笔记本电脑系统基础知识(080227).ppt

qiuml,20080227,笔记本电脑系统基础知识,笔记本电脑基本架构,当前笔记本虽然是品牌众多，且外观、功能各有千秋，但究其原理还是一样，都是基于“IBM PC/AT”的架构（当然Apple的除外）；这里值得注意的是，虽然台式机和笔记本外形差别很大，但其基本的架构和原理都是一样的，也是兼容“IBM PC/AT”架构的。 下页图示将列出笔记本典型架构图示；不同的机型、品牌及芯片组，配置可能会有相应变动，但是整个模块不会有太大的变化！,基本架构图示,系统的主要构成分为如下几个部分：“North Bridge（北桥），South Bridge（南桥），显示卡，EC（嵌入式控制器）”，这几个部分一般都是集成到主板上的，配合CPU，内存就可以开机进入BIOS；以上的部分是必须的，因为这属于PC/AT架构的基本构成。其他诸如：“硬盘，无线网卡，Card Bus（PCMCIA控制器）”等等都是次要的，并不影响整机的工作；或者说，不影响机器的开机。,系统主要模块构成,主要模块的功能简介,北桥主要功能： 连接CPU和内存，如果是独立显卡的话，会提供与显卡的AGP接口，并用“DMI”总线与南桥通信；北桥常被成为“MCH”或者“GMCH”，也就是“Memory Control Hub”或者“Graphic Memory Control Hub”的意思。 南桥主要功能： 连接一些外围设备，比如PCI界面的网卡，PC卡控制器等等，另外诸如USB接口、IDE接口也是由南桥来提供的，南桥提供LPC总线与EC通信；南桥也常被称为“ICH”，其意思是“I/O Control Hub”的意思。,主要模块的功能简介,EC（Embed Controller，嵌入式控制器）： 虽然和我们常说的BIOS有点像，不过其实EC是BIOS的“物理控制器”和“载体”，它通过LPC与南桥通信。 其在目前笔记本中担当相当重要的“重任”！整个笔记本“系统电源”都受其管理和控制，担负着系统电源相关的“分配”任务；此外，EC还承接“内置键盘”的控制器功能和一些低速接口的控制；所以，亦有称此控制器为“键盘控制器(KBC)”的说法。,主要模块的功能简介,BIOS（Basic Input/Output System，基本输入输出系统）： 其在整个系统中的地位是非常重要的，它实现了“底层硬件”和“上层操作系统”的桥梁；比如，现在从光盘拷贝一个文件到硬盘，您只需知道“复制、粘贴”的指令就行了，您不必知道它具体是如何从光盘读取，然后如何写入硬盘；对于操作系统来说也只需要向BIOS发出指令即可，而不必知道光盘是如何读，硬盘是如何写的。,笔记本电脑芯片组,笔记本电脑所使用的芯片组与台式机有比较大的不同，这主要决定其“移动性”及“低功耗”设计理念。 与台式机相比芯片组的不同是相对而言的，也有一些芯片组就是采用了与台式机相同的芯片组，如“440BX”；很多笔记本芯片组都是台式机芯片组的一个改进版本，只是更注重笔记本的特点而设计的。,笔记本电脑芯片组,目前，已经使用到的笔记本芯片组有： 440BX/440ZX-M/440MX（PII） 830MP/VIA Twinster/SIS630（PIII） 845MP/SIS650/SIS 961/INTEL 852GM/852GME/852PM/Via P4N266(VT8703) /ALI 1671（PIV） 855GM/Intel 855GME/Intel 855PM/SiS648MX/SiSM661MX （Centrino I） Intel 915PM/Intel915GM/Intel910GML/Intel915GMS （Centrino II） Intel 945 PM /945 GM/940GML/943GML （Centrino III） Intel PM965 /GM965 GM/GL960（Centrino IV）,Intel 855芯片组规格对照,Intel 915芯片组规格对照,Intel 笔记本CPU发展史,奔腾III时代： 2000年，Intel推出代号为“Coppermine”的PIII笔记本用CPU，0.18微米技术生产，前端总线速度就提高到“100MHz”，集成了“256K”全速的二级缓存，支持“SpeedStep”节能技术，使得“600/650”MHz的CPU在使用电池时以500MHz的速率运行，而切换时间只需不到“1/2000”秒，这几乎是用户觉察不到的。