原理与接口技术-第8章.ppt

第8章 微型计算机的主板及其I/O接口,学习目标 本章简要介绍Pentium 4后微型计算机系统的主板技术，包括：主板芯片组、CPU插槽、总线及扩展槽、内存条插槽以及主板上的I/O接口等。 学习要求 了解主板设计中的技术特点。 理解芯片组及其与I/O接口的架构。 理解主板上CPU插座、多种插槽与I/O接口。 了解BIOS芯片与COMS芯片的区别。,8.1 主板概述,主板是计算机中用于连接其他硬件设备的主体部件。CPU、内存、显卡、硬盘等部件都是通过相应的插槽安装在主板上，显示器、鼠标、键盘等外部设备也通过相应接口连接在主板上。,8.2 主板的基本结构,主板上面有芯片组、各种I/O控制芯片、扩展槽、电源插座等元器件，主板结构就是根据主板上这些元器件的布局排列方式、尺寸大小、形状、元器件的放置位置和所使用的电源规格等制定出的通用标准。 1ATX结构 Intel早在1995年1月就公布了扩展AT主板结构，即ATX（AT extended）主板标准。 1997年2月推出了ATX 2.01版。Micro ATX是Intel在1997年提出的ATX改进型主板结构。按照Micro ATX标准，板上集成了图形和音频处理功能。,8.2 主板的基本结构,2BTX结构 Intel推出了BTX（Balanced Technology Extended的简称）新型主板架构。 在BTX规范中，大量采用新型总线及接口，取代一些传统的总线及接口（如串口、并口）。在标准BTX主板的7个扩展槽中，有一个PCI Express X16插槽、两个PCI Express X1插槽和4个32位的PCI插槽。 采用BTX规范以后，主机的系统结构更加紧凑，可显著提高系统的散热效能并降低噪声。,8.3 主板的多功能外围芯片组,8.3.1 主板芯片组概述 主板芯片组几乎决定着主板的全部功能。生产芯片组的主要厂家中，以Intel、NVIDIA以及AMD的芯片组较为常见。 1. 北桥芯片 北桥芯片（North Bridge）是主板芯片组中起主导作用的组成部分。通常，芯片组的名称以北桥芯片的名称来命名，例如Intel 875P芯片组的北桥芯片是82875P等。 北桥芯片负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI数据在北桥内部传输，提供对CPU的类型和主频、系统的前端总线频率、内存的类型和最大容量、PCI/AGP/PCI-E插槽、ECC纠错等支持，整合型芯片组的北桥芯片还集成了显示核心。 北桥芯片是主板上离CPU最近的芯片，这主要是考虑到北桥芯片与处理器之间的通信最密切，为了提高通信性能而缩短传输距离。,8.3 主板的多功能外围芯片组,2. 南桥芯片 南桥芯片与CPU并不直接相连，而是通过一定的方式与北桥芯片相连。 南桥芯片负责I/O总线之间的通信，主板上的各种接口（如串口、并口、IEEE1394以及USB等）、PCI总线（如接电视卡、内置MODEN、声卡等）、IDE接口（如接硬盘、光驱）以及主板上的其他芯片（如集成声卡、集成RAID卡、集成网卡等），都由南桥芯片控制。南桥芯片通常位于PCI插槽旁边，芯片体积比较大。 在各芯片组中，每个北桥芯片都有相应规格的南桥芯片与其对应，南桥的功能需要北桥支持。 为避免南北桥芯片乱搭配，从810开始，Intel放弃了以往的南桥和北桥的概念，用MCH（Memory Controller Hub，内存控制中心）取代了以往的北桥芯片，用ICH（I/O Controller Hub，输入输出控制中心）取代了南桥芯片。,8.3.2 主流芯片组简介,1. Intel芯片组 针对主流市场需求，Intel在2006年 初发布了支持65nm处理器的i965系列 芯片组。 Inteli975、965都可与ICH8系列 南桥配合使用。 ICH8集成6个SATA接口，还提供 对PATA的支持，并把ICH8 USB 接口提升到10个。,图8.5 Intel i975芯片组及其与I/O接口的架构示意图,2. VIA的K8T900芯片组,K8T900是VIA针对AMD平台推出的 新一代PCI-E芯片组。 最值得关注的是引入了更为 完善的多显卡并联技术。 在南桥方面，K8T900将与 VT8251南桥相搭配。 VT8251提供了两组额外的 PCI Exprss总线、8组USB2.0接口、 7条PCI总线支持、AC97音频设备、 10/100M网络适配器，以及支持 VIA DriveStation等。,8.4 主板设计中的一些技术特点,1突破传统的全新板型设计 突破型的布局能将走线的长度和转角控制到最低，以最短长度的导线链接CPU、内存、 芯片组三者，最佳化满足了主板布线设计 “走向合理”、“线脉清晰”等要求，同 时也使性能得到明显提升。