm)体管数L1L2电压(V)功率(MHz)(万)128272800Celeron II0.18533-950-16+161.5-1.75PIII铜矿0.18500-100016+162561.6-1.6518-332810PIII Tualatin0.131000-16+162561.2-1.5332900P40.188+1225675-34001300-2000-1.712851265-702200Athlon0.25/0.18500-10001.6-1.8128Thunderbird0.18650-14002561.7-1.7540-54370012864Duron0.18600-950-1.5-1.626-502500128256Athlon 40.131400-1.4-37501.1.2主板和主板芯片组1）主板主板是电脑系统中最重要的部件之一，它为CPU、内存和各种功能卡提供安装插座，为各种外接设备提供接口。因此电脑的整体运行速度和稳定性在相当程度上取决于主板的性能。目前主板的结构标准分为ATX、Micro-ATX、Baby-AT和NLX四种，目前使用最多的是ATX和Micro-ATX。Baby-AT主要是与早期电脑机箱结构相兼容，NLX用于国外品牌电脑。主板的技术特性包括主板所能支持的CPU类型（架构标准、主频范围、插座类型和数量)、所支持的内存类型(种类、安装槽和数量)、IDE设备和I/O接口标准(UItraDMA33/66/100等)和连接插槽数量，以及它所具有的CPU温度控制、BIOS防病毒等各种功能。对CPU的支持包括提供外频（前端总线时钟)频率设置、倍频系数设置和安装插座(槽)。在对前端总线时钟频率设置方面，目前大部分主板都可以运行在66~150MHz1-6

从计算机在化学中的应用一第一章微机的基础知识之间调整，对CPU倍频系数调整可在3~8.5倍之间进行。按CPU安装插座分主板的有Slot1、Slot2、SlotA、Socket370、Socket423和Super7(支持AGP总线的Socket7儿种类型。Slot1、Slot2用于IntelCPU，SlotA用手AMD的K7，Socket370用于Intel的Celeron和PIⅢI铜矿CPU，Socket423用于P4，Super7主要是老的586系列的CPU使用，现已接近淘汰。目前内存插槽一般为支持168线SDRAM的DIMM插槽：另外还有DDRSDRAM和RambusDRAM两种内存的插槽，早期的586主板有支持72线EDO内存的SIMM插槽。扩展槽有仅用于AGP显卡的AGP高速图形接口，目前分AGP4x和AGP2x标准两种)扩展槽和适合于安装各种功能卡的PCI和ISA扩展槽，在Intel810、820等主板上有AMR(Audio/ModemRiser)扩展槽。目前主板通常为软驱、硬盘和光驱等储存设备设置了EIDE接口(少量主板设置了SCSI接口)。EIDE接口通常有2个，可挂接4台EIDE接口的储存设备。目前EIDE接口支持理论传输速率为100MB/s的UItraDMA/100硬盘，。I/O接口一般有并口(LPT)、串口(COM)和通用串行总线借口(USB)。2）芯片组芯片组号称是主板的灵魂和核心，芯片组性能的优劣，决定了主板性能的好坏与级别的高低。因为目前CPU的型号与种类繁多、功能特点不一，芯片组若不能与CPU良好地协同工作，将严重地影响计算机的整体性能，其至不能正常工作。其中由芯片组决定的重要性能有：CPU的类型、主板的系统总线频率(即通常所说的CPU外频)、倍频系数、内存种类、扩展槽的种类与数量、AGP显示接口的速度(1×,2×,4x或更高）等等还有些芯片组由于纳入了3D加速显示、AC'97声音解码等功能，还决定着计算机系统的显示性能和音频播放性能等。目前能够生产芯片组的厂家主要有Intel(美国）、VIA(中国台湾)、SiS(中国台湾)、ALi（中国台湾）、AMD（美国）儿家，其中以Intel和VIA的芯片组最为常见SiS和AL生产整合主板的芯片Intel从Pentium时代起就提供了性能优越的芯片组系列，其型号最为齐全，也最为复杂。其中支持Pentium系列的芯片组有430FX/VX/HX/TX系列，支持PII系列的芯片组有440FX/LX/BX/GX/EX/ZX、i810/i820/i815芯片组。440FX主要面向PentiumProCPU：44OLX则是专门针对PICPU设计的芯片，并支持AGP显示接口、SDRAM内存、UItraDMA/33等功能；前一时期最流行的是440BX芯片组，该芯片组北桥采用82443BX，南桥采用82371AB，与440LX相比，最大的特点就是支持PC100总线标准，并支持AGP2×接口，内存可扩展到1GB；440GX可以说是440BX的增强版，主要应用于服务器领域，该芯片支持PentiumIⅡIXeon(至强)CPU，并支持双CPU以SMP模式工作；440EX是Intel专为Celeron量身定做的芯片组，但应用该芯片组的1-7