,Intel 笔记本CPU发展史,奔腾III-M时代： 2001年， Intel推出代号为“Tualatin”的PIII-M笔记本用CPU，采用0.13微米技术生产，运行“133MHz”的系统总线，集成了“512K”全速二级缓存，“增强的SpeedStep”技术，可以根据CPU在应用程序中的使用情况自动在最佳性能和最长电池使用时间之间平稳切换，核心电压“0.95V-1.4V” (使用电池优化模式时在0.95-1.15V之间，使用性能优化模式时在1.1-1.4V之间)，采用“FCPGA”或“PCBGA”封装。,Intel 笔记本CPU发展史,奔腾IV-M时代： 2002年七月份，Intel推出采用0.13微米工艺和“Northwood”核心的移动CPU新款奔腾4-M处理器，首批推出的包括1.7GHz、1.6GHz的型号，核心集成5,500万晶体管，采用“MicroFCPGA”封装(mPGA478)，采用“NerBurst”架构，运行于“400MHz”前端总线，核心集成“512KB”二级缓存，支援“增强型SpeedStep、Deeper Sleep”休眠模式，工作电压1.3V，1.7GHz版本在使用SpeedStep节能模式后工作频率降为1.2GHz (1.2V)，平均功耗降低到2W以下 ；一些采用奔腾4-M的新款笔记本电脑已具备嵌入式无线功能，如“802.11b”和“蓝牙技术” 。,Intel 笔记本CPU发展史,迅驰时代： 英特尔于2003年3月推出“Centrino”品牌，它由三部分组成：“移动式处理器（CPU）、相关芯片组以及802.11无线网络”功能模块。 一代P-M：Banias处理器/1MB高速缓存/400MHz FSB (Carmel平台) 二代P-M：Dothan处理器/2MB高速缓存/533MHz FSB (Sonoma 平台) 三代P-M：Yonah单/双核处理器/2MB高速缓存/667MHz FSB (NAPA平台),Intel CPU发展史,迅驰时代： 此外，与其同期推出之“Celeron-M”是Pentium M处理器的低价版，采用与Pentium M一样的核心，采用0.13微米工艺制造，Celeron M的设计也会降低耗电量-这是无线网络笔记型计算机的重要考率因素，但还是会比Pentium M略逊一筹，而且Celeron M不会内含英特尔的“SpeedStep”技术。,Intel SpeedStep技术,第一代SpeedStep技术： 简单的说，就是当使用“外接电源”或“电池”驱动时，自动对CPU的“工作电压”和“工作频率”进行切换。采用“SpeedStep”技术的CPU有两种不同的工作模式：使用AC电源时的最高性能模式(Maximum Performance Mode) 和使用电池时的电池优化模式(Battery Optimized Mode)，笔记本根据电源情况自动切换工作模式。,Intel SpeedStep技术,第二代SpeedStep (Enhanced SpeedStep)技术： 则可以根据CPU的“负荷”情况在两种性能模式之间实时进行“电压”和“频率”的动态切换，也就是说可以在电池驱动时根据CPU负荷情况自动切换到最低工作频率和电压，也可以在接外接电源时根据CPU负荷情况自动切换到最高工作频率和电压。,Intel SpeedStep技术,第三代SpeedStep (Improved Enhanced SpeedStep)技术： 尽管仍只有两种基本工作模式，但同时还具有多种中间模式，支持多种频率速度与电压设置 (由CPU的电压调整机制来控制)，根据CPU当时负荷的强度自动切换工作模式。,SpeedStep技术硬件实现,现在的CPU有工作电压，频率的自动调节功能以满足“性能/电池续航”的最佳平衡；那么其如何调节呢？