第5章(总线与芯片组)

第5章总线与芯片组 目录 5 1总线总线的概念 类型和性能PC机总线的发展和演变ISA总线 PCI总线 PCIExpress总线5 2芯片组芯片组的概念Intel公司早期芯片组Intel的8系列 9系列芯片组5 3主机板主机板的构成主机板标准 5 1总线 概念 总线的定义 总线就是各种信号线的集合 是计算机各部件之间传送数据 地址和控制信息的公共通路 总线的构成 通常根据传送信号的不同将它们分别称为地址总线 addressbus 数据总线 databus 和控制总线 Controlbus 三大总线 总线是数据总线 地址总线和控制总线的总称 总线的特性 高速 满足CPU的外部访问要求 标准 使得不同的设备可以和计算机主机系统连接 公共 全部外部设备共同使用 5 1总线 概念 总线的作用数据信号 是所传输信息 地址信号 说明信息的存储位置 无论是存储器 还是端口的寄存器 信息的存放都是有地址的 控制信号 说明当前的总线状态 控制信号主要包括 存储器读 写控制 端口读 写控制 中断申请 应答信号 DMA控制信号等 5 1总线 类型 总线的类型片内总线 是指在CPU内部的总线 用于连接CPU内部的各个功能部件 片内总线一般不对外开放 处理器总线 指CPU引脚总线 所以叫前端总线 FSB FrontSideBus 有时称为系统总线 现在的多总线计算机中系统总线一般不对外开放I O总线 和前端总线相比较是计算机外围的总线 速度低于前端总线 I O总线是对外开放的 在计算机主机板上形成扩展插槽外部总线 用于连接计算机外部设备 符合总线特征的连接通道 在现代微型计算机中最典型的就是通用串行总线 USB片间总线 芯片一级的总线 一般线数目很少 使用串行传输 速度不高 用于连接在一个系统中的多块芯片 常见的有I2C SPI 5 1总线 性能 总线位宽总线宽度指的是可以同时传送的数据位数 总线时钟频率总线的传送时钟频率 频率越高则总线工作速度越快 总线带宽带宽实质上指的是给定时间内可以发送的最大数据量 即我们常说的每秒钟传送多少MB的最大稳态数据传输率 总线带宽 总线的位宽 8 总线的工作时钟频率 字节 秒 5 1总线 标准的内容 为了充分发挥总线的作用 每个总线标准都必须有具体和明确的规范说明 通常包括如下几个方面的技术规范或特性 机械特性 规定模块插件的机械尺寸 总线插头 插座的规格及位置等 电气特性 规定总线信号的逻辑电平 噪声容限及负载能力等 功能特性 给出各总线信号的名称及功能定义 规程特性 对各总线信号的动作过程及时序关系进行说明 5 1总线 PC机总线的发展和演变 8086 286时代ISA IndustryStandardArchitecture 单总线结构 ISA的绝大多数信号直接来自CPU 是处理器总线的延伸 386 486时代ISA 新的32位总线 主要有MAC EIAS和VL Bus Pentium时代FSB PCI ISA多总线模式 在Pentium4期间 ISA总线逐步淘汰 为了满足显示适配器的高速需求 出现AGP显示专用接口 PentiumD EE时代FSB PCIExpress PCI的多总线模式 由于速度更快的PCIExpress的出现 成为PCI的更新换代的总线标准 PCI还将在很长一段时间内存在 PC机总线 5 1总线 ISA总线 16位ISA的基本指标如下 数据线宽16位 一次传输需要两个时钟周期 地址线宽24位 存储器寻址空间16MB 最高时钟频率8 33MHz 最大传输带宽8 33MB sec 中断功能 总线中有16个中断通道中的10条中断申请信号线 支持DMA 总线中有8个DMA通道的申请和应答信号 电源部分 包括 5 5 12 12V四组直流电源 总线扩展槽 98条引脚 5 1总线 ISA总线 根据ISA的信号线DataBit0 15 16位数据线 Address0 23 24位地址线 IRQx 中断申请线 MEMR MEMW 存储器读 写控制线 IOR IOW 端口读 写控制线 DRQx DMA申请信号线 DACKx DMA应答信号线 CLK 总线时钟 5Vdc 5Vdc 12Vdc 12Vdc 电源线 5 1总线 PCI总线 Pentium时期的标准的I O总线 PCI的初级版本为32位为宽 总线时钟33MHz 带宽为133MB s PCI的版本类型 5 1总线 PCI总线 PCI时钟独立于CPU外频 使得CPU时钟有较大的提高的空间 也使得PCI有较长的生命周期 PCI总线采用了数据 地址线多路复用技术 分时传送数据和地址 减少引脚数目 具备总线仲裁机制 使得多个主控设备可以共存 CPU不再是总线的主宰 而是一个主控设备 每一个主控设备都可以通过总线仲裁机制取得总线的使用权 支持线性突发传送 在连续寻址的情况下可以一次寻址 多次数据传送 支持 即插即用 Plug Play PCI总线具有自动识别和自动配置外设的能力 当外设或外设接口卡在连接进入系统时 能自动为其分配系统资源 