图示为全新板 型设计的ASUS M2N32-SLI Deluxe主板式样。 2提升供电模组功率与稳定性 对超频来说，供电是最重要的，除了充足的电流外，稳定的电压也必不可少。为此，不但加强用料做工，还要增加供电模块数量即供电相数。,8.4 主板设计中的一些技术特点,3注重系统整合的热管整体散热器 在2005年期间的主板整体散热还只是个别高端超频的专属；而在2006年以后的产品上，这种热管整体散热理念已开始成为主流设计思想，热管整体散热器的制作更为精细，结构也更加合理。图8.8给出了ASUS M2N32-SLI Deluxe散热系统的样式。,8.4 主板设计中的一些技术特点,4双显卡互联功能已成主流 SLI（Scalable Link Interface，可扩展连接接口）是由nVIDIA公司最终推出的双卡互联技术。2006年，由于全面开放SLI，使它成为了显卡市场的一大亮点。 它通过一种特殊的接口连接方式，在一块支持双PCI-E X16的主板上，同时使用两块同型号的nVIDIA PCI-E显卡，然后通过自身开发的动态负载平衡算法，将任务分配给两张显卡，让它们协调工作，从而提升整个系统的显示效能。 Cross Fire是ATI公司开发的类似SLI的技术。可以说，支持SLI或Cross Fire双显卡功能是中高端主板的标准功能。,8.4 主板设计中的一些技术特点,5主流PC平台向DDR3内存过渡 2006年以后，在Intel平台，DDR2-533内存开始大面流行；而在AMD平台，DDR2-667也在高端系统上率先引入。到2009年，PC平台已过渡到采用DDR3内存。 7SATA 3.0取代SATA2.0成为主流 在2006年以后，主板所支持的硬盘接口标准已提升到传输速率高达300MBps的SATA2.0接口。到2009年，随着SATA3.0接口标准的发布，硬盘接口标准已过渡到SATA3.0。,8.5 主板上的插座、插槽与外部接口,8.5.1 CPU插座 CPU插座是用于连接安装CPU的专用插座。 1Intel 公司CPU插座 Intel公司CPU插座类型较多，典型应用的举例如下。 1）Socket478 Socket 478接口是早期Pentium 4系列处理器所采用的接口类型，针脚数为478针。Intel的Pentium 4系列和P4 赛扬系列都采用此接口。Intel于2006年初推出了一种全新的Socket 478接口，这种接口是采用Core架构的处理器的专用接口。 2）Socket 603/604 Socket 603的用途比较专业，采用此接口的CPU是Xeon MP和早期的Xeon，Socket 603具有603个CPU针脚插孔，只能支持100MHz外频以及400MHz前端总线频率。 Socket 604仍然是应用于高端服务器/工作站的主板，增加了对133MHz外频以及533MHz前端总线频率的支持，2004年随着支持EM64T技术的Xeon的发布，又增加了对200MHz外频以及800MHz前端总线频率的支持。,8.5 主板上的插座、插槽与外部接口,3）Socket 775 Socket 775又称为Socket T，是应用于LGA775封装的CPU所对应的接口，采用此种接口的有LGA775封装的单核心的Pentium 4、Pentium 4 EE、Celeron D以及双核心的Pentium D和Pentium EE等CPU。Socket 775接口CPU的底部没有传统的针脚，而代之以775个触点，通过与对应的Socket 775插槽内的775根触针接触来传输信号。,2AMD公司CPU插座,AMD公司CPU插座的典型应用举例如下。 （1）Socket A Socket A接口也叫Socket 462，是AMD的Athlon XP和Duron处理器的插座标准。Socket A接口具有462插孔，可支持133MHz外频。在这个接口上，AMD推出了多款CPU，从最开始的雷鸟、毒龙，到后来的Athlon XP、新毒龙，产品跨度极大，是AMD赶超Intel公司的重要产品。 （2）Socket 939 Socket 939是AMD于 2004年6月发布的64位桌面平台插槽标准，具有939个CPU针脚插孔，支持200MHz外频和1000MHz的Hyper Transport总线频率，并支持双通道内存技术。 随着AMD从2006年开始全面转向支持DDR2内存，Socket 939插槽逐渐被具有940根CPU针脚插孔、支持双通道DDR2内存的Socket AM2插槽所取代。