计算机英语教程 吕云翔等 2

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

1.简介

对于个人电脑，母板是很多现代计算机中核心的印刷电路板，由很多计算机系统的关键部分组成，为其他外围设备提供接口。母板 (mother board) 有时也被称作主板，系统插板，或者在苹果电脑上被称为逻辑板。有时候母板也被不正式地简称为 ”mobo”。 图2.1显示了桌面个人电脑的母板上常见的组成部分和接口。这个模型生产于2008年，遵守桌面电脑通常采用的ATX格式（即＂外形＂意）。这个模型是为了兼容AMD的Athlon 64处理器设计的。

2.概览

母板，就和汽车底板的功能类似，是给系统的其他部分之间通信提供带电连接；而与底板功能不同的是，母板同时也连接中央处理器，并且还搭载了其他的亚系统和设备。 一个典型的桌面电脑拥有连接在母板上的微处理器，主存和其他关键的部件。其他的部件比如外存，显卡，声卡和其他外围设备的接口也可以通过插卡槽或连接线接在母板上，然而，现代的电脑越来越多地将这些外围设备直接集成在母板上。

辅助芯片集是母板的一个重要组成部分，它为CPU和各种总线和外部组件之间提供辅助的接口。辅助芯片集在一定程度上决定了母板的功能和质量。 现代的母板至少包括： ? 一个或多个供安置微处理器的插座 ?

安置系统主存的插座（一般是双列直插式内存模块，用来装动态随机访问存储器芯片RAM) ? 组成CPU的前端总线，主存和外围总线之间接口的芯片集 ? 包含有系统固件或BIOS的非易失性内存芯片（现代母板中通常是快闪只读存储器） ? 时钟生成器，为各种组件之间同步提供系统时钟信号 ? 扩展卡卡槽（通过由芯片集支持的总线来连接系统） ?

电源接口，从电脑电源接受电信号并分配给CPU，芯片集，主存和扩展卡。

另外，几乎所有的母板都有接口来支持常用的输入设备，如鼠标和键盘的PS/2接口。 早期的个人电脑如Apple II 或 IBM Pc的母板仅仅提供这一种外围设备的接口。有时候显卡的接口也会集成到母板上，如Apple II，而这种情况在兼容IBM标准的计算机如IBM PC Jr就很少见。其他的外围设备如硬盘接口和串行端口则是通过扩展卡来支持。

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由于计算机高速CPU和其他组件的高温设计，几乎所有现代母板都有防热膜和散热风扇的接入点。

2.1 CPU插槽

CPU插槽是被设计用来安置CPU（也叫微处理器），连接在印刷电路板上的电子组件。它是一种常见的拥有很多针脚的集成电路。CPU插槽提供很多功能，包括提供安置CPU的物理结构，提供防热膜，方便部件替换（同时减少成本）等等，而最重要的是为CPU和印刷电路板之间提供带电接口。CPU插槽通常存在于绝大多数的桌面电脑和服务器（笔记本通常使用表层贴装CPU)，尤其是基于Intel x86架构的机器的主板上。CPU插槽类型和母板芯片集必须支持对应CPU的型号和速度。 2.2集成的外围设备

随着集成电路板的大小和成不不断稳步下降，到现在将多个外围设备集成在母板上已成为可能。通过将很多功能都集中在一个印刷电路板上，系统的物理大小和总成本都能够减小；高度集成的母板因此在小型的或廉价的电脑上十分普遍。 2.3 外围卡槽

在2009年，常见的母板依据它所遵守的标准通常会有不同数量的接口。标准的ATX母板通常有一个PCI-E 16x图形卡接口， 两个传统的PCI卡槽，用来接各种扩展卡，和一个PCI-E 1x（最终会取代PCI）接口。标准的EATX母板会有一个PCI-E 16x图形卡接口，数量不等的PCI 和 PCI-E 1x卡槽，有时候也会有一个PCI-E 4x卡槽（这一点会随着不同的品牌，模型而不同）。