如端口地址 中断号 DMA通道号配置等 5 1总线 PCI总线 PCI总线扩展槽PCI扩展槽有32位和64位两种位宽 64位扩展槽兼容32位扩展槽 同时PCI总线又有5V和3V两种不同电压插槽类型 32位扩展槽的引脚号为A1 A62 B1 B6264位扩展槽的引脚号为A1 A94 B1 B94 5 1总线 PCIExpress总线 PCI E1 0规范 PCI E1X 1 0标准 采用单向2 5G的波特率进行传输 由于每一字节为10位 1位起始位 8位数据位 1位结束位 所以传输速率为2 5G 10 250MB S 250兆字节每秒 由此可以计算出来PCI E16X的单向传输速率为250MB S 16 4GB S 双向传输速率为8GB S PCI E2 0规范 PCI E1X 2 0标准 采用单向5G的波特率进行传输 单向传输速率为5G 10 500MB S 500兆字节每秒 由此可以计算出来PCI E16X 2 0标准 的单向传输速率为500MB S 16 8GB S 双向传输速率为16GB S PCI E32X 2 0标准 的传输速率为32GB S PCI E3 0规范 PCI E1X 3 0标准 采用单向10G的波特率进行传输 单向传输速率为1GB S 1G字节每秒 由此可以计算出来PCI E16X 3 0标准 的单向传输速率为1GB S 16 16GB S 双向传输速率为32GB S PCI E32X 3 0标准 的双向传输速率高达64GB S 该规范于2010年正式发布 5 1总线 PCIExpress总线 新技术 高性能 PCIExpress总线采用串行点对点方式的物理连接 采用时钟植入技术 很少的引脚 很高的性能 配置灵活 可以根据所连接的硬件设备的不同 使用不同的频率同其联系通讯 连接灵活 PCIExpress总线可以 走出机箱 PCIExpress可以如同现在的USB一样作为计算机接口同设备进行连接 多协议 PCIExpress可以使用多种不同的信号协议包括它本身的协议 热拔插 它还具有高级电源管理和监视功能 这样所有的PCIExpress设备都会支持热插拔 纠错 在PCIExpress中诸如内存纠错等功能成为标准功能 PCIExpress的基本串行连接 一个单独的基本的PCI E串行连接就是两个独立的差分信号实现的连接 一个接受对和一个发送对 并行传输和串行传输 并行传输提升时钟频率将难以让数据传送的时序与时钟合拍提升时钟频率还容易引起信号线间的相互干扰 导致传输错误 增加位宽会导致电路板布线数目随之增加 成本攀升 并行传输和串行传输 串行传输虽然每次传输位数小 但频率可以很高 抗干扰能力强 总带宽高 5 1总线 PCIExpress总线 PCIExpress连接结构可以由一个或多个基本串行连接构成 构成x1 x2 x4 x8 x12 x16和x32几种不同形式 一个x1的连接具有4个差分信号线对 一个x16连接在每个方向上具有16个差分信号对 最多的连接是x32的连接 x32PCI Express可以每个方向上进行10GB sec的传输速率 2 5Gb sec 32 8bit 扣除20 的植入时钟信号 实际上的带宽为8GB s 5 1总线 PCIExpress总线 当前的计算机总线结构 PCI ExpressX16 PCI ExpressX1 PCI 目前的PC中大多是一个 少数高档次主机板2个 PCI Ex16 2个PCI Ex1 目前PCI Ex16主要用于显示卡 PCIExpress总线 基于PCI总线的系统和基于PCI E总线的系统结构对比 5 2芯片组 概念 构成现代PC机主机板的三大半导体部件 CPU 存储器 芯片组 5 2芯片组 Intel早期芯片组 Intel440芯片组 1996 1998 南北桥结构 北桥芯片连接CPU 存储器和AGP显示接口 南桥提连接IDE USB 并生成ISA总线 其他接口通过ISA总线扩展 北桥和南桥通过PCI总线连接 南北桥结构芯片组 5 2芯片组 Intel早期芯片组 Intel8系列芯片 2000 Hub结构原北桥芯片改称MCH MemoryControlHub 南桥芯片改称ICH I OControlHub 连接MCH和ICH的通道改为专用的高速通道 PCI总线由ICH扩展出来 取消ISA 5 2芯片组 Intel早期芯片组 5 2芯片组 Pentium4的8系列芯片组 5 2芯片组 IntelPentium4的8系列芯片组 FSB Pentium4采用NetBurst体系结构 400MHz以上前端总线 是CPU外频的4倍 CPU接口为64位 CPU的连接带宽为64 8 400 3 2GB sec双通道DDRSDRAM 开始支持DDRSDRAM 其中865 875支持双通道 单通道DDR266的最大带宽为2 1GB sec 双通道DDR266的最大带宽为4 2GB sec HT 848 865 875开始支持超线程 USB2 0 完成USB1 1到USB2 