第03章主板与总线new.docx
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第3章主板与总线
3.1概述
PC机系统最重要的部件是主板（Mainboard），或称为母板（Motherboard），有的公司把主板也称作系统底板（Systemboard）。
它的重要之处在于：
计算机中几乎所有的部件、设备都在它的基础上运行，一旦主板发生故障，整个系统都不可能正常工作。
一块主板主要由以下部分组成：
·电子元器件。
包括芯片组、BIOS芯片、I/O芯片、时钟芯片、串口芯片、门电路芯片、监控芯片、电源控制芯片、三极管、场效应管、二极管、电阻、电容等。
·接口。
包括CPU接口、USB接口、IDE接口、SATA接口、FDD软驱接口、LPT并行接口、COM串行接口、PS/2键盘鼠标接口等，还包括集成声卡、网卡和显卡接口等。
·电路。
包括供电电路、时钟电路、复位电路、开机电路、BIOS电路、接口电路等。
·总线。
包括处理器总线、内存总线、I/O总线、连接器总线、特殊总线等。
主板在加电并收到电源的Power_Good信号后，由时钟电路产生系统复位信号，CPU在复位信号的作用下开始执行BIOS中的POST程序。
POST一旦顺利通过，就开始操作系统的引导及接受用户的任务直至关机。
在计算机的整个运行期间，主板的工作就是在芯片组、时钟、BIOS的统一配合下，完成CPU与内存、内存与外设，外设与外设间的数据传送。
也可以说，主板的作用就是同步、传递数据。
在本章中，将讨论当前主板中的外形规格、芯片组及总线等。
3.2主板外形规格
PC机主板有一些通用的外形规格。
这些外形规格包括主板硬件尺寸大小，它决定了主板适用于哪种类型的机箱。
有些是标准的（意味着所有具有该外形规格的主板是可互换的），而有些则并不够标准，从而不允许互换。
比较通用的PC主板外形规格如下所示：
过时的外形规格
现代的外形规格
XT
ATX
Baby-AT
Micro-ATX
Full-sizeAT
Flex-ATX
LPX
NLX
BTX
Micro-BTX
Pico-BTX
这些年来，随着主板不断发展，从最初的用于IBMXT机的XT主板演化到现今的ATX、BTX主板。
表3-1显示了现代工业标准的外形规格及其推荐用途。
表3-1工业标准的主板外形规格
外形规格
用途
ATX
标准卧式、中型立式及完全立式系统，当今最通用的外形规格，设计也最为灵活；可用低端服务器/工作站；ATX主板最多支持7个扩展插槽
Mini-ATX
比ATX稍小一点的版本，用途与ATX相同；许多自称是ATX的主板实际上都是Mini-ATX主板；Mini-ATX主板最多支持6个扩展插槽
Micro-ATX
中型卧式系统或小型立式系统
Flex-ATX
低端小型卧式或立式系统，用于娱乐和各种应用系统
NLX
卧式或小型立式系统；服务最容易且最快
BTX
高端台式系统
Micro-BTX
主流台式系统
Pico-BTX
迷你准系统
在上表中，我们没有把早期的XT、Baby-AT、Full-sizeAT及LPX的外形规格列入，是因为它们并不是一个严格意义上的外形标准。
它们现在均已被更新、更通用的外形规格所取代，如ATX、BTX等。
新的外形规格实现了真正的标准化，增强了每种类型内部的可交换性。
这意味着ATX主板可以同其他ATX主板互换，BTX可以与其他BTX主板互换，诸如此类。
下面的将介绍几种目前主要的PC机主板外形规格。
3.2.1标准AT
标准（Full-size）AT主板是符合原装IBMAT设计的主板。
长约345mm，宽约300mm。
标准AT主板是从XT主板出发，沿两个方向扩展（见图3-1）而产生的一种新的主板规格，通常这种规格也叫IBM-AT。
这是因为这种规格的主板不光是由IBM设计，而且是首先用在IBM-AT机上。
随后的各兼容机都采纳了这种规格的主板形状。
图3-1IBMAT主板
标准AT主板规范发布一段时间后，IBM稍微减小了一点标准AT主板的尺寸，众多兼容机厂商将此版本的主板拷贝生产，这就是著名的小AT主板（Baby-AT）。
目前这两种规格的主板形状已不再使用，在这里介绍，只是使大家了解最初主板的一些情况。
图3-2展示了一款典型的Baby-AT主板
图3-2典型的Baby-AT主板
3.2.2ATX
ATX（ATExtended）的中文意思是AT扩展，它外形规格集中了Baby-AT及LPX规格设计中的优点而形成的，同时它还添加了许多新的增强特性。
ATX主板外形规格实质上相当于把Baby-AT主板的机架竖立起来，并将CPU插座的位置、电源的连接形式，及各连接器的位置进行了相应的改变。
这就使遵循ATX外形规格的主板同以前的Baby-AT及LPX设计均不兼容。
因此，为匹配ATX主板，需要不同的机箱和电源。
这些新的机箱及电源是目前应用最为普遍的。
官方ATX规范由Intel于1995年7月发布，且是开放的工业规范。
直至1996年中期，ATX主板才迅速占领市场并在新系统中取代了Baby-AT。
从最初的1.0版本,先后经过了1.1、2.0、2.01、2.02、2.03等版本。
Intel在这些版本中公布了详细的规范，这样其他生产商可以在其系统中使用ATX。
ATX相对于Baby-AT及LPX主板，改进的主要方面有：
·内置双高度外部I/O连接器面板。
主板的后部包括一个堆栈式I/O连接器区域，有156mm宽，44mm高。