有的母板有两个PCI-E 16x卡槽，这样可以不需要特殊的硬件就能支持超过2个显示器，或是使用一种特殊的叫做SLI（对于Nvidia显卡）或Crossfire（对于ATI显卡）的绘图技术。这些技术允许两个图形卡连接在一起，以便在复杂的图形计算任务中达到更好的性能，如游戏和影像编辑。

而在2007年，几乎所有母板在背部都会有至少四个USB接口，至少两个内置连接口以连接可能被置于机箱上的前端接口。母板也包括了以太网双绞线的接口。双绞线是标准的用来连接计算机和互联网或调制解调器的网线。母板通常也拥有声卡，这样不用任何外部组件就可以支持输出声音。这允许电脑有空前的多媒体功能。一些主板在背面支持视频输出，作为集成图形卡的方案（嵌入在主板上或是集成在微处理器上，如Intel HD Graphics）。独立显卡仍然可以使用。

B部分 多核处理器

1.简介

多核处理器是一个单独的计算单元，拥有两个或多个独立的实际的处理单元（也叫＂核＂），用来读取并执行程序指令。指令里的数据告诉处理器该执行的任务。指令本身是非常简短的，比如从内存读取数据或是输出数据到用户的显示器，不过这些指令的执行速度非常快，对于用户的体验就好像程序是连续不间断地流畅执行的。制造商通常会将多个核集成到一个集成电路管芯上（即多处理器芯片或CMP），或者将多个集成电路管芯进一步封装到一个芯片包上。

处理器最初设计时只有一个核。众核处理器是指核的数量已经超过了传统的多核技术适用范围的多核处理器，这多半是因为给多个核分配指令和数据所造成的拥塞问题。众核的门槛大概是几十个核的范围，超过这个范围后芯片间的网络技术更有优势。 双核处理器dual-core processor（见图2.2）拥有两个核（如 AMD Phenom II X2, Intel Core Duo），四核处理器quad-core processor 拥有四个核（如

AMD Phenom II X4, Intel 2010产品线拥有三种不同的四核处理器, 参见 Intel的i3, i5和i7处理器 ），而六核处理器hexa-core processor 有六个核（如AMD Phenom II X6, Intel Core i7 Extreme Edition 980X）。一个多核处理器在一个单一的物理单元实现多处理器技术。设计者既可以将多核处理器的核紧密连接，也可以松散连接。例如，核之间是否共享高速缓存，是采用消息传递机制还是核间共享内存的通信机制。普通的互联多核的网络拓扑结构包括总线，环路，二维网状和交叉开关矩阵。同构多核系统只包含类似的核，而异构多核系统包含不同的核。与单核的处理器一样，多核处理器的核能够实现超标量体系结构，VLIW，矢量计算，SIMD，和多线程。 多核处理器在通用式计算机，嵌入式系统，网络系统，数字信号处理系统和图形处理系统等很多应用领域都有广泛应用。

应用多核处理器带来的性能提升很大程度上取决于实现多核技术的软件程序的算法。例如，并行计算带来的性能提升就受到能够在多个核上并行处理的程序片段的制约，这个现象反映了Amdahl定律。在最好的情况下，所谓的＂尴尬的并行问题＂能够实现倍率接近核的数量的速度提升，如果问题能够被分解的足够细，以致能够装入每个核的高速缓存，免去了访问系统主存的大时延，速度甚至能够提升更多。然而，除非程序员花费大量的精力来分解整个大问题，大多数的应用程序并不能达到这样的加速程度。软件程序的并行执行是现今研究的热点话题。 2.术语

多核和双核这个术语通常用来指某些类型的中央处理单元（CPU），但是有时也可以用来指数字信号处理器和单片机系统。另外，一些人也用这个术语来仅仅指在同一个集成电路管芯上制造的多核处理器。这些人通常用另一个术语（如＂多芯片模型＂）来描述在同一个包中分别封装的微处理器。除非另外说明，本文用＂多核＂和＂双核＂来指代在同一个集成电路上制造的CPU.

