电脑主板工作原理.doc

主板硬启动过程工作原理先主板将从由ATX电源，CMOS电路，开机电路组成的加电系统控制下得到一级供电。具体工作细节为：当ATX电源接通220V时，ATX电源内部的串联型稳压电源产生SB5V待机供电，虽然ATX电源内部的开关电源也开始了工作，但是此后被由SB5V产生的5V高电平控制了震荡芯片而停止工作，以后的控制交由开机电路控制了。开机电路与CMOS电路同时得到SB5V-SB3.3V的供电，同时CMOS电路的实时时钟震荡器产生32.768Khz的正弦波供给开机电路与CMOS电路，此时开机电路的工作条件得到了供电和时钟，随时随地可以接受开机键的触发了。当有人按动了开机键时，开机键上通过电阻来自SB5V-SB3.3V的高电平会产生0-1跳变，也就是“”上升沿的出现，使开机电路的核心受到触发，从而输出有效电平控制执行级元器件导通将ATX电源14脚由SB5V产生的5V高电平对地泻放，由此ATX电源内部的开关电源不再被控制，开始了工作，输出各项供电电流送到主板上。上述步骤可以参阅图A，此过程即主板加电过程。如上图所示，主板的供电系统第一个加电环节就OK了。重点测试点为：CMOS跳线电压，正常为3V。32.768Khz晶振两脚间电压0.2V。开机键有无高电平。开机键高电平可否跳变。ATX电源14脚电压。ATX电源14脚外围元件好坏。开机键到控制核心的信号通路。核心到ATX电源14脚外围元件控制信号通路。核心损坏。其次，主板上的DC-DC直流转换电路将ATX电源提供的5V,3.3V,12V静态直流转换成CPU，BQ，NQ，DIMM所需要的动态直流，具体过程见CPU，BQ，NQ，DIMM等直流转换电路工作原理。于是主板上的各个硬件得到了工作所需的第一个条件，供电。与此同时，主板上的CLKSYS时钟系统也得到了来自供电系统的正常供电，其内部的震荡器开始震荡，产生了14.318Mhz的方波CLK信号送给系统时钟电路的控制器，而后芯片收到ATX电源8脚PG信号触发，控制器在频率跳线或者CMOS软设置的指引下输出调节后的14.318MhzCLK信号给内部的各个分频器，经不同倍频调节，各分频器输出各个硬件所需要的各种频率的CLK到达各个硬件的CLK信号输入端。见图B至此，主板上的各大硬件又得到了第二个工作条件，CLK信号。NQ内的复位控制芯片也收到了来自ATX电源8脚的PG信号触发，瞬间开始工作，只是工作一瞬间，输出一个3V以内的0-1-0跳变电压，即RST#，此信号经外围执行电路转换成两路再输出，一路正向0-1-0跳变电压的叫做PCIRST#送给周边设备，包括BQ，AGP，PCI等等，另一路反向的1-0-1跳变电压的叫做IDERST#送给IDE接口，负责硬盘的复位控制。当BQ被复位后，会随即输出0-1-0跳变电压的叫做CPURST#（结束靠CPU-DC-DC电源管理芯片输出的PG信号控制）。例外的是462接口的CPU，它的复位信号是由NQ直接提供的。而并非BQ。此时，主板上的各大硬件的三大工作条件到齐，可以开始工作了，上述所有过程加在一起就是主板的硬启动过程，检测这个过程可以通过0系统化检测，条件齐全再上CPU，DIMM等硬件进行下一步的软启动检测。主板无疑是电脑最核心的部件。目前，奔腾主板市场空前繁荣，据计算机世界报报导，奔腾主板来自数十个生产厂家，有近百种之多，如何从这么多种类的主板中选择呢？本节将从主板的原理与结构方面出发，揭开主板的神秘面纱，使读者对主板能有一个清晰的认识，对选购和装机都不无益处。 奔腾级AT主板的结构及工作原理 奔腾级主板的结构 下面是奔腾级主板的结构框图。由图中可以看到主板上的一些主要部分。 FDC：软驱控制器（接口） USB：通用串行总线（接口） SIMM：72线内存条插槽 DIMM：168线内存条插槽 PS2：PS22鼠标接口 BIOS：基本输入输出系统 LPT：并行接口（打印口） COM1、COM2：串行接口 显然，主板主要由三类构件组成：集成电路、各种插槽插座和一大块多层电路板。在主板上的众多集成电路中，有着重要程度上的差别。图中有阴影的几个集成电路决定了主板的性能，这几个集成电路称为“芯片组”或“套片”，包括PCM芯片、LBX芯片、SIO芯片。 奔腾主板的工作原理 PCI ISA总线奔腾主板中，CPU只与套片（芯片组）直接打交道，套片作为CPU的全权代表，处理CPU与内存、高速缓存、PCI插卡、ISA插卡、硬盘等外部设备的通信。