如下图所示，它说明了CPU在各个状态间的切换：,SpeedStep技术硬件实现,CPU具有相当的智能，它会对当前的“负荷量”做一个检测，如果要求的处理量不大的话就自动进入“Auto Halt，Stop Grant”等状态，如果发现负荷量还是偏小的话，南桥会发出一些“SLP或DEEP SLP”信号（分别代表睡眠，深睡眠）来通知CPU进入“睡眠、深睡眠”状态。而在“DEEP SLP”情况下，如果CPU的运算量还是偏小，那么CPU就会发出“VID”通知“CPU Core Voltage Regulator”（CPU电压产生器）降低当前的工作电压，在收到CPU发出的VID后，电压产生器就会输出想对应的CPU CORE电压，在得到降低的电压后，CPU的频率会下降以达到低功耗的目的，而在这时候CPU进去的模式我们称为“DEEPER SLP”（即更深的睡眠）模式。,SpeedStep技术硬件实现,至于“VID”和“CPU”的关系，下面的图能有比较直观的认识：,SpeedStep技术硬件实现,CPU发出“VID”到“CPU Core Voltage Regulator”，后者解码VID后，改变CPU的核心电压。“SpeedStep技术”能让CPU在“最高性能模式”和“电池优化模式”之间随意地切换或按用户的命令进行切换，而性能切换时，SpeedStep技术可将处理器的功率降低40%，同时仍保持80%的最高性能。下图为部分Intel CPU工作电压调节表。,主板EMI/EMC初步认识,所谓EMI, 其具体的含义是：“Electro Magnetic Interference”，电磁干扰，EMC即为：“Electro Magnetic Compatibility”，电磁兼容性）；例如：“FSB (前端总线)” 对其他信号的干扰非常严重（即EMI现象很严重），而且其本身也比较容易受到干扰（即EMC能力很弱），很明显，如果“FSB”被干扰并出现误判，机器是必死无疑的；在考虑了“ EMI/EMC”的影响后，在实际的布线中，通常将这部分线路放在内层（一般笔记本电脑主板都有68层），以防止高速信号对其他信号造成的串扰。所以一般情况下，我们在主板上是看不到“FSB”线路的。,内存之DDR单/双通道技术,DDR SDRAM的接法有“双通道”和“单通道”之分。相对于传统的单通道而言，双通道DDR技术是一种新的内存控制技术，它和双通道“RDRAM技术”非常相类似，是在现有的DDR内存技术上，通过扩展内存子系统“位宽”使得内存子系统的带宽在“频率不变”的情况提高了一倍：即通过“两个64bit”内存控制器来获得“128bit”内存总线所达到的带宽。,内存之DDR单/双通道技术,双通道体系包含了两个独立的、具备互补性的智能“内存控制器”，两个内存控制器都能够在彼此间零等待时间的情况下同时运作。当“控制器B”准备进行下一次存取内存的时候，“控制器A”就在“读/写主内存”，反之亦然，这样的内存控制模式可以让等待时间在理论上缩减50%。,内存之DDR单/双通道技术,下图是“单通道DDR”内存的示意图，左边的信号来自北桥。如果是双通道的话要加上另一组DDR与北桥的接口。双通道对于单通道来说能显著加快内存数据和CPU的交换速度，但是出于PCB布线的考虑，双通道明显增加了线的数目，增大了布线的难度，并由此产生的成本问题对企业来说更为敏感。,小知识：什么是TDP?,TDP的全称是Thermal Design Power，可以理解为最高设计热消耗的概念。Pentium M CPU设计理念最大的不同，就在于它的最大限度满足笔记本电脑的便携性、移动性的基础上的新型的TDP技术，前面也有所描述。我们可以通过下图了解一下笔记本电脑系统的热消耗示意图： 图中的曲线代表的整个系统的实际能量消耗值，可以看到TDP的值就是一个最高的额定功率消耗值，而系统平均功率消（Average Power）耗是低于TDP和活动状态（Active Power）功率消耗的。此外，我们还注意到，在系统风扇处于工作区域时（Fan On），整个系统的能量消耗是会是处于上升阶段的。