与多核系统不同的是，＂多CPU＂这个术语指的是物理上相互分开的多个处理单元（通常有特殊的电路来支持处理单元之间的通信）。

术语＂众核＂和＂超多核＂有时被用来描述核的数量特别庞大的多核架构（几十到数千不等）。

有的系统在一个现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array）排列了很多软微处理器核。每一个＂核＂就相当于一个＂半导体知识产权核＂或CPU核。 3. 优势

多CPU核在同一个管芯上的紧密排列使得高速缓存的聚合电路能够在比芯片外传输信号高得多的时钟周期工作。将多个相同的CPU集成在同一个管芯显著提升了高速缓存监听（或总线监听）的性能。简单的来说，这意味着不同CPU之间的信号传输距离更短，因而减少了信号的削弱。由于单个信号能够变得更短而且不需要经常重传，这些高质量的信号能在给定的时间段内允许更多的数据被传输。

最明显的性能提升可能体现在运行CPU紧张的进程时反应时间的缩短，比如病毒扫

描，刻录媒体文件（需要文件转换）或是文件搜索。举个例子，如果一个自动的扫描病毒的进程在用户观看电影的时候开始执行，那么播放电影的应用程序几乎不可能会丢失处理器

资源，因为病毒扫瞄程序会被分配一个和电影播放程序不同的CPU。

假设物理上包能够容下管芯，那么多核CPU的设计相比于多芯片的对称多处理（SMP）设计需要非常少的印刷电路板空间。另外，双核处理器相比于两个互相连接的单核处理器需要略少一些的电能，这主要是因为芯片外的信号传输还需要消耗电能。而且，多个核共享部分电路，如二级缓存和前端总线的接口。在现有的有竞争力的硅管芯技术方面，多核的设计能够利用已经被证明的CPU核库设计来生产相对于利用新核设计错误风险更低的产品。同时，增加缓存也会导致削弱的回报。

多核芯片也能够用更少的能源达到更高的性能。这能够对运行在电池上的移动设备产生较大影响。因为通常多核系统的每个核的能源利用率更高，多核芯片要比只有单一一个大核的芯片更高效。这允许了在更少的能源下获得更好的性能。然而编写并行处理的代码带来的困难抵消了这个优势。 4. 不足

最大化多核处理器提供的计算资源的利用率需要对操作系统支持和现有应用软件的双重改进。另外，多核处理器提升应用程序性能的能力依赖于应用程序的多线程设计。现在形势有所改善，例如Valve公司的Source引擎提供多核支持，而Crytek公司也为CryEngine 2开发了类似的技术，这也被用于它们的游戏产品Crysis. Emergent Game Technologies公司的Gamebryo引擎也引入了它们的Floodgate技术来简化跨游戏平台的多核开发。另外，苹果公司的上一代操作系统，Mac OS X Snow Leopard也内置了针对Intel CPU的叫做Grand Central Dispatch的多核技术.

集成多核芯片使得芯片产量下滑，而且多核芯片比低密度的单核芯片设计更难以控制温度。Intel公司在制造四核处理器的时候第一次部分解决了这个问题。他们将两个单一管芯的双核芯片集成在一起共用一个高速缓存，这样任意两个可用的双核芯片都可以组合成一个四核，而不是将四个核放在同一个管芯上来组成四核一起工作。从计算机体系结构的观点来看，单核CPU的设计终究比多核在硅晶体表面积的利用率上面更有优势。所以尊崇多核的设计可能会有被淘汰的风险。最后要说的是，CPU的处理能力并不是制约系统性能的唯一因素。两个处理单元共享的系统总线和内存带宽的限制制约了多核在现实世界的性能优势。如果单核的性能已经受到内存带宽的限制，改为双核的架构只能带来30%到70%的性能提升。而在带宽不是性能的限制因素的情况下，90%的性能提升也是有可能的。如果CPU间的带宽限制是性能的决定因素，原先利用两个CPU的应用程序有可能在双核的架构下跑得更快，至多可以达到100%的性能提升。