0的过渡 848 865 875开始支持USB2 0 SATA 865 875开始支持SATA SATA初始版本速率为150MB sec 将逐步取代ATA IDE 接口 AGP8X AGP接口从AGP4X到AGP8X 848 865 875开始支持AGP8X AGP8X的传输带宽为2 133GB sec 基本AGP带宽为266MB sec 是初始PCI版本的2倍 5 2芯片组 Intel865PE芯片组 AC 97规范 把声卡中成本最高的DSP 数字信号处理器 给去掉了 而通过特别编写驱动程序让CPU来负责信号处理 CSA 通信流架构 千兆以太网 GbE Hub结构 IHA连接MCH和ICH RAID支持 容错磁盘阵列 Intel865PE芯片组构成的系统 5 2芯片组 Intel9系列芯片组 Intel9系列芯片组 用于Pentium4F系列及其之后的LGA775封装的CPU 最主要的特征 DDRII 开始全面支持DDRII 其中部分芯片型号保留对DDR的支持 PCIExpress 开始支持PCI E HDAudio 基本指标是24bit 96KHz或24bit 192KHz 8声道 指标高于目前最高音质水平的DVD Audio纯音乐光盘 6声道 每声道24bit 96KHz AC 97的基本指标是16bit 48KHz的信号质量 6声道 与CD相当 5 2芯片组 Intel9系列芯片组 Intel915 925系列芯片组的MCH 5 2芯片组 Intel9系列芯片组 与915 925配合使用的ICH6 4种型号用于不同档次的主机板 Wi Fi WirelessFidelity 无线高保真 是一种无线通信协议 属于短距离无线通信技术 Wi Fi速率最高可达11Mb sec 可达100米左右 5 2芯片组 Intel9系列芯片组 Intel925X和ICH6R构成的Pentium4EE系统 DMI DirectMediaInterface 基于PCI E技术的MCH ICH连接通道 带宽双向2GB s 采用双通道DDR2 533 带宽可以达到8 5GB sce MatrixRAID Intel独创的RAID模式 相当于RAID0和RAID1的结合体 5 2芯片组 Intel9系列芯片组 5 2芯片组 Intel9系列芯片组 Intel945 955系列芯片组 支持Intel的双核心处理器 其中945只能支持PentiumD系列双核 不能支持PentiumExtremeEdition系列 955芯片组则没有这方面的限制 5 2芯片组 Intel6系列芯片组 Intel6系列芯片组与最新的sandybridge处理器配合 5 2芯片组 Intel6系列芯片组 5 2芯片组 Intel6系列芯片组 37 H67是整合芯片组 可以使用CPU内部的集成显卡 5 2芯片组 AMD7系列芯片组 Puma平台的芯片组由RS780M北桥与SB700南桥组成 5 2芯片组 AMD8系列芯片组 8系列芯片组支持AM3接口系列处理器SATA6Gbps的支持以及RAID5多卡Crossfire 5 2芯片组 AMD9系列芯片组 使用AMDFX 处理器支持多达4个采用了AMDCrossFireX 技术的AMDRadeon HD显卡PCIExpress 2 0技术可实现2x16或4x8配置 并支持2 3或4显卡 利用SATA6Gb s等先进技术来加速连接 5 2芯片组 NVIDIA系列芯片组 5 2芯片组 NVIDIA系列芯片组 5 3主机板 构成 由PCB板构成的电路模块 集成了以下部件 芯片组 CPU插座 存储器条插座 电源插座 电源调整变换电路 总线扩展插槽 各种外部接口 串行接口 并行接口 USB接口 键盘接口 鼠标器接口 其他接口可能包括音频接口 局域网接口 显示器接口 电话线接口等 各种内部接口 包括ATA S ATA接口 软盘驱动器接口 AGP接口等 BIOS芯片和CMOS RTC 芯片 其他集成电路芯片 5 3主机板 构成 精英945P主机板 LGA775CPU插座 DDR2双通道存储器插座 MCH ICH PCI总线插槽 PCI Ex16总线插槽 PCI Ex1总线插槽 主电源插座 ATA插座 S ATA插座 软驱插座 CPU电源插座 5 3主机板 构成 标准ATX主机板的后面板插座 5 3主机板 构成 5 3主机板 构成 USB2 0与e SATA结合的USBPLUS接口 5 3主机板 印刷电路板 常见主板的印刷电路板 PrintedCircuitBoard PCB 有几层树脂材料粘合在一起 内部采用铜箔走线为了减少电磁干扰 信号线尽量相隔较远 蛇形走线多个电源层 以提供足够的电力供应 5 3主机板 结构标准 AT和BabyAT结构 最初应用于IBMPC AT机上 AT主板大小为13 12英寸 BabyAT大小为13 5 8 5英寸 ATX结构 是目前使用最多的结构标准 ATX结构的底板尺寸是12 9 6英寸 MiniATX结构 小型的ATX结构