,小知识：什么是TDP?,下面，为了更好的体现Pentium M CPU在TDP设计方面的优势，我们可以通过下表对较早期版本CPU，如：Pentium III-M和Pentium IV-M作一个比较。最大的优点是体现在Pentium M CPU性能虽然较Pentium IV-M有较大的提高，但是TDP值却由下降到24.5W，较后者的35W低了很多。至于其他部件的TDP对比，总体来说，相差不是很大。,小知识：什么是TDP?,此外，既然提到TDP，我们还可以再来看一下采用Intel SpeedStep技术（SST）前后，同一CPU功率消耗的情况，可以通过下面的表格体现出来。,小知识：什么是TDP?,ACPI电源的基本认识,下面我们了解一下ACPI的概念，它的英文全称为Advanced configuration and Power Interface，即先进配置和电源接口的意思。下一章节在介绍系统电源的时候，将会提到系统的睡眠、休眠状态这样的概念。从电源的角度来看，其实也就是进入不同的电源模式而已。大家可以分为五个层次来了解ACPI这样的结构： 全局系统状态（Global System State），分为 G5:0 G0 全局工作状态，即正常的系统运行状态； G1 全局睡眠状态，即系统进入睡眠等省电模式状态； G2/S5 软关机，即系统处于软件关机状态； G3 硬关机，即系统所有电源移除状态。,其他，四小类，可以安装相同的理解思路来看待即可。本节的重点，是建议大家建立这样的一个电源管理于状态的概念。 设备电源状态（Device Power State），分为D3:0 系统睡眠状态（Sleeping State），分为S5:0，隶属于 G1 CPU电源状态（Processor Power State），分为CN:0，隶属于G0 设备和CPU状态（Device &Processor State），分为PN:0,ACPI电源的基本认识,除此之外，我们还可以通过上状态框图对ACPI这样的一项电源技术有个直观的认识。同Intel SpeedStep电源管理技术一样，不同的相同状态通常也是认为可以相互转换的，就拿CPU的ACPI状态举例，它可以从C3状态进入到C4状态。同样，也可以从C4状态恢复到C3电源状态。限于篇幅，有兴趣的读者朋友，可以访问网址：，寻求更多关于ACPI电源技术的信息。,ACPI电源的基本认识,ACPI电源的基本认识,特色功能介绍：CPU散热？,本节我们来了解一下CPU的散热（Thermal）规格。散热技术应该是当今笔记本电脑最复杂的技术之一。随着PC技术的发展，笔记本电脑的尺寸会变得越来越轻薄、CPU及整个系统的运行速度越来越快，其所产生的热量相对来说也就越大了。如果在这样狭小的空间解决好整个系统尤其是CPU的散热问题已是当务之急了，同时好要考虑的系统风扇的噪音和电池的续航时间等因素。所有这些都需要硬件商来寻求一个很好的平衡。,下面我们来具体分析一下CPU是如何让外接侦测其温度信息的？CPU可以通过两种方式来侦测其内部温度。其一，如上表所示，CPU的内核包含一颗热敏二极管，这个二级管的阴极和阳极分别通过CPU的B18和A18的引脚引出，热敏二级管的阻抗特性会随着CPU温度的变化而变化，温度变化的信息通常传递给主板上CPU附近的温控芯片，如下图所示：,特色功能介绍：CPU散热？,CPU 发出的Thermda，Thermdc一组差分信号分别和温控IC U3的D+、D-相连接，U3在接收到CPU较低电压模拟电压信号后，首先经过信号整理、放大。模拟的温度信号在经过位或位的采样，通过A/D转换为相应的数字温度信号。由于温控芯片的温度数值最终还用要通过串行系统管理总线（System Management Bus）传递到EC芯片来通过CPU的温度，调节相应的风扇转速，以便及时将CPU工作时所产生的热量及时散发出去。所以，在温控芯片内部还需要有并行数据转串行的转换过程。关于SM总线的介绍，后续章节将会说明。,特色功能介绍：CPU散热？,此外，温控芯片的第六脚还有一个ALERT#信