The System Unit Chapter 5

Introduction 当你想购买一台电脑时，你需要确定： 需要什么型号的处理器 内存多大 硬盘多大，是否要SSD 是否要独立显卡 要带几个扩展槽 PCI-e总线速度多少 …… 以上这些都是什么？它们如何构成了一台计算机？

1. 系统单元（System Unit） 系统单元： 个人计算机的四种类型： 桌面机（台式机） 包含计算机中绝大部分电子元件的容器 包括系统板、微处理器、内存等部件，也包括容纳这些部件的机箱 个人计算机的四种类型： 桌面机（Desktops） 笔记本（Notebooks） 平板电脑（Tablets） 掌上电脑（Handhelds） 桌面机（台式机） 塔式计算机：主机为系统单元，键盘、鼠标和显示器外接 一体机：整合了主机和显示器，键盘、鼠标通过无线方式连接显示器 System unit (key term) is also referred to as the system chassis(Key Term) All computers have a system unit Desktop (key term) – contains electronic components and selected secondary storage. System units are placed in tower units (key term) or tower computers (key term) Notebook (key term) – contains electronic components, secondary devices, and input devices – often called laptop computers (Key Term) Netbook (key term) – like notebooks, but less powerful and less expensive, used for web browsing and email Tablet (Key Term) or tablet computer – flat screen and typically do not have a keyboard. Operating system controls their operations Hand-held computer systems (key term) – entire computer system is contained in the device. Smartphone (key term) is the most popular

系统单元（续） 整合了主机和输入设备（键盘和定点设备），显示器通过铰链连接到系统单元 笔记本电脑： 整合了主机和输入设备（键盘和定点设备），显示器通过铰链连接到系统单元 Laptops（膝上机）：功能强大，可以安装高级复杂的软件 Netbooks（上网本）：配置低，小巧轻便，以上网为主 平板电脑（Tablets）： 整合了主机和显示器，以触摸屏作为基本的输入设备，没有键盘 不同平板电脑的差异主要在操作系统 膝上机 上网本 平板电脑

系统单元（续） 整合了所有部件，人手必备的手持电脑 除了具有电话的功能，还可以运行应用、上网、照相、感知能功能 智能手机（Smart Phones）： 整合了所有部件，人手必备的手持电脑 除了具有电话的功能，还可以运行应用、上网、照相、感知能功能 可穿戴计算机（Wearable Computers） 整个嵌入式计算机集成在一个芯片上，比智能手机计算能力弱 智能手机 可穿戴计算机

Making IT Work for You ~ Making Your Computer Cool 电子元件工作时产生热量，温度太高易损坏电脑 笔记本电脑空间小、散热困难 查看一下处理器的温度有多高 为你的笔记本电脑加一个散热垫 Checking processor temperature – CPUID Hardware Monitor Laptop Coolers Thermal Paste

2. 系统板（System Board） 系统板（主板、母板）： 系统板控制了整个计算机系统的通信： 计算机的主要核心部件，通常是一块矩形电路板，安装了组成计算机的主要电路系统 系统板控制了整个计算机系统的通信： 系统单元中的每个部件都连接到系统板上 所有外部设备都连接到系统板上 系统板提供了各个部件之间的数据传输通道 系统板为各个部件之间的通信提供控制 系统板的性能和类型，决定了电脑的性能和类型！ System board (key term) or mainboard (key term) or motherboard (key term) – controls communication for the entire computer system

系统板的外观 系统板通常是一块矩形电路板： 背面：错落有致的布线 正面：各种元器件，包括插座、插槽、芯片、电阻、电容等

系统板组件（1） 芯片插座（socket）： 芯片（chip） 连接芯片与电路板的器件 内含集成电路的硅片 贴装在芯片载体上 芯片载体有2排或4排引脚 Sockets (key term) – connection point for chips Chips (key term) contain numerous circuits etched on a small wafer of layers of silicon and other materials Chips are mounted on carrier packages (Key Term) Chips are also referred to as a silicon chip (Key Term), semiconductor (Key Term), or integrated circuit (Key Term)

系统板组件（2） 电路板插槽（Slots）： 总线（Bus lines）： 将电路板连接到主板上的器件 内存插槽：插内存条 扩展插槽：插外部设备的控制卡，如显卡、网卡等 总线（Bus lines）： 在计算机各个功能部件之间传送信息的公共通信干线 Slots (key term) – connection point for specialized electronic parts Bus lines (key term) – provide pathways that support communication

3. 微处理器（Microprocessor） 中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）： 计算机内部对数据进行处理、并对处理过程进行控制的部件，是计算机的大脑 集成在一个半导体芯片上、具有中央处理 单元功能的大规模集成电路器件，称为 微处理器（microprocessor） 微处理器包含两个基本部件： 算术逻辑单元（ALU）：执行算术运算和逻辑运算 控制单元：指挥计算机的各个部分执行程序指令 Central Processing Unit (CPU) (key term) or processor is located on the microprocessor (key term) chip and has two components - the control unit and the arithmetic-logic unit Control Unit (key term) Program instructions Directs flow between memory and Arithmetic-Logic Unit Directs flow between CPU and I/O devices Arithmetic-Logic Unit – ALU (key term) Two types of operations Arithmetic operation (Key Term) Logical operation (Key Term)

