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第2章 CPU——电脑的心脏

第一章电子信息技术

第一节CPU——电脑的心脏

CPU是Central Processing Unit的缩写,即中央处理器。CPU发展至今,其中所集成的电子

元件也越来越多,上百万个晶体管构成了CPU的内部结构。那么这上百万个晶体管是如何工

作的呢?看上去似乎很深奥,但归纳起来,CPU的内部结构可分为控制单元、逻辑单元和存

储单元三大部分。CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程:进入工厂的原料(指令)

,经过物资分配部门(控制单元)的调度分配,被送往生产线(逻辑运算单元),生产出成品(

处理后的数据)后,再存储在仓库(存储器)中,最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用

)。

CPU的主要性能指标

CPU是整个微机系统的核心,它往往是各种档次微机的代名词,我们所说的486、586其实就

是指计算机中CPU的等级。CPU的性能大致上反映出计算机的性能,因此它的性能指标十分重

要。CPU主要的性能指标有:

1主频,倍频,外频

主频是CPU的时钟频率(CPU Clock Speed),即CPU在单位时间内的运算次数。一般来说,主

频越高,CPU的速度越快。但由于内部结构不同,并非所有的时钟频率相同的CPU的性能都一

样。外频即系统总线的工作频率,倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。三者关系是:主

频=外频×倍频。

2内存总线速度

指CPU与二级(L2)高速缓存和内存之间的通信速度。

3扩展总线速度

指安装在计算机系统上的局部总线,如VESA或PCI总线接口卡的工作速度。

4工作电压

指CPU正常工作所需的电压。早期CPU的工作电压一般为5V,随着CPU主频的提高和制造工艺

的改进,CPU工作电压有逐步下降的趋势,以解决发热过高的问题。

5地址总线宽度

地址总线宽度决定了CPU可以访问的物理地址空间,对于486以上的微机系统,地址线的宽度

为32位,最多可以直接访问4 096 MB的物理存储空间。

6数据总线宽度

数据总线宽度决定了CPU与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息

量。

7内置协处理器

含有内置协处理器的CPU,可以加快特定类型的数值计算,某些需要进行复杂计算的软件系

统,如高版本的AUTO CAD就需要协处理器支持。

8超标量

指在一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令。Pentium级以上CPU均具有超标量结构;

而486以下的CPU属于低标量结构,即在这类CPU内执行一条指令至少需要一个或一个以上的

时钟周期。

9L1高速缓存

又称一级高速缓存,由于高速缓存的速度要比系统内存快得多,所以内置高速缓存可以提高

CPU的运行效率。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大,这也正是一些公司

力争加大L1高速缓冲存储器容量的原因。不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成,成本较高

,而且结构较复杂,在CPU管芯面积不能太大的情况下,L1级高速缓存的容量不可能做得太

大。

高山流水需声卡

随着“多媒体”概念逐渐深入人心,作为多媒体组成部分之一的声卡也越来越受到人们的重

视,各种高新技术的应用使得现在的声卡改变以往“只能发声,无法与音响设备相比拟”的

概念。那么,声卡上都有些什么?它们都有哪些作用?

