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第2章 计算机硬件第一部分 阅读和翻译A部分 计算机主板一块母板是中央或主印刷电路板（PCB）组成一个复杂的电子系统，比如在现代计算机中它也被称为主板，系统板或者平面板在苹果计算机中，被称为逻辑板，有时也被缩写为mobo大部分现在制造的母板都是为IBM兼容机设计的在2005年，IBM兼容机占有着96％的国际个人计算机份额为IBM兼容机设计的母板广泛的出现在计算机母板的文章中母板就像背板一样，使用其他部分的系统通讯提供电子连接，但是和背板不同背板可以包括中央处理器单元和其他子系统，比如实时钟表和外围接口一个典型的桌面计算机是由微处理器、主内存和其他必不可少的在母板上组件组成的其他组件，比如外部存贮器、显卡、声卡和外围设备都被电缆连接在母板上尽管在现代计算机中这种把外设和母板综合在一起的行为非常普遍组件和特性一种特定的桌面母板包括大型印刷电路它掌握着组件和相互连接以及各种物理连接（各种插槽和数据头）这些组件可能被插入或者连接在母板上大部分母板至少包括：l 为微处理器（CPU）提供的插槽l 系统主内存插槽特别是以DIMM模块的形式，包括动态内存芯片（DRAM）l 由芯片组组成的在CPU前端总线和主内存以及外设总线的接口。

l 非易失的存贮芯片，通常是Flash ROM，包括系统的固件或BIOSl 一个时钟生成器，产生系统时钟信号，来同步各种组件l 为扩展卡提供的插槽（这些到系统的接口通过芯片组总线来支持）l 电源连接口和电路，用来从计算机电源中接收电能，以及把电能分发到CPU、芯片组、主内存和扩展卡上另外，几乎所有的母板都包括逻辑连接器，用来支持通用的输入设备，比如为键盘和鼠标提供PS/2接口早期的个人计算机比如 Apple II或者 IBM Pc在母板上提供最小的外设支持有时显示接口硬件也被集成在母板上，比如在 Apple II上，但是很少在IBM兼容机上，比如IBM PC Jr另外的外设,比如磁盘控制器和序列端口，是由扩展卡提供的因为稳定的成本下降和集成电路版的尺寸的下降，现在使主板支持多种外设变成了可能因为把各种特性综合在PCB上，母板的物理尺寸和系统成本可以减小高集成度的母板在小型预算计算机中十分流行温度和可靠性母板一般使用空气冷却，也就是安装在大型芯片上的散热槽，比如现代母板中的北桥被动冷却，或者安装在供电系统的单风扇，对于很多桌面计算机CPU已经很足够了直到九十年代，大部分CPU要求风扇安装散热槽，因为提高的时钟速度和电力消耗。

大部分母板使用连接器来连接附加的风扇新型的母板拥有集成的温度感应器，来探查母板和CPU温度，并且，可控风扇连接器可以被BIOS或操作系统来控制风扇速度一些小型计算机以及家庭剧院PC被设计为安静和能源经济，没有风扇这些特殊的特性要求低能耗CPU，并且需要仔细的布局母板和其他组件，才能允许这样的散热设计在2003年研究发现，一些假崩溃和一般的稳定性话题，从屏幕图像扭曲到读写错误，并不是由计算机软件或外部硬件产生的，而是由计算机母板的老旧电容器引起的（1）这些都是错误的电解质配制的结果母版使用电解电容器来过滤分发到主板上的交流电这些电容器因为温度－独立比率而变老，同时他们的以水为基础的电解液慢慢地蒸发这可以导致电容和母板故障，因为电源的不稳定因为大部分电容的额定为2000小时在105度，他们的期望设计寿命大概会变为两倍，当温度降低每10度在这个温度以下在45度时预期寿命为15年这对于计算机母板来讲是非常合理的但是，很多很多厂商生产了不合格的电容器，这些电容器明显的减少了生命周期不合适的冷却和高温可以恶化这个问题尽管在母板上找到损坏的电容器并更换是可能的，但是这太耗费资源和时间了维修主板比买一个新的母板还要贵。