各芯片的作用如下： 1. PCI、内存、Cache控制器（PCMC）芯片 PCMC是“PCI、Cache and Memory Controller”的缩写，从名字上就可以看出来，它的作用是：管理PCI总线、管理Cache、管理内存。 由于PCMC内的二级Cache控制器只支持256KB或512KB的二级Cache，于是采用Intel套片的主板就没有提供其它容量Cache。如果你听到某个主板声称自己支持1024KB的Cache，那就说明它用的肯定不是Intel的套片。 另外，在PCMC内还集成有DRAM控制器，负责DRAM的刷新、读写和被Cache。因此，主板支持的内存种类、内存的最大容量也不是任意的，主板生产商在这方面依然只能服从这些限制。 2.局部总线加速器（LBX）芯片 LBX是“Local Bus Accellerator”的缩写，它具有下列主要功能： 提供64位的DRAM界面，支持猝发式读写。支持的内存读写方式和读写周期也会影响主板的性能。 提供32位的PCI界面。LBX与PCMC一起作为CPU总线到PCI总线的桥梁，提供了PCI总线。 提供CUP与内存、CPU与PCI总线、内存与PCI总线之间的读写缓冲，提高数据传输速度。这些缓冲的大小将影响主机板的性能。FX套片性能不如HX、VX套片，部分原因就在于其读写缓冲较小。 某些版本的LBX还支持内存校验和纠错。 3.系统IO（SIO）芯片 SIO是“System IO”的缩写，具有下列主要功能： 作为PCI总线到ISA总线的桥梁，提供ISA总线，并且负责ISA设备的仲裁。 集成82C54实时钟，用于系统时钟、内存刷新、扬声器发声。 支持X工具总线。X工具总线的作用是连接多功能IO芯片、键盘、实时钟和BIOS片选。多功能IO芯片提供了双串口、一并口、软驱接口。有的IO芯片还提供了游戏杆接口。 集成2个82C59中断控制器，管理系统硬件中断。 支持CPU的系统管理模式，用于绿色功能，能让CPU进入省电的休眠状态或者在需要的时候唤醒CPU。 提供2个增强型DMA控制器，支持多种DMA功能。 最新的SIO还支持USB总线接口。 奔腾级ATX主板的结构及工作原理 下图是ATX主板的结构框图。是当前的主流机采用的主板。 1.ISA扩展槽 这种扩展槽的颜色一般是黑的，在80X86系列电脑中，除了最早的XT机的主板，几乎所有主板都有数个ISA扩展槽，图中的主板具有4个ISA槽。顾名思义，扩展槽是用来扩展计算机功能用的。比如，购买了一块声卡，需要一个扩展槽，购买了一块解压卡，也需要将它插到一个扩展槽里。插在Pentium机ISA槽内的卡除了上述两种外，常见的还有：网卡、SCSI卡、内置Modem等。 2.IO芯片 几乎所有的Pentium主板都自带IO电路。Pentium主板上的IO芯片最常见的是Winbond公司的W83787和W83786。IO芯片的功能是提供软驱接口、串并行通信口等等。 3.PCI扩展槽 同ISA扩展槽相比，PCI扩展槽的长度要短得多，而且颜色一般都是白的。仔细观察，PCI扩展槽内引线与引线的距离比较近，因此PCI卡上面的引线并不少于ISA卡。常见的PCI卡有PCI显示卡、PCI接口的SCSI卡和网卡。 4.168线内存插槽 168线内存可以提供64位线宽的数据，因此使用一条就可以启动Pentium系统。图中的主板有3个168线内存槽，目前新的主板一般有两个或四个168线内存槽，扩展内存很方便。常见的168线内存大多是SDRAM（Synchronous DRAM，同步内存），其效率要比EDO和FPM内存高，使得整个系统性能也有一定的提升。目前常见的SDRAM的速度是66MHz的，83MHz和100MHz的也开始上市。 5.72线内存槽 与168线内存相比，其长度显然短多了。一条72线的内存可提供32位线宽的数据，由于Pentium芯片是64位的，因此，除了少数特别设计的Pentium主板，大部分都需要两条72线内存条才能启动系统。该主板只有四个72线槽。目前，72线条内存正象30线内存条一样遭到淘汰。72线内存常见的有EDO RAM（Extended Data Outup RAM，EDO内存）和FPM RAM（Fast Page Mode RAM，普通内存）。一般EDO RAM的速度为4060ns，FPM RAM速度为6070ns。注意，虽然很多系统声称支持SD RAM和EDO RAM混用，但最好不要这样做，这对系统的稳定和安全不利。 