,2AMD公司CPU插座,（3）Socket AM2 Socket AM2是2006年5月底AMD发布的支持DDR2内存的AMD64位桌面CPU的插槽标准。Socket AM2具有940个CPU针脚插孔，支持200MHz外频和1000MHz的HyperTransport总线频率。虽然同样都具有940个CPU针脚插孔，但Socket AM2与原有的Socket 940在针脚定义以及针脚排列方面都不相同，并不兼容。,8.5.2总线扩展槽,总线扩展插槽是主板上用于固定扩展卡并将其连接到系统总线上的插槽，任何接口卡插入扩展槽后才能与主板“沟通”。主板上常见的总线扩展槽有PCI、AGP和PCI-E等。 1PCI总线 PCI（peripheral component interconnect，外设部件互连标准）总线诞生于1992年。一年之后，Intel紧接着推出64位的PCI总线，它的传输性能达到266MBps。 PCI总线主要用来连接外设及扩展卡，它所提供的接口就是PCI插槽，用于连接一些扩展插卡，如网卡、声卡、视频采集卡等，一般主板上可提供26个PCI插槽。,8.5.2总线扩展槽,2AGP加速图形接口 AGP（Accelerated Graphics Port），全称为加速图形接口。1996年，Intel在PCI基础上研发出一种专门针对显卡的AGP接口，推出原因是为了消除PCI在处理3D图形时的瓶颈。 1996年7月推出AGP 1.0标准、1998年5月发布AGP2.0标准到2000年8月的AGP 3.0标准。若按倍速区分，主要经历了AGP 1X、AGP 2X、AGP 4X、AGP PRO、AGP 8X。AGP 8X的总线带宽为2.1GB/s。 3PCI Express总线 在2001年的春季IDF论坛上，Intel提出3GIO（Third Generation I/O Architecture，第3代I/O体系）总线的概念，它以串行、高频率运作的方式获得高性能，后于2002年4月更名为PCI Express并以标准的形式正式推出。 PCI Express总线包括多种速率的插槽，如PCI Express x1、x2、x4、x8、x16、x32等。接口速率向下兼容，即使是1X的产品，也可以安装到16X的接口中使用。,8.5.3内存条插槽,1DDR SDRAM内存插槽 主板上通常可以看到两组颜色不同的4根长度一样的内存插槽，其中第1根和第3根颜色相同，第2根和第4根颜色相同，分成两组颜色是为了便于组建双通道内存。184线的DDR SDRAM内存条及其插槽的样式如图所示。 2DDR2 SDRAM内存插槽 从外观上看，DDR2与DDR内存插槽的长度是一样的，但两者的针脚数不同，隔断位置也不同。DDR2内存采用240线设计，而DDR为184线。因此在一些同时具有DDR DIMM和DDR2 DIMM的主板上，不会出现将内存插错插槽的问题，如图所示。,8.5.3内存条插槽,3DDR3 SDRAM内存插槽 DDR3属于SDRAM家族的内存产品，提供了相较于DDR2 SDRAM更高的运行效能与更低的电压，是主流的内存产品。 鉴别内存类型的方法有：使用专业的CPU检测工具、在BIOS中查看、根据内存频率判断、直接查看外观等。其中，直接查看外观法可通过以下两个方面去观察。 针脚数量。 DDR内存金手指针脚数量为184个，而DDR2内存和DDR3内存金手指针脚数为240个。 防呆缺口。 3种内存的防呆缺口的位置也是不同的。DDR内存的缺口在左数52个针脚后面，缺口后面还有40个针脚；DDR2内存的缺口在左数第64个针脚后面，缺口后面有56个针脚；而DDR3的缺口在左数72个针脚后面，缺口后面还有48个针脚，缺口比DDR2内存的缺口偏右。,8.5.4主板的I/O接口,1键盘、鼠标PS/2接口 主板上提供两个PS/2接口，它们是键盘和鼠标的专用6针园型接口。一般情况下，符合PC99规范的主板，其键盘的接口为紫色、鼠标的接口为绿色。 2LPT插座 LPT插座俗称“并口”（parallel port），在主板上是25孔的母接头。一般用于连接打印机，现打印机多采用USB接口。 3声卡接口 因多数主板都集成了声卡，因此，在主板的 外接接口中便有了集成声卡的音频输入输出接口。 4网络接口 在主板的外接接口中都集成网卡的RJ-45接口。,8.5.4主板的I/O接口,5USB接口 USB（universal serial bus）是一种新型的串行外设接口标准和广泛应用在PC领域的接口技术，也是高性能外设总线设计的发展趋势。 USB从1994年底由Intel、IBM等大公司共同推出以来，已有USB1.0、USB1.1和USB2.0等几个版本，均完全向后兼容。