处理器的处理能力 CPU的处理能力可以用字长（word size）表示 字（Word）： CPU的处理能力还可以用CPU的时钟频率表示： 每8比特组成一个字节（byte） 目前最高为64比特（bit） CPU的处理能力还可以用CPU的时钟频率表示： CPU主频：CPU中脉冲信号发生器（时钟）的振荡频率 与CPU在一秒钟内可以存取数据或执行指令的次数有关 A word (Key Term) is the number of bits that can be accessed at one time by the CPU 32 bit word computer can access 4 bytes at a time 64 bit word computer can access 8 bytes at a time Clock speed (key term) – number of times the CPU can fetch and process data and instructions in millionths of a second, or microseconds

现代处理器芯片 单纯提高CPU主频的问题： 多核芯片（Multi-Core Chip）： 工艺困难 产热严重 性价比低 在一块处理器芯片中封装多个独立的计算引擎（核） 每个核相当于一个处理器，可以独立运行程序 Multicore chip (key term) – allow a single computer to run two or more operations at the same time Example: A dual-core process could have one core computing a complex Excel spreadsheet while the other is running a multimedia presentation. Parallel Processing (key term) – dividing tasks into parts that can be distributed across each core

专用处理器（Specialty Processors ） 协处理器（Coprocessors） 针对特殊任务开发的处理器 这些任务或者CPU无法完成、或者CPU执行效率很低 常见的协处理器： 图形处理单元（Graphics Processing Unit，GPU）：位于显卡上，最早用于图形渲染，现在大量用于通用计算，特别是深度学习 数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）：快速实现各种数字信号处理算法的芯片 Nvidia GPU 谷歌TPU Specialty processors are designed to handle special functions Coprocessor (key term) chips designed to improve specific computing operations Graphics coprocessor (key term), Graphics Processing Unit Displaying 3-D images and encrypting data 最近出现的协处理器： 张量处理单元（Tensor Processing Unit，TPU）：专门为深度学习而设计，计算效能远超GPU 谷歌、寒武纪科技均推出了自己的人工智能芯片 寒武纪1号

4. 存储器（Memory） 存储设备的类型： RAM： 内存的类型： 内存（主存）：存放CPU正在处理的指令和数据 外存（辅助存储）：永久性存储设备，如硬盘、光盘（第7章介绍） 内存的类型： 随机读写存储器（RAM) 只读存储器（ROM) 闪存（Flash Memory） RAM： 存放正在使用的指令和数据，可读可写（字节为单位） 易失性存储器 Cache是CPU上的RAM，访问速度快，缓存最近和正在使用的指令和数据 通过增加内存条可以扩容 虚拟存储系统解决运行时内存不够的问题（暂时不用的数据和指令存回到硬盘上）

内存（续） 只读存储器（ROM）： 闪存（Flash memory）： 内容一经写入，不能修改（CPU只读不写） 非易失性存储器 存放开机启动程序，内容由生产厂家写入 闪存（Flash memory）： 兼具RAM和ROM的特性：可读可写（类似RAM），非易失（类似ROM） 以页和块为单位读写，不能替代RAM 常用于手机、数码相机、掌上电脑中，并 逐渐替代ROM

5. 扩展槽和扩展卡 扩展卡： 用户自选设备的控制卡，如声卡、独立显卡、独立网卡等 扩展槽： 允许用户将新的设备控制卡添加到计算机中 即插即用（Plug and Play）： 自动处理PC机硬件设备安装的工业标准 操作系统自动完成设备驱动程序的安装，不需用户干预 有些设备是即插即用的，如USB设备 Expansion slots (key term) used to insert expansion cards (key term) Graphics cards (Key term) - connect the system board to the monitor; convert internal electronic signals to video signals Sound cards (key term) – convert electronic signals to audio signals and accept audio input from microphones Network Interface Cards (Key Term) (NICs or Network Interface Cards) - connect system unit to a cable (Key Term) attached to a network Wireless network cards (key term) – allow computers to be connected without cables Plug and Play (key term) – plug in any device and have it work immediately PC cards (key term) – plug into PCMCIA slots (key term) or PC cards slots (key terms) on notebooks, tablets or handhelds. Also known as ExpressCard (key term) slots