6. LPT1、COM1和COM2通信口、USB接口 ATX主板上集成了这几个串并行通信口。并行通信接口LPT1（俗称打印口，因为它常接打印机）在上面，两个串行通信接口COM在下面。AT主板则要用排线把端口连到机箱上，在主板只有IO芯片。 COM口上一般可以接鼠标、外置Modem等。通过“直接电缆连接”(Windows 95)、Inter linkInter server(DOS 6.X以上）和Laplink(Pctools高版本）等程序和通信线，这几个接口也可以用于短距离的微机间数据传输。由于并行口传输速度远远快于串行口，大量数据传输时推荐采用并行口。Pentium主板上的并行口一般都可以设置为EPP(Enhanced Paralel Port，增强并行口）方式，比传统的SPP(Standard Parallel Port)方式速度更快。 USB即通用串行接口的意思，它可以实现机箱外的热即插即用，而且可连接的设备多达127个。不过USB似乎总是“雷声大、雨点小”，至今未见多少实际行动，主板上的这两个USB接口无非是个高级摆设而已。 7.键盘接口 用于外接键盘。 8. PS2鼠标接口 俗称圆口鼠标接口，若使用圆口鼠标，就可省下一个COM口。 9. ATX电源接口 ATX主板上另一处明显特征，就是这个电源插座了。ATX电源插座是20芯双排插座，必须使用ATX电源。相应地，ATX电源插头变成了20芯大插头。使用ATX电源除了享受软关机的乐趣之外，装机时也省了不少事，起码不用担心插错电源插头。 10.电容、降压芯片和扼流圈（电感） 尽管ATX电源可以直接输出3.XV的电压，但是很多CPU需要双电压或更低的电压，因此降压电路还是必要的。在以前的主板中，常常采用线性调压电路，“多余的”电压和功率都消耗在降压集成电路上了。目前的主板几乎都采用了开关电源（Switching Power Supply）调压电路，开关电源的功耗更少，效率更高，可以输出的功率更大（华硕的P2L97AGP主板就是用的开关电源调压电路），开关电源需要用容量相对较大的电解电容和扼流圈（一个圆磁环，上面绕了几圈漆包线）滤波，保证平直的输出电压。 11.二级高速缓存 随着芯片集成度的提高，Pentium主板上的二级Cache从最初的256K异步缓存发展到256K同步缓存（可扩至512K），后来又发展到512K在板的同步缓存。在TX主板上，512K同步缓存已经成为标准配置。 12.CPU插座 这是标准的Socket7型插座，这种插座一般都可以支持Intel P54C系列、P55C系列（带有MMX技术的Pentium）；AMD的K5和K6系列；CyrixIBM的6X86(M1)系列和6X86MX系列。 仔细观察CPU插座上的针孔，可以发现左下角最外层缺了一个孔。这是CPU的定位标记。CPU背面的某个角上常有一个白点或缺一小块，这是表示集成电路1号脚位置，只要将它和插座的定位标记对准，然后插进去就可以了。一般插错了方向是插不进去的。 13.EIDE接口 几乎所有的Pentium主板都提供两个EIDE接口，总共可以接四个EIDE设备，如硬盘、光驱等。若只有一个硬盘和一个光驱，推荐将硬盘接在IDE1口上，光驱接在IDE2口上，光驱和硬盘均跳为Master。这样接不但可以提高系统的效率，而且可以解决老版本的Windows 95播放VCD的问题。EIDE接口和软驱接口的区别是：EIDE口（40Pin）总是有两个同样大的插座并排在一起，且比软驱接口长一些。在各种接口的旁边通常都有图表示何处是1号针。 14.软驱接口 软驱接口是34Pin的，目前几乎所有的机器都只配一个3英?1.44M的软驱。希望以后能将3英?软驱淘汰掉，改用Zip或LS120新型大容量软驱。 15.芯片组 芯片组是主板上最重要的部分，一共有两片，大小略有差别。它的作用通俗地讲，就是负责指挥、调度主板上各元件协同工作，也有将它比作神经中枢的。由此习惯上才会把采用某某芯片组的主板直呼作某某主板（如采用Intel 82430TX芯片组的奔腾主板称作TX主板，采用Intel 82440FX芯片组的主板叫做FX主板等等）。 上图采用了Intel的82430TX芯片组。TX芯片组对SDRAM的支持更好，更好地支持带MMX技术的CPU芯片（以前的HX和VX主板能支持MMX，但没有针对MMX进行优化），支持硬盘的Ultra DMA33模式，大大提高了硬盘的数据传输速度。