历史在微处理器出现之前，计算机通常是由插卡架或者主机构成，主机是由包含各种插槽和连接线的背板与各种组件连接的在非常老的设计中线路在连接卡针之间是离散连接的，但是印刷电路版很快成为了标准实践中央处理单元、内存和外设被覆盖在各自的印刷电路板上，插入背板在二十世纪八十年代末期到九十年代，把更多的外设特性移植到母板上变得十分经济在八十年代末期，母板开始包括单集成电路用来支持各种低速外设：键盘、鼠标、软盘驱动器、串行端口以及并行端口在二十世纪九十年代末期，很多个人计算机主板支持广泛的音频、视频、存贮和网络特性，不需要任何扩展卡为了3D游戏和计算机图形学开发的high-end系统，只保留了显示卡作为单独的组件这些早期的母板先锋制造商是 Micronics, Mylex, AMI, DTK, Hauppauge, Orchid Technology, Elitegroup, DFI,以及大量的台湾制造商流行的个人计算机，比如Apple II和IBM Pc已经发表了概念图表和其他文档，允许高速反工程和第三方替换母板通常为了使新计算机兼容范本，很多母板提供附加的性能或者其他特性，并且被用来升级制造商的最初的设备。

使用BIOS进行系统引导母板包括一些非易失内存来初始化系统，并从外设中读入操作系统微型计算机，比如Apple II和IBM PC使用只读内存芯片，把他们安装在母板插槽上当电源开启时，中央处理器将读入他的程序计数器和引导ROM的地址，并开始执行ROM的指示，在屏幕上显示系统信息和运行内存检查（2），这将按顺序开始从外设（磁盘）读入内存如果它不可用，计算机就会运行其他内存的任务或者显示错误信息，这将依计算机的模型或者设计以及BIOS版本来确定大部分现代母板设计使用BIOS，存贮在EEPROM（电可擦可编程只读存储器）芯片上，来引导母板（插槽上的BIOS芯片也广泛的使用）因为引导，母板、内存、电路和外设被测试并配置这个过程被称为加电自检或者POST在POST自检中的错误代码，涵盖了从普通的可听见的喇叭鸣叫，到复杂的显示在显示器上的诊断信息BIOS经常需要配置存贮在主板上的设置既然配置就必须容易编辑，这些设置同上存贮在非易失RAM上，而不是存贮在只读内存上当用户改变了配置或者修改了时间日期，小型的非易失RAM电路存贮这些数据典型的一种小型长时间工作的电路（比如锂纽扣电池CR2032）被用来保持非易失RAM刷新和多年的使用。

因此，失效的主板电池将使计算机不能确定正确的时间和日期，或者不能记住用户选择的硬件配置BIOS本身并不会被电池的状况影响当IBM率先引入了PC，在二十世纪八十年代，仿制是非常常见的（组成主板的物理零件很容易得到）然而，这些仿制从没有成功过，直到IBM ROM BIOS合法的被复制为了理解为什么复制BIOS是一个如此重要的步骤，要考虑BIOS包括重要的指令来和外设交互如果没有这些BIOS上的软件指令，PC就不能正常的运行在现代计算机操作系统上，BIOS忽略大部分的硬件特性，但是在八十年代，BIOS提供很多重要的底层特性）所以当康柏计算机公司花费一百万美元，使用反工程来仿制IBM BIOS，他们成为了仿制IBM PC的计算机制造商的精英凤凰科技马上作为他们的对手开始专卖BIOS给其他仿制者很著名地，微软非常高兴的授权操作系统（DOS），IBM也非常高兴的起诉那些侵犯了他们BIOS著作权的公司[2]但是因为引用和公开了BIOS反工程，康柏和凤凰合法的和IBM使用他们自己的著作权进行竞争一旦计算机外设引导完成，BIOS将通常把控制权转到另一个可引导的存贮区通常需要引导的计算机设备：l 软驱l 网络控制l CD-ROM驱动器l DVD-ROM驱动器l SCSI硬件驱动器l IDE/EIDE或者SATA硬件驱动器l 外部USB存贮设备以上任何设备可以被存入机器码指令，来读入一个操作系统或程序。