6. 总线（Bus Lines） 总线是连接计算机各个部分的通路： 总线宽度（bus width）： 内部总线：将CPU芯片内部的各个部分连接在一起 外部总线：将CPU与系统板上的其它部分连接在一起 总线宽度（bus width）： 一条总线类似于一条多车道的高速公路，每一根线（车道）上传输一个比特 总线上一次可以传输的比特数称为总线宽度 目前微机总线的最大宽度为64比特 Bus lines provide (key term) data pathways that connect various system components A bus line is also called a bus (Key Term) Bus width (key term) is the number of bits that can travel at once It is a pathway for bits representing data and instructions A bus is similar to a multilane highway. Every computer has two basic categories of buses System bus (key term) – connects the CPU to memory on the system board Expansion bus (key term) – connects the CPU other components and to slots on the system board

PC总线的演变：公共总线 公共总线： 早期PC中，CPU、RAM、外设都挂在同一条总线上 所有部件同步工作，系统速度被最慢的设备限制 

PC总线的演变：I/O总线 南桥（I/O总线）的诞生： 使用两条频率不同的总线 CPU和内存连接到较高频率的总线（系统总线） Bridge（南桥芯片的前身）起到降频的作用

PC总线的演变：倍频 Intel引入倍频的概念： 随着CPU频率大幅攀升，内存开始跟不上CPU的发展步伐 内存依旧工作在系统总线上，与系统总线保持同样的频率 CPU的内部工作频率：CPU主频=外频（系统总线频率）* 倍频

PC总线的演变：前端总线 北桥和前端总线： 前端总线： 内存总线：北桥与内存间的总线 前端总线：CPU与北桥间的总线，也称系统总线 数据传输力对计算机整体性能影响很大 主板支持的前端总线由芯片组决定

总线的类型（举例）

QPI总线（Quick Path Interconnect） 新一代处理器将内存控制器置于处理器中，相当于将北桥放进了处理器中 Intel处理器提供两个通道： 内线总线：连接CPU和内存 QPI：连接CPU和南桥（称IOH）

7. 端口（Ports） 端口： 标准端口： 特殊端口： 电缆： 外部设备与系统单元的接口 有些端口在主板上提供，有些端口在扩展卡上提供 连接键盘、鼠标、显示器、USB设备、以太网、耳机等 特殊端口： 连接光盘、高清视频等 电缆： 外部设备通过电缆连接到相应的端口

8. 电源（Power Supply） 计算机要求直流供电（DC） 台式机： 笔记本电脑： 掌上电脑： 机箱内有供电单元，将交流电转变为电脑可用的直流电 笔记本电脑： 使用外接的AC适配器，也可使用电池（由AC适配器充电） 掌上电脑： 使用电池 Direct current (DC) powers computers Desktop computers have a power supply (key term) unit located within the system unit Notebook computers use AC adapters (key term) that are located outside the system unit Netbook and handheld use AC adapters

9. 电子数据和指令 计算机只能识别“0”和“1”两个数字： 数字化： 在电路系统中最容易识别两种状态，如开/关 、高/低、有/无 在计算机系统中，以上两种状态分别用“1”和“0”标记，因此计算机使用二进制系统 每个0或1称为一个比特（bit） 数字化： 任何形式的信息在被计算机处理前，都必须转换成二进制数据 Digital signals (key terms) – electronic signals only recognized by computers Analog signals (key terms) – created by voice 27

数值表示（Numeric Representation） 数值表示： 每个十进制数表示为一个二进制数 为便于计算机读写，每8个比特组成一个字节（byte） 为方便人们阅读，每个字节用两个16进制数字表示，即高4位和低4位分别表示成一个16进制数字 16进制系统： 十进制的0~15分别用0~9、A~F中的一个16进制数字表示 Binary System (key term) – consists of only two digits, 0 and 1. Each 0 or 1 is called a bit (key term) which is short for binary digit 8 bits grouped together is a byte (key term) Binary numbers are difficult to read so they are represented in a hexadecimal system (key term) or hex using 16 digits to represent binary numbers 28

字符编码（Character Encoding） 字符编码： 为每个字符分配一个唯一的二进制序列（字符编码） ASCII编码标准 美国推出的字符编码表（单字节编码方案） EBCDIC编码标准 IBM公司推出的字符编码表（单字节编码方案） Unicode编码标准 16比特编码方案，可以支持更大的字符集（如中文、日文） Character encoding standards (key term) assign a unique sequence of bits to each character Historically used ASCII (key term) for microcomputers and EBCDIC (Extended Binary coded Decimal Interchange Code) (key term) for mainframes Unicode (key term) is a new character encoding using 16 bits 29

模拟信号数字化 所有模拟信号，通过数字化方法转化为离散的二进制序列 采样定理： 若采样频率足够高，从采样值序列可以恢复出原始信号，不会有信息丢失 采样定理为数字化技术奠定了数学基础 声音、图像都有自己的编码标准

A Look to the Future：可穿戴计算机 谷歌眼镜 可穿戴VR背包电脑 Wearable computers already exist for the military In the future, will be used by surgeons in operating rooms 智能戒指 导航鞋 智能织物

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