市场上常见的声卡有声音处理芯片、功率放大芯片、总线连接端口、输入输出端口、MIDI

及游戏杆接口(通常是共用一个)、CD音频连接器等主要结构组件。

1声音处理芯片

声音处理芯片基本上决定了声卡的性能和档次,其基本功能包括对声波采样和回放的控制、

处理MIDI指令等,有的厂家还加进了混响、合声、音场调整等功能。

声卡上声音处理芯片有的可能是3~6块IC构成的芯片组。AC97规范为了保证声卡的信噪比能

够达到80dB(分贝)以上,要求声卡上的数/模转换处理芯片与数字音效芯片分离,因此,高

档声卡上的芯片一般不止一块。

2功率放大芯片

从声音处理芯片出来的信号还不能直接推动喇叭放出声音,绝大多数声卡都带有功率放大芯

片(简称功放)以实现这一功能。由于它在放大声音、音乐等信号的过程中也同时放大了噪音

信号,所以从其输出端(Speaker Out)输出的噪音较大。

这个缺点在前两年重视功能的潮流中显得并不突出,但是现在人们对音质的要求越来越

高,于是就有厂商想出了一些改进的方法,主要是在功放前端加入滤波器来滤掉一些高频的

噪音信号,可是这样一来也滤掉了高频的音乐信号。

其实,指望声卡的功放芯片能带来良好的音质是不现实的。一个比较好的解决方法是绕

过功放,利用声卡上线路输出(Line Out)端口直接连接音响,这样,音质的好坏就直接取

决于声音处理芯片和外接的音响设备(一般是有源音箱)的档次了。

3总线连接端口

我们把声卡插入到计算机主板插槽上的那一端称为总线连接端口,它是声卡与计算机互

相交换信息的“桥梁”。根据总线的不同,我们把声卡分为两大类,一种是ISA声卡,另一

种是PCI声卡,由于两种端口不能互相通用,因此我们在安插声卡时不能插错。主板上的ISA

插槽是黑色的,比PCI槽长,其中的金属簧片也比PCI的宽;PCI插槽白色,相对较短,其中

的簧片很细,分布密集。

由于PCI总线的优越性,PCI声卡有着许多ISA声卡无法拥有的特性,但这并不是说PCI声

卡的音质一定比ISA 好。决定音质的好坏主要是声音处理芯片、MIDI的合成方式和制造工艺

等,并不仅是总线的不同。

4输入输出端口

声卡要具有录音和放音功能,就必须有一些与放音和录音设备相连接的端口。在声卡与主机

机箱连接的一侧总有些插孔(一般有3~4个),通常是“Speaker Out”、“Line Out”、“L

ine in”、“Mic In”等。如果是3个插孔,则是将Speaker Out与Line Out共用一个,一般

可通过声卡上的跳线来定义该插孔为何功能。

Line In端口能够将品质较好声音、音乐信号输入到声音处理芯片,通过计算机的控制

将该信号录制成一个文件。通常该端口连接音响设备(如视频解压缩卡、CD、功放和彩电等

)的“Line Out”端。

Mic In端口用于连接麦克风(话筒),我们可以将自己的歌声录下来实现基本的“卡拉

OK功能”,或者通过其他软件(如IBM的Via Voice、汉王、天音话王等)的控制实现语音录

入和识别。

上述四种端口传输的是模拟信号,如果要连接高档的数字音响设备,需要有数字信号输

出、输入端口。在声卡上通常有一个S/PDIF的两针插座(索尼/飞利浦数字交换格式接口)

,从数字音响设备输出的信号可以通过它直接输入到声卡,再通过软件的控制实现录制和播

放等功能。高档的声卡能够实现数字声音信号的输入、输出全部功能。输出端口的外形和设

置随不同厂家而异,具体可以查看说明书。

5 MIDI及游戏杆接口

几乎所有的声卡上均带有一个游戏杆接口来配合模拟飞行、模拟驾驶等游戏软件,这个

接口与MIDI乐器接口共用一个15针的D型连接器(高档声卡的MIDI接口可能还有其他形式)

。该接口可以配接游戏摇杆、模拟方向盘,也可以连接电子乐器上的MIDI接口,实现MIDI音

乐信号的直接传输。

6 CD音频连接器

一般位于声卡中上部,通常是3针或4针的小插座,与CD-ROM的相应端口连接以实现CD音

频信号的直接播放。不同CD-ROM的相应端口上的音频连接器也不一样,因此大多数声卡都有

2个以上的这种连接器。

7其他结构

不同种类的声卡结构不尽相同,上面的组件也不一样,有些不常见的组件有:

(1)CD-ROM接口:早期的CD-ROM是同声卡连接的(而不像现在插在主板的IDE口上),不同的CD

-ROM接口不一样,因而声卡提供了2~3种这样的接口,但现在该接口已不多见了。

(2)DSP混响处理芯片:存在于中高档次的声卡上,是一种子音效处理芯片,用于产生各种

三维环绕音效。

(3)波表子卡连接器:高档声卡如果其波表合成电路不是做在一块声卡上,那么势必要用一

个连接端口将主声卡与波表子卡连接起来。通常它的外形有点像CD音频连接器。

(4)音色库:有波表合成功能的高档声卡上用于存放乐器声音样本的存储器,与内存芯片的

外形相似,通常的容量是1~4M。这种存储器非常昂贵。带有2M以上音色库的声卡输出的声

音品质相当出色。