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PCI总线 PCIExpress总线5 2芯片组芯片组的概念Intel的新芯片组5 3主机板主机板的构成主机板标准主机板认识 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 CPU 存储器 5 1总线 概念 总线操作例CPU读存储器 CPU执行读存储器命令 过程 CPU送出控制信号 表示要读存储器 CPU送出地址信号 表示要读的存储器单元地址被选中的部件 存储器 将地址指定的单元数据送到总线 总线部件 控制信号地址信号数据信号 总线部件 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 计算机主机连接外部设备的总线 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 同时符合总线特征的连接通道 如USB 片间总线 芯片级的低速总线 用于连接在一个系统中的多块芯片 一般是串行总线 只用几条信号线 常见的有I2C SPI 5 1总线 性能 总线的性能指标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 总线带宽每秒钟传送的字节数 最大数据传输率 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单总线结构 8位 16位 386 486时代ISA 新的32位总线 主要有MAC EIAS和VL Bus 的双总线结构 Pentium初期和中期FSB PCI ISA多总线模式 在Pentium4期间 ISA总线逐步淘汰 PentiumD EE开始 FSB PCIExpress PCI的多总线模式 速度更快的PCIExpress的出现 成为PCI的更新换代的总线标准 Corei7QPI PCIExpress PCI的多总线模式 5 1总线 PCI总线 PCI PeripheralComponentInterconnect 是PC机在Pentium时期使用的标准的I O总线 用于连接外部设备 PCI是由PCI SIG PCISpecialInterestGroup 制定的 初始版本 1 0 于1992年公布 生产PCI设备需要向PCI SIG缴纳费用 PCI的初始版本基本性能 位宽32位 同时支持32位I O 总线时钟33 33MHz 峰值带宽为133MB s 32或64位地址寻址空间 256字节配置空间 5V信号标准 5 1总线 PCI总线 PCI的版本类型 PCI X是应用于服务器的总线标准 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 即32位的扩展卡可以插到64位扩展槽工作 5 1总线 PCIExpress总线 简称PCI E 或PCIe 是PCI总线的发展 与PCI的主要不同是物理连接不同 而通信模型及程序方法与传统的PCI一样 PCI Express概述 PCI E是基于双向的1位串行差分对的点对点物理传输机制 并且是可以以类似模块化的模式扩展 可以采用多个串行差分对并行工作以提高传输带宽 PCI Express性能PCI E的初始版本 1 0版 中每个串行差分对的位速率是2 5GT s 数据传输速率是对称的全双工5Gb s 500MB s 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 一个接收对和一个发送对 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 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 PCE Express版本 以2 0为例 5GT s 每秒5Gbit的二进制数据总传输率 但编码方式为8 10 每10个bit只有8个实际有效数据 即为有效数据传输率为4Gb s 3 0编码方式为128 130 5 1总线 PCIExpress总线 PCI Express技术特点串行差分传输 大幅度减少引脚 同时提高传输速度 时钟植入同步技术 省略同步时钟信号 将8位数据转化为10位 8b 10b编码同步 后自带同步信息 3 0版除外 可变的传输速率 可以根据所连接的硬件设备的不同 使用不同的频率与其通信 连接灵活 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 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 PCIExpress具备循环冗余校验能力 可以实现传输纠错 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 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 PCI E扩展槽引脚 以PCI E 4为例 PCI E 4扩展槽 5 1总线 PCIExpress总线 不同宽度PCI E的兼容性 较短的扩展卡可以直接工作在较宽的扩展槽上 较宽的扩展卡可以插到较短的开口 open ended 扩展槽上 