计算机在化学中的应用一第一章微机的基础知识主板不是很多，很快就被随后推出的440ZX挤出市场；440ZX是Intel为支持Socket370结构的Celeron而专门设计的一款芯片组，该芯片组支持100MHz外频，2个DIMM插槽，3个PCI和1个ISA插槽，采用该芯片组的主板有的还集成了i740图形加速显示芯片：i810芯片组是Intel全面投入低价整合型电脑的标志性产品，于1999年4月推出，由三块芯片组成：GMCH、ICH、FWH，主要特点是采用了i752图形加速显示芯片，其速度比一般AGP2x要快一些，支持UItraDMA/66，在GMCH和ICH之间采用专门设计的专用总线结构，数据传输率大约为普通PCI总线的2倍，并支持AC'97规范；i820芯片组是Intel推出的基于440BX的换代产品，也由三块芯片组成，分别为82820(MCH)、82801(ICH)和82802(FWH)，其特点是支持PC133标准外频，支持工作频率高达400MHz的DirectRambus内存，支持AGP4x标准，最高传输速率达1.066GB/s，支持UItraDMA/66规格，支持AC97标准，但由于MCH芯片的问题，Intel收回了该芯片的主板：i815芯片组，由82815和8280AA组成，集成了i752显示芯片，提供正式规格133外频和正式支持PC133SDRAM，还提供了对AGP4X以及AIMM扩充槽的支持，支持UItraDMA100高速硬盘接口，另外i815还有一种取消了i752显示芯片的i815EP芯片，最近又推出了支持新Tualatin的i815E-T和i815EP-T：i850芯片组专用于Socket423接口的P4，北桥芯片为82850，南桥芯片为82801BA，支持CPU总线频率为400MHZ，内存总线频率为PC600/PC800支持RambusDRAM内存，最大可到3G：由于i850支持的RDRAM价格比较高，阻碍了P4的推广，Intel近期又推出了i845芯片，该芯片组支持0.13微米的Northwood核心P4(Socket487接口），支持133MHz总线的SDR或DDRVIA是一家以生产主板芯片组为主的高科技企业，从Pentium时代的VP1，VP2VP3,MVP3,MVP4，到PII时代的Apollopro133，Apollopro133A，直至支持K7的ApolloKX133，VIA一直紧跟时代潮流。MVP3是比较成功的芯片组，真正支持100MHz外频，正是它的应用才使Socket7结构的市场常盛不衰，并发展为后来的Super7结构，支持内存达1GB，二级Cache可支持到2MB，该芯片组还对K6-2CPU和AGP接口专门做了优化，使得MVP3+K6-2的配套销售红极一时：VIA还是最早推行PC133规格的厂商，其Apollopro133、Apollopro133A都支持133MHz外频，前者支持AGP2×显示接口，后者是前者的改进型，支持VCM内存、AGP4×接口；Apollopro266支持133/266DDR：ApolloKX133是VIA与AMD合作开发的支持AMDK7(Athlon)的芯片组，支持AGP4×，PCI2.2，UItraDMA33/66，2GB的同步内存和4组USB，该芯片组是基于K7CPU的面向高端个人用户及服务器领域的产品，它比以前的任何一款芯片组提供了更加良好的兼容性以支持AGP4x接口、200MHz外频和ATA/66硬盘接口，从而大幅度提升了目前PC的性能。ApolloKT266支持DDR1-8

《计算机在化学中的应用》课程教学资源（讲义）第一章 微机的基础知识

《计算机在化学中的应用》课程教学资源（讲义）第一章微机的基础知识