Qunatum的Fireball四代支持Ultra DMA33。TX芯片组的两块芯片分别是FW82439TX和FW82371AB。 从奔腾时代开始，Intel 的芯片组经历了82430FX、82430HX、82430VX、82440FX、82440LX 、82440BX几代，其外频由66MHz到100MHz。 16.电池 电池是用来保持COMS数据和时钟的运转而设的。“掉电”就是指电池没电了，不能保持COMS中存储的数据，关机后时钟也不走了，再开机要重新设置COMS中的数据，机器才能启动。Pentium主板上有用锂电池的（如图示主板），也有用全密封电池的（如联讯8661主板，电池、时钟等做在一起，像块大的集成电路一样，可以从主板上拔起来）。电池附近常常有一个跳线，如果你的机器加了密码，自己忘记了，且不知道通用密码或没有通用密码，就可以用这个跳线放电，然后就可以去掉密码了当然，你的很多设置也要重新来过。 17.Flash ROM BIOS 开机时按Del后进入的程序就是BIOS程序。Flash ROM BIOS的好处是升级比较方便，只要有了合适的升级文件（可以从主板厂商的主页下载），熟练的用户可以自己升级。一般Flash ROM BIOS有5V和12V两种写入电压，升级时要注意选对合适的写电压。主板上一般有跳线选择，但很多主板上这个跳线是死的，厂家已经给你正确选择了。 18.AGP插槽 新近出品的高性能ATX主板还带有一个短短的褐色插槽，这便是AGP槽，供插上AGP显示卡。 目前AGP显示卡遵循的是66MHz AGP V1.0设计规范，峰值传输率为266MBs（1模式），最高可达532MBs（2模式），大大提高了3D游戏、立体贴图和多媒体应用程序的使用效果。AGP显示卡的安装使用与普通显示卡并无二致，只须把AGP显示卡直接插在AGP插槽上就行了。 不过在图形处理加快的同时，也带来了一些负面影响，那就是发热要厉害多了，以致于某些AGP显示卡需要加装专门的散热风扇。 19.红外线接头 几乎每一款ATX主板上，都有一个标有IrDA Port的接头，称之为红外线接头，其作用是可扩充使用红外线控制的设备，如打印机、键盘、鼠标等等，可去掉讨厌的数据线，方便设备的使用和共享。可惜，真正用到此功能的用户少之又少，基本上也是主板上的一个高级摆设。 Pentium (多能高 能奔腾)主板的结构 目前 Pentium 级的主板多数都是使用的ATX架构的主板，其结构工作原理与上述的奔腾级ATX主板基本相同，也由相同几部分构成。 1.CPU插槽 为了适应Pentium 芯片的需要，在Pentium 的主板上都设置有Slot1 CPU SEC插槽，并配有专用的Pentium 芯片支架。不管是ATX架构或AT架构的Pentium 主板都必 须设置Slot1 CPU SE插槽才能安装Pentium 芯片。 2.芯片组 目前在Pentium 的主板上都使用Intel82440LX或Intel82440BX档次的芯片组。支持A GP（Accelerated Graphics Port）总线接口，可以使用AGP总线的3D图形视频加速显示卡。支持168线的DIMM EDORAM和SDRAM内存。提供2组EIDE接口，除了支持PIO Mode 3，PIO Mode 4和DMA Mode 2接口规范外，还支持Ultra DMA33接口规范。可以使用具有红外线传输功能的部件，提供多种系统监控功能和电源管理功能等。 3.AGP插槽 目前在Pentium 级的主板上，不论是AT主板，还是ATX主板，都设置有AGP插槽，以充分发挥Pentium 芯片3D处理的性能。 4.PCI和ISA插槽 5.168线内存插槽 在AT架构和ATX架构的Pentium 级的主板上，几乎都只配有168线的DIMM槽，只有极少数AT架构的Pentium 主板上配有72线的DIMM槽(如微星的MS6118 AT架构的主板上， 设置有三个168线的DIMM槽和二个72线的DIMM槽)。 6.EIDE 与上面的奔腾级主板一样，在所有的Pentium 主板都提供两个EIDE接口，总共可以接四个EIDE设备，如硬盘、光驱等。 7.软驱接口 软驱接口是34Pin的，目前几乎所有的机器都只配一个3英寸1.44M的软驱。一些新的Pen tium主板都支持软驱的新标准Zip或LS120大容量软驱（如华硕的SP98AGPX主板）。8.