1.1 計算機產品的電路結構

1.1.1 臺式電腦的電路結構

1．臺式電腦的整機結構

（1）臺式電腦的基本構成

臺式電腦又稱為個人計算機，主要功能是接收數據信息和處理數據，經處理后可以形成新的數據，同時可以將生成的數據輸出或存儲。臺式電腦的性能通常是指運算（處理）速度、存儲數據的容量及可能性。市場上流行的計算機擁有各種配置以滿足不同客戶的需要。例如，對于圖像的編輯、處理和存儲需要大容量存儲系統，對游戲愛好者則需要高性能圖形卡系統。

圖1-1所示是臺式電腦的整機電路結構方框圖，其中主要電路器件是安裝在主板上的。從圖可見，計算機主要是由CPU（微處理器芯片）、芯片組（南橋芯片和北橋芯片）、顯示器接口電路、內存電路、輸入/輸出接口電路及電源供電電路等部分構成的。

（2）臺式電腦主板的電路結構

圖1-2所示是華碩A7V8X—LA型主板的整機電路信號流程圖。

由圖1-2所示可知，在華碩A7V8X—LA型主板中，CPU作為總控制核心，經北橋芯片實現對內存、AGP插槽等進行控制和數據傳輸；CPU的指令和數據經北橋芯片后，再經南橋芯片實現對IDE接口、USB接口、鼠標鍵盤接口、SATA接口、PCI插槽、音頻接口及聲卡、網卡接口及網卡等電路的控制和數據傳輸；南橋芯片又經I/O芯片后實現對并口、串口、BIOS閃存芯片的控制和數據傳輸。

CPU作為主板上的重要核心部件，是通過總線與芯片組、內存、存儲控制器、接口電路和一些擴展插槽進行連接的。如果把CPU比做人的大腦，那么總線就相當于人的筋脈。

計算機主板上的總線分為控制總線、地址總線和數據總線三種，主板上所有的插槽芯片、輸入/輸出接口電路都是靠這些總線與CPU之間進行連接。

2．臺式電腦主板中各單元電路之間的關系

圖1-3所示為華碩PTGD2—LA型臺式電腦主板中各單元電路之間的信號流程圖。

● 開機電路是人工啟動電腦時的電路，主要是通過開機鍵來實現電腦的開機啟動和關機控制，也就是控制ATX電源啟動的過程（輸出各種工作電壓），滿足電腦中各部件及元件的供電條件。整個計算機是以CPU和芯片組為核心的自動控制和運行的系統。

● 電腦主板上的很多電路單元都需要時鐘信號，而且其頻率各不相同，時鐘電路是為電腦各個部分提供時鐘信號的電路。

● 供電電路則是將ATX電源輸出的電壓直接或間接處理后輸出更多組直流電壓，它是為主板上其他所有電路部分提供工作電壓的電路，在主板上有一個精細的供電分配系統。

● 主板上有很多互相關聯而又獨立的電路單元，它們的工作有著嚴格的邏輯關系和同步關系。主板的復位系統則是開機時復位信號的整機分配關系。

● 接口電路則完成計算機與其他外部設備進行數據傳輸的電路部分。

主板中的各個部件之間都不能夠獨立存在，它們是通過信號進行關聯的，從整機信號關系來說，我們可以將整機信號分為三個系統：整機供電系統、整機時鐘系統和整機復位系統。

例如，圖1-4～圖1-6所示分別為Intel965型主板的整機時鐘系統、供電系統和復位系統分配圖。

1.1.2 筆記本電腦的電路結構

1．筆記本電腦的整機構成

（1）筆記本電腦的基本構成

筆記本電腦是一種便攜式電腦，它可以使用電池為其供電，其基本結構和功能與臺式電腦相同。為了便于攜帶，很多電路單元都必須實現小型化和低功耗。圖1-7所示是筆記本電腦的整機電路結構方框圖。從圖可見，它主要是由CPU（微處理器芯片）、芯片組（北橋芯片和南橋芯片）、液晶顯示器和顯示接口電路、內存電路、輸入/輸出接口電路及電源電路（充電電路）等部分構成的。