形式因素母板被制造为各种大小和形状（“形式因素”）其中一些对于一些计算机制造商是特殊的然而，在IBM兼容机中使用的母板被规范化来符合不同的大小尺寸在2007年，大部分桌面计算机母板使用标准中的一种形式因素，即使像MACINTOSH或者sun计算机这样在传统上并不是由零件制造的计算机笔记本计算机通常使用高集成度，微型化定做的母板这是笔记本计算机很难升级和维修费用昂贵的一个原因经常笔记本电脑的零件故障需要整个主板的更换，这通常比桌面计算机主板贵，因为上面集成了大量组件B部分 多核处理器多核CPU（或者称作芯片级多处理器CMP）联合两个或多个独立的核心在单个集成电路上，被称为模具，或者包装为一个模具双核处理器包括两个核心，四核处理器包括四个核心一个多核微处理器实现了在单独的物理包上多核处理所有的核心都在一个单独的模具上的微处理器被称为单片处理器多核设备的核心可能分享一个单连续的cache在最高的对设备cache级（比如Intel Core 2的L2）上，或者拥有独立的cache（比如现在的AMD双核处理器）处理器也分享同样的对其余系统的连接每一个核心独立的实现比如超标量结构执行、流水线以及多线程处理的最优化。

多核系统当他同时执行多个线程时非常有效最重要的多核应用是个人计算机（大部分是Intel 和AMD）以及游戏控制台(比如PS3中的8核处理器Cell和Xbox360中的三核Xenon处理器)在前文中，多核表示小数量的处理核心然而，这个技术被广泛的应用在其他技术领域，尤其是嵌入式处理器，比如网络处理核、数字信号处理器和GPU多核处理器的性能表现受问题解决和算法的制约，也受安装软件的制约(阿姆达尔定律)对于被称为“密集并行难题”的问题，一个具有两个核心和2GHz主频的多核处理器可以表现的和一个4GHz的单核处理器十分相似其他问题虽然可能不会产生如此多的提速这是在假定无论如何软件都被设计为可以利用平行计算的优势时的数据如果没有，任何的加速都不会存在然而，处理器将会更好的处理多重任务，因为两个程序可以在两个核心中同时运行术语有一些差异的语义，其中包括多核心和双核心的定义最常见的是用来指某种中央处理单元（CPU），但是有些情况他也指数据信号处理器（DSP）和系统芯片（SoC）此外，一些使用这个表述来代表在制造时使用同样的综合电路芯片的多核微型处理器这些人一般指的是单独的微处理器电路在同一个的包中的另一个名称，比如多芯片模块，双核，或者双核心。

本文使用的术语“多核心”和“双核心”来定义制造在相同的电路板上的微电子CPU，除非当使用其他方法提示对比多核系统，多核CPU表示多个单独的物理处理单元（经常包括特殊的电路来促进多核间的通讯）优势在同一个电路版上的临近的多核CPU允许缓存一致性电路系统在一个更高的时钟频率下操作结合等效的CPU在一个单裸片上显著提高了性能的缓存窥探操作简而言之，这意味着，不同的处理器之间的信号传送路程更短，并且这些信号退化较少这些更高质量的信号，让更多的数据传送在某一时间段，因为单独的信号可以缩短并且不需要被经常重复假设电路可以安装在包中，在物理上，多核CPU设计比多芯片SMP需要更少的印刷电路空间另外，双核心处理器使用略低于两个耦合在一起的单核心处理器的功率，主要原因是减少的功率需要驱动外部信号到到电路版上，因为较小的硅芯片工艺在几何上允许核心运行在较低的电压上，这样就减少了传输时间此外，多核心共享电路系统，比如L2级高速缓存和前端总线接口从竞争性技术的提供硅片方面，多核心的设计可以来证明，生产的CPU产品比设计一个新的更广泛的核心设计拥有风险较低的设计错误并且增加更多的高速缓存受到收益递减缺点除了操作系统支持，对于存在软件的调整需要最大限度地利用计算资源提供的多核心处理器。

并且，多核心处理器的应用性能提高的能。