2000年正式出台的USB2.0标准，它的速率提高到USB1.1的40倍而高达480Mbit/s。 1）USB的性能特点 （1）通用性强，USB采用一种通用的连接器来连接多种类型的外设，如鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、USB网卡等几乎所有的外部设备。（2）连接简便，支持热插拔连接和即插即用。（3）数据传输速度较快，USB2.0标准，它的速率高达480Mbit/s。（4）自备电源，USB为低功耗USB设备（如USB键盘、USB鼠标等）提供了5V、500mA的自备电源，能独立供电。,8.5.4主板的I/O接口,2）USB 3.0简介 它是新一代的USB接口，特点是传输速率非常快，理论上能达到4.8Gbps，比480Mbps的USB 2.0快10倍，外形和现在的USB接口基本一致，且向下兼容。 简单地说，所有的高速USB 2.0设备拿到USB 3.0上来只能会有更好的表现。此外，使用光纤连接之后，USB 3.0的速度可以达到USB 2.0的20倍甚至30倍。 随着光纤导线的全面应用，USB 3.0将进一步应用在未来的主流产品上。 6IEEE 1394接口 IEEE1394是由IEEE协会于1995年12月正式接纳的一个新的工业标准，全称为高性能串行总线标准。它的原名叫FireWire串行总线，是由Apple公司于上世纪80年代中期开发的一种串行总线，现在一般都称为IEEE 1394总线。IEEE 1394也是一种高效的串行接口标准。,8.6 主板的BIOS与CMOS,8.6.1 主板的BIOS 1BIOS BIOS（Basic Input Output System）完整地说应该是ROMBIOS，是只读存储器基本输入输出系统的简写。它实际上是被固化到主板上一个ROM芯片内的一组程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出程序、系统设置信息、开机后自检程序和系统自启动程序。其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制，使系统运行在最好状态下。此外，使用BIOS设置程序还可以排除系统故障或者诊断系统问题。 刷BIOS是指正常的刷新过程，即利用刷新程序或编程器把新版本的BIOS程序写进ROM芯片。刷新BIOS（或升级BIOS）除了可以获得许多新的功能之外，还可以解决芯片组、主板设计上的一些缺陷，排除一些特殊的计算机故障等。,2BIOS的主要管理功能,（1）BIOS中断服务程序 它是微机系统软、硬件之间的一个可编程接口，主要用来在程序软件与微机硬件之间实现衔接。例如，DOS和Windows操作系统中对软盘、硬盘、光驱、键盘、显示器等各种外围设备的管理，都是直接建立在BIOS系统中断服务程序基础之上的。 （2）BIOS系统设置程序 微机各个部件的配置记录是放在一块可读写的CMOS RAM芯片中的，主要保存着系统的基本情况、CPU特性、软硬盘驱动器、显示器、键盘等部件的信息。在BIOS ROM芯片中装有“系统设置程序”，用来设置CMOS RAM中的各项参数。 （3）POST上电自检 当接通电源启动主机后，系统首先由POST(Power On Self Test,上电自检)程序来对内部各个设备进行检查。通常完整的POST自检将包括对CPU、基本内存、1MB以上的扩展内存、ROM、主板、CMOS存储器、串并口、显卡、软硬盘子系统及键盘等进行测试。 （4）BIOS系统启动自举程序 系统在完成POST自检后，ROM BIOS按照系统CMOS设置中保存的启动顺序，有效地启动驱动器。,3BIOS的升级,现在的BIOS芯片都采用了Flash ROM，都能通过特定的写入程序实现BIOS的升级。 （1）免费获得新功能 升级BIOS最直接的好处就是可以免费获得许多新功能，比如能支持新频率和新类型的CPU；突破容量限制，能直接使用大容量硬盘；获得新的启动方式；开启以前被屏蔽的功能，象Intel的超线程技术，VIA的内存交错技术等；识别其它新硬件等。 （2）解决旧版BIOS中的BUG BIOS既然也是程序，就必然存在着BUG，而这些BUG常会导致一些未知的故障，例如无故重启，经常死机，系统效能低下，设备冲突，硬件设备无故“丢失”等。负责任的厂商会及时推出新版的BIOS以修正已知的BUG。 各主板厂商针对自己的产品和用户的实际需求，开发了许多BIOS特色技术。,8.6.2 主板的CMOS,1CMOS的概念 CMOS（Complementary Metal-