开口 open ended PCI E 4扩展槽 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 芯片组 微型计算机中 CPU接口 存储器接口 总线逻辑 常用接口以及功能部件的集成 5 2芯片组 概念 非芯片组结构的计算机主机板 所用的集成电路大部分是标准的中 小规模集成电路芯片 8086时代IBMPC计算机主机板 CPU FPU浮点处理器 专用接口芯片 存储器芯片 目前计算机的构成和多项性能取决于芯片组限定可安装的CPU系列 封装 CPU主频和CPU总线速度 芯片组确定可以连接的存储器类型和速度 以及存储器通道数目 芯片组包含显示接口 AGP PCIExpressX16 部分包含GPU GraphicsProcessingUnit 用于构成集成显示适配器 芯片组包含I O总线 PCI PCIe等 确定I O总线指标 芯片组包含各种接口 USB ATA SATA 确定接口标准 版本和性能 芯片组可能包含对特定外部设备的支持 如千兆网络 无线网络 RAID 磁盘阵列 音频等 5 2芯片组 概念 芯片组的主要生产厂商主要厂商有Intel VIA SiS AMD NVIDIA broadcom等 IntelCPU的台式机中 Intel的芯片组采用最多 且Intel芯片组品种齐全 高 中 低端产品都有 AMDCPU的台式机中 以VIA NVIDA芯片组为主 NVIDA主要是nForce系列 少部分采用AMD自身的芯片组 笔记本中 多数为IntelCPU 所以Intel的笔记本芯片组也采用最多 服务器 工作站方面 IntelCPU平台占优势 Intel的服务器 工作站芯片组产品也占据优势 5 2芯片组 概念 5 2芯片组 南北桥结构 南北桥结构用于P6构架北桥芯片 用于连接CPU RAM等高速部件南桥芯片 用于连接低速部件特点 处理器总线 PCI ISA三总线结构 PCI连接南 北桥芯片 北桥芯片集成AGP接口 5 2芯片组 IntelP6构架IHA结构 P6构架IHA结构芯片组北桥 MCH 南桥 ICH MCH与ICH的连接通道为一个速率为266MB s的专用通道 PCI总线移至ICH IHA IntelHubArchitectureMCH MemoryControllerHubICH I OControllerHub 5 2芯片组 Netburst Core构架9xx系列 Netburst Core构架 9xx系列芯片组支持Netburst构架 LGA775封装Pentium4 D EE以及Core2 支持PCIExpress 连接通道DMI 实际上是PCI E 4 双向20Gb s 支持HDAudioDMI DirectMediaInterfaceDMI2 0 2011年引入 双向40Gb S 5 2芯片组 Nehalem构架QPI总线结构 Nehalem构架QPI总线结构支持QPI处理器总线的Corei7 RAM直接连接到CPU 支持3个RAM通道 CPU通道改为QPI 25 6GB s的高速通道 原MCH更名为IOH I OHub IOH I OHubQPI QuickPathInterconnect 5 2芯片组 Nehalem构架DMI总线结构 Nehalem构架DMI总线结构支持PCI E DMI DDR3接口的Nehalem处理器 LGA1156封装 双片结构简化为单片结构处理器通过DMI直接连接PCH芯片 PCH PlatformControllerHub Intel8系列芯片组 IntelZ87芯片组 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 9系列芯片组的特性支持AM3 和AM3插座的AMDFX 处理器HyperTransport3 0支持SLI和CrossFireXPCIExpress2 0支持SATA3 0最多14个USB2 0北桥芯片990FX 990X 970 980G南桥芯片SB950 SB920 5 2芯片组 AMD9系列芯片组 5 2芯片组 AMD9系列芯片组 支持多达4显卡CrossFireXPCIExpress 2 0技术可实现2x16或4x8配置 AMDFusionControlHub 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 内存条插槽 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 鼠标接口 音频接口 LAN接口 显示器接口 电话线接口等 各种内部接口 包括ATA SATA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 IntelDX58SO2主机板 LGA1366处理器座 6个3通道DDR3存储器插座 X58IOH芯片 ICH10R芯片 1个PCI总线插槽 3个PCI E2 0 16总线插槽 2个PCI E2 0 1总线插槽 6个SATA2 0插座 2个SATA3 0插座 主电源接口 处理器电源接口 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 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