C部分 处理能力和存储能力的未来发展 1.简介

计算机的开发人员总是为速度和性能所着迷，他们总是不断的寻求在小小的芯片上提高处理速度和存储密度的方法。IBM就是一个例子。他们想出了一种叫做SOI（silicon-on-insular 绝缘衬底硅晶）的工艺，能够同时提升芯片的速度并降低它的能耗。正如物理学家Michio Kaku所说，“你过生日时得到的能够播放音乐的卡片拥有比二战时同盟军所有的电脑加起来还强大的计算能力”，而这一切都归功于计算机不断发展的计算

能力。

但是这是否意味着摩尔定律（英特尔联合创始人Gordon Moore在1965年预测硅晶片上的电路数目会以每18个月翻一番的速度增长）永远不会失效呢？要知道，电路的大小做得越小，芯片厂商就越接近制造材料所能达到的极限。正如摩尔在2000年所说“现在芯片已经小到接近原子规模的事实越来越成为制造工艺的瓶颈，在接下来的2到3代人的时间范围内，硅晶上电路数量的增长速度可能放缓到每5年翻一番。人们预测我们会在2020年消耗完所有的汽油，而我都不知道我们到时候该怎样应对。”这之后，在2005年，摩尔又说，“我想我们还有很多的路要走，但是我已经不能预测清楚10年之后的事情了。” 科学家们认为，由于绝缘层的电子渗漏现象，硅晶片不可能制造得无限小。另一方面，工程师们还在研发由多层硅栈叠加而成的立体芯片。立体芯片相比普通芯片处理速度更快，散热能力更强。与此同时，芯片制造商们还在继续改进他们的制造技术。例如英特尔公司就改进了他们生产的芯片中用到的材料――他们在一种叫做门电路的关键组件中用金属代替了硅，而将晶体管中的绝缘层由二氧化硅换成了铪――来减少能耗并同时提升处理速度。（这被称为“high-k”技术。）英特尔公司还将芯片大小从1999年的180纳米（一纳米是十亿分之一米）缩小到2009年末曾预期的32纳米。IBM公司正在试图制造22纳米的内存芯片。 到目前为止，RAM还是易失性的，但是研究员们已经研发出了新式的非易失性RAM，并且不就将投入使用。其中之一就是M-RAM，“M”是表示磁体的意思。M-RAM采用极小的磁体来记录二进制信息，取代了传统的电信号。M-RAM相比现在的RAM只需很少的电能，而且无论何时关闭电源内存中的信息都不会丢失。另一种类型，称作OUM（双向开关半导体元件统一存储器）的存储芯片通过在光洁的材料上产生不同程度的高低阻抗来存储位信号。

2. 处理能力的未来发展

处理器未来有些方向可以发展？让我们来看看几个可能的方向：

在互联网上出售计算能力 在2012年，IBM启动了一项叫做虚拟Linux的服务，将计算机的处理能力按需出售，类似于电力公司出售电能的方式。例如，当一个公司需要更新他们的邮件服务或是其他应用程序，他们可以向IBM租用Linux服务器的处理时间，避免了购买更多的服务器或是最新的硬件。现在很多公司都进入了现在叫做虚拟应用的市场。 纳米技术 纳米技术，纳米电子，纳米结构，纳米加工 ―― 这些单词都起自纳米这个度量单位，一米的十亿分之一，它们表示我们在原子和分子的级别进行操作。在纳米技术中，分子被用来制造放置数据或处理任务的微型机器。专家们试图通过一个个原子和分子来构造微型的纳米结构进行纳米加工。当纳米技术被应用到芯片或是其他电子设备，这个领域就被称为纳米电子。

现在科学家们在试图制造能操纵单个电子的晶体管开关来模拟传统的晶体管开关，电子是亚原子的结构，是电力的基础单元。理论上一个指甲大小的芯片上能够容纳一万亿个电子。纳米管不是由硅制造的（硅的物理极限达不到纳米的级别），而是由碳原子构造成的圆柱状缕姓结构。IBM公司已经制造了一些可以使用的纳米电路，但是很可能直到2015年芯片制造商们才能够有能力大规模制造这样的电路。

光学计算 现在的电脑是电子计算，未来的电脑可能就是光学计算，或者光电子――用光计算，而不是电子。利用光学技术，机器可以用激光，透镜和镜面来通过光的波动表

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