通信接口 只要是ATX架构的Pentium 主板，在主板上都设置有一个并行接口LPT1和两个串行通信接口COM1和COM22。另外，有一个PS2键盘接口和一个PS2鼠标接口。有的主板上还设置有音频接口和游戏接口，如华硕的SP98AGPX主板等。 9.Flash BIOS 10.ATX电源接口 与前述的ATX电源接口一样，使用ATX电源后可以实现软件关机、网络唤醒开机等功能。引导过程 我们几乎每天都要打开电源启动机器，面对屏幕上出现的一幅幅启动画面，我们一点儿也不会感到陌生，但是，计算机在显示这些启动画面时都做了些什么工作呢？ 打开计算机机电源后到计算机准备接受你发出的命令之间计算机所运行的过程称为引导（Boot）过程。我们知道，当关闭电源后，RAM的数据将丢失，因此，计算机不是用RA来保持计算机的基本工作指令，而是使用另外的方法将操作系统文件加载到RAM中，再由操作系统接管对机器的控制。这是引导过程中的一个主要部分。总的说来，引导过程有下面几个步骤： 加电打开电源开关，给主板和内部风扇供电。 启动引导程序CPU开始执行存储在ROM BIOS中的指令。 开机自检计算机对系统的主要部件进行诊断测试。 加载操作系统计算机将操作系统文件从磁盘读到RAM中。 检查配置文件，定制操作系统的运行环境读取配置文件，根据用户的设置对操作系统进行定制。 准备读取命令和数据计算机等待用户输入命令和数据。 (一) 加电 引导过程的第一步就是通电。电扇开始运转，电源指示灯应该变亮，否则说明系统电源供应有问题，或是主板等部件和机箱发生短路。 (二) 启动引导程序 CPU是从内存地址FFFF0H处开始执行指令的，从前面的介绍可知，这个地址实际上在系统BIOS的地址范围内，无论是哪家公司的 BIOS，放在这里的只是一条跳转指令，跳到系统BIOS中真正的启动代码处。 (三) 开机自检 系统BIOS的启动代码首先要做的事情就是进行POST（PowerOn Self Test，加电后自检），POST的主要任务是检测系统中一些关键设备是否存在和能否正常工作，例如内存和显卡等设备。由于POST是最早进行的检测过程，此时显卡还没有初始化，如果系统BIOS在进行POST的过程中发现了一些致命错误，例如没有找到内存或者内存有问题（此时只会检查640K常规内存），那么系统BIOS就会直接控制喇叭发声来报告错误。正常情况下，POST过程进行得非常快。 POST结束之后，系统BIOS将查找显卡的BIOS并调用它的初始化代码，由显卡BIOS来初始化显卡，此时多数显卡都会在屏幕上显示出一些初始化信息，介绍生产厂商、图形芯片类型等内容。系统BIOS接着会查找其他设备的BIOS程序，找到之后同样要调用这些BIOS内部的初始化代码来初始化相关的设备。 查找完所有其他设备的BIOS之后，系统BIOS将显示出它自己的启动画面，其中包括系统BIOS的类型、序列号和版本号等内容。然后检测和显示CPU的类型和工作频率，然后开始测试所有的RAM，并同时在屏幕上显示内存测试的进度。 内存测试通过之后，系统BIOS将开始检测系统中安装的一些标准硬件设备，包括硬盘、CDROM、串口、并口、软驱等设备，另外绝大多数较新版本的系统BIOS在这一过程中还要自动检测和设置内存的定时参数、硬盘参数和访问模式等。 标准设备检测完毕后，系统BIOS内部支持即插即用的代码将开始检测和配置系统中安装的即插即用设备，每找到一个设备之后，系统BIOS都会在屏幕上显示出设备的名称和型号等信息，同时为该设备分配中断、DMA通道和I/O端口等资源。 经过上面几步，所有硬件都已经检测配置完毕，多数系统BIOS会重新清屏并在屏幕上方显示出一个表格，其中概略地列出了系统中安装的各种标准硬件设备，以及它们使用的资源和一些相关工作参数。 接下来系统BIOS将根据CMOS配置更新ESCD（Extended System Configuration Data，扩展系统配置数据），ESCD是系统BIOS用来与操作系统交换硬件配置信息的一种手段。通常ESCD数据只在系统硬件配置发生改变后才会更新，所以不是每次启动机器时我们都能够看到“Update ESCD Success”这样的信息。 (四) 加载操作系统 在POST成功之后，系统BIOS的启动代码将进行它的最后一项工作，即根据用户指定的启动顺序从软盘、硬盘或光驱启动，定位并加载操作系统文件。首先计算机查找两个操作系统文件：Io.sys和Msdos.s