（2）各單元電路的結構和功能

圖1-8所示是典型筆記本電腦各單元電路的信號關聯圖。

1.1.3 掌上電腦的電路結構

1．掌上電腦的基本結構

掌上電腦即PDA（Personal Digital Assistant），即個人數字助理之意。實際上是一種便攜式計算機，它可以運行各種應用程序，方便實用，讀書、學習、記事、娛樂等，快捷方便。圖1-9所示是它的整機電路結構方框圖。從圖可見，它的結構同筆記本電腦相比，電路簡化了很多。它的核心是一個媒體處理器，通過各種接口與其他設備進行信息互聯。

2．各單元電路的結構和功能

（1）處理器芯片

掌上電腦的處理器芯片是一種嵌入式處理器，它是整個PDA的信息處理和控制核心。處理器的工作是按照應用程序進行的，該程序存儲在芯片的外掛存儲器中。操作系統存儲在非易失性存儲器之中，即圖中的NOR/NAND閃存或EEPROM。應用程序代碼和數據可以加載到SDRAM或SRAM中，處理器芯片具有多種接口，以便于各種外接設備相連接。

（2）用戶接口

PDA設有觸摸屏和鍵盤接口電路，用戶可通過任一接口為PDA輸入人工指令。

（3）音頻/視頻輸出接口

PDA處理器芯片處理后的音頻和視頻信號可分別經音頻、視頻輸出接口電路輸出。PDA處理的數字音頻信號經解碼器和D/A變換器，還原成模擬音頻信號，再經音頻放大器去驅動揚聲器發聲，或通過耳機接口輸出。同時外部音頻設備或話筒的音頻信號也可以送入PDA，經A/D變換和數字編碼電路，送入處理器芯片進行處理或存儲。

目前流行的音頻編碼芯片為TLV320AIC3254，它是一種新型的超低功耗立體聲編解碼芯片（嵌入式MINI DSP電路）。

（4）網絡和外設接口

PDA通常都具有USB、存儲器接口和無線網絡接口（DAN），通過這些接口可與其他電腦等設備連接。在本機上還設有攝像頭和圖像傳感器直接獲取圖像信息。

此外它還有藍牙耳機接口、視頻輸出接口、S視頻接口、HDMI高清晰度視頻接口，MMC/SD存儲卡接口等，給使用帶來了很大的方便。

1.1.4 服務器計算機的電路結構

1．服務器計算機的基本結構

服務器計算機是一個計算控制系統，它主要是運行在特定的環境或需要長期運行的系統中，通常極少有人干擾。盡管服務器可以使用商品計算機組件構建而成，但專用服務器必須使用專門的硬件以實現最佳可靠性。服務器中根本不存在圖形用戶界面（GUI），因此無需安裝昂貴的視頻適配器和音頻接口、游戲手柄連接及通常在筆記本電腦或臺式電腦中用到的USB外設。系統中采用了可靠的風扇或是中央空調器來使系統保持冷卻。服務器計算機還需要特殊的冗余不間斷電源來確保電源故障期間不會出現數據丟失。

圖1-10所示是服務器計算機的電路系統方框圖。從圖可見，它同普通臺式計算機的區別在于它有多個CPU、北橋芯片和內存電路，南橋芯片與普通電腦相同。該機除具有網絡接口和USB接口外，還設有近程無線通信接口、KVM（鍵盤、視頻、鼠標）子系統、視頻子系統及SATA/SAS接口。

2．各單元電路的結構和功能

（1）多個處理器和多核處理器

為了提升服務器計算機的處理能力，在主機中采用多款處理器。隨著計算機技術的發展，目前已經能將多個處理器的內核嵌入到單個處理器之中，制成多內核處理器。使服務器能同時執行多串代碼，大大增強了系統的處理能力。

對于所有計算系統而言，處理器、存儲器中的瓶頸都可能嚴重降低整體性能。當今處理器具有增強的多內核與多線程性能，能夠執行特定的124位指令，從而顯著提升性能。由于存儲器得到改進，全緩沖DIMM（FBDIMM）降低了延遲，實現了更短的讀/寫訪問時間。高速接口標準（如PCI—Express、HyperTransport、SerialATA、SAS和USB）可以確保信息以足夠快的速度進入服務器，以實現服務器的處理功能。

虛擬化是該系統采用的一項新的軟件技術，它允許主機服務器的單個操作系統中的硬件同時在同一計算機上運行多個操作系統和多個應用程序，從而提高利用率和靈活性。

（2）電源供電電路

服務器計算機對電源的要求比較高，主要是能長期運算、不間斷，而且要考慮電源供電故障發生時確保計算機的數據不丟失。因而在電源設計上從散熱方面及硬件方面的可靠性要求都比較高。

（3）無線通信接口

本機的無線通信接口是采用無線方式進行數據交換，ZigBee是一種低功耗近距離通信技術，IrDA是采用紅外光傳輸的通信技術，藍牙也是近距離通信技術。借助于這種技術，可以將個人電腦等設備的數據進行通信互聯。

（4）KVM子系統

KVM子系統是鍵盤、鼠標和視頻的接口，通過該接口傳輸人工指令和視頻。

（5）視頻子系統

視頻子系統是由圖形處理器GFX（含存儲器）、視頻緩沖器和輸出電路等部分構成的。該輸出可送給電視監視設備。

（6）SATA/SAS

SATA串行高級技術附件（Serial Advanced Technology Attachment），它是一種基于行業標準的串行硬件驅動器接口。

SAS（Serial Attached SCSI），串行連接SCSI接口，采用串行技術以獲得更高的傳輸速度，并通過縮短連接線改善內部空間。此接口改善了存儲系統的效能、可用性和擴充性，提供與串行ATA（SATA）硬盤的兼容性。

1.1.5 嵌入式PC的電路結構

1．嵌入式PC的基本結構

嵌入式PC（Embedded PC）是構建在單個印制電路板（PCB）上的完整計算機，它充分利用了與臺式電腦（PC）兼容的構架，同時提供廣泛的知識和資源。它與臺式機、筆記本電腦的區別在于特定的外形、機械設計及外部接口電路。這種電腦是專用于各種場合的計算機，它的某些功能超強。圖1-11所示是它的整機電路結構方框圖。

由圖可見，它主要是由CPU（單核或雙核）電路、芯片組（MEH和ICH）、圖形處理單元（GPU）、音頻及PCI Eepress、以太網和USB接口等，基本組成與臺式機電腦相同。

2．各單元電路的結構和功能

（1）中央處理單元（CPU）

CPU負責處理所有復雜的處理功能（復雜算法、視頻編碼、圖形處理），并且可以直接與芯片組相連。

（2）芯片組

芯片組連接并控制儲存器、圖形及進出CPU的I/O流量。當今許多EPC中都包含兩個芯片：圖形與內存控制集線器（GMCH）及I/O控制集線器（ICH）。在較新的EPC平臺上，內存控制器被集成到CPU中，除了CPU以外，只有一個有時被稱為“系統控制集線器”的控制芯片。

（3）存儲器

存儲應用軟件和數據文件。在大多情況下，SDRAM（1.8V DDR2SDRAM或1.5V DDR3SDRAM）在電路板上使用（需要專用電源轉換器），用于實現更短的讀/寫訪問時間，并且有時也會使用閃存。

（4）PCI Express總線

PCIe被設計速度更快的串行接口來分別替換計算機擴展卡和圖形卡的PCI/PCI—X和高級圖形端口（AGP）接口。PCIe1.x總線以2.5GHz的速度運行，將8b10b編碼用于檢測錯誤（10個時鐘周期發送一個字節），相當于250Mb/s的數據速率。PCIe 1.x卡與主板之間的連接可以由1至32條線路組成，可使每個方向的傳輸速率最高達到8Gb/s。PCIe 2.0使每條線路的數據速率翻倍至500Mb/s，它在物理接口和軟件中與PCIe 1.x向后兼容，從而使舊版卡也能在具有PCIe 2.0的EPC上工作。PCIe 3.0目前在理論上使數據速率翻倍至1Gb/s，并且也與現有的PCIe實施向后兼容。

（5）以太網

以太網允許EPC連接到LAN以支持網絡功能。

（6）USB

通常提供多個USB端口以實現與外部存儲設備等各種外設的連接。

（7）電源轉換

EPC將輸電線供電（AC/DC適配器）或電池電源用做主電源輸入。EPC常用的DC電源輸入電壓有5V、12V、16V、19V，甚至為24V或28V。