这使得外部连接器可以直接定位在主板上且消除了Baby-AT设计中对从内部连接器到机箱背部的缆线的需要。
·单独键控（Singlekeyed）内部电源连接器。
这一更改，免除了Baby-AT系统在更换主板或电源时，进行电源连接时会烧毁主板的隐患。
因为，ATX规格中只需要一个电源到主板的电源连接插头，而在Baby-AT中，有两个电源插头/座。
ATX规范这一单独键控以及罩起来的电源连接器，可以很容易地将它插入且不会发生错误安装。
这个电源连接器还可以为主板提供3.3V电压，从而使ATX主板无需使用易失效的内置稳压器。
ATX规范还另外定义了两个可选的键控电源连接器，分别称为Auxiliary电源连接器（3.3V和5V）以及ATX12V连接器，这是为适应那些需要多个电源的系统而设计的。
·重新布置的CPU及内存。
CPU与内存模块被重新布置，这样它们就不会与任何总线扩展插卡冲突，且可以容易地被升级而无须移去任何已安装的扩展卡。
CPU与内存被重置于电源的旁边，是系统中主要散热风扇――电源风扇的位置。
，可以最大限度的带走CPU产生的热量。
并且由于这个区域比较宽敞，给CPU被动散热提供了足够的空间。
需要指出的是，多数系统的CPU仍然需要使用带有集成风扇的散热器。
Intel和AMD零售处理器时捆绑着高质量的风扇。
这种处理器被称为“盒装”处理器，因为它们在出售时使用盒作为数量的单位。
而出售给计算机生产厂家的处理器是没有原装风扇的。
因为零售用户可能不具备有关温度分析、温度测量和检测等专业知识，通过在处理器中加入一个高性能风扇，Intel和AMD就对盒装处理器提供了散热保障。
专业的计算机生产厂家有能力选择适当的散热器，因而会在保证体系可靠性的同时降低成本。
在使用非盒装处理器时，这种保障由系统销售方提供而非直接由处理器生产商提供。
·重新布置的内部I/O连接器。
软盘及硬盘驱动器的内部I/O连接器被重新布置于驱动器支架旁边且从主板扩展槽及驱动器支架区下部伸出来。
这使得到达驱动器的电缆变得更短，且到达连接器无须移动插卡或驱动器。
·改良的冷却设计。
CPU及内存放置在可以由电源风扇直接冷却的位置，降低了对机箱或CPU风扇的需要。
多数高速系统的CPU和主板仍然需要另外的风扇进行冷却。
注意，ATX规范最初规定，ATX电源风扇是吹入机箱内部而不是向外吹风。
这个反向气流或正压力设计，对机箱加压，并使灰尘及污物变少。
最近，ATX规范修改为允许更为普通的、标准的气流，即通过使风扇向外吹使得机箱为负压力。
由于规范在技术上允许这两种气流方向，且因为反向气流中制冷的总体效率有一定丢失，多数电源生产商提供带标准气流风扇（即向外吹风的风扇）的电源，被称为负压力设计。
·制造成本的降低。
图3-3显示了新的ATX系统的布局特点。
扩展槽同主板的较短的边平行，且不会同CPU、内存、I/O连接器插座冲突（参见图3-3）。
除了标准ATX规格，Intel还指定了一种Mini-ATX设计，它是一个规格上完全兼容的子系列且可以匹配相同的机箱。
图3-3ATX规格结构主板与机箱
·标准ATX主板尺寸为305mm×244mm。
·Mini-ATX主板尺寸为284mm×208mm。
实际完全采用Mini-ATX尺寸的主板并不多，大多数的只是将标准ATX主板的深度减短，并没有对宽度进行改变。
图3-4展示了一款典型的ATX主板。
图3-5展示了典型的ATX主板外部I/O连接器面板的情况。
图3-4典型的ATX主板
图3-5典型的ATX主板外部I/O连接器面板
目前，ATX主板各部件的布局基本固定，但外部I/O连接器的配置有许多变化，我们会看到某些系统不再具有两个串行接口，甚至PS/2鼠标和键盘接口，取也而代之的是IEEE-1394接口、网络接口、DVI显示接口、SP/DIF接口以及eSATA接口等等。
图3-6就展示了这样一款配置相对独特的ATX主板外部I/O连接器面板。
图3-6配置独特的ATX主板外部I/O连接器面板
3.2.3Micro-ATX
Micro-ATX主板外形规格由Intel在1997年12月推出，它是ATX用于较小的廉价系统的改进产品。
同标准ATX相比，其较小的尺寸使得系统可以使用较小的机箱、主板与电源，从而降低了系统的整体费用。
Micro-ATX外形规格也向后同ATX外形规格兼容且可以用于标准ATX机箱中。
当然，Micro-ATX的机箱并不与标准ATX主板兼容。
它的一点不足是，较小的尺寸会限制以后的系统升级。
Micro-ATX同标准ATX或Mini-ATX的区别如下：
·主板宽度尺寸为244mm，小于标准ATX主板的305mm和Mini-ATX主板的284mm。
·较少的I/O总线扩展槽（最多4个，多数仅3个）。
·电源功率减少（符合SFX规范）。
Micro-ATX主板的最大尺寸只有244mm×244mm，而标准ATX主板为305mm×244mm，Mini-ATX尺寸为284mm×208mm。
图3-7展示了一款典型的Micro-ATX主板
图3-7典型的micro-ATX主板
Micro-ATX系统使用一种新的、更小外形规格的SFX电源。
SFX电源尺寸很小，使在机箱位置的选择上更灵活并使系统可以更小，从而降低总体耗电。
尽管可以使用这种较小的SFX电源，但对于更快、配置更完整的系统来说，它缺少足够的电源输出。
现在，多数系统都需要大量电源，并且SFX电源与标准ATX电源连接器是一致的，因此，Micro-ATX也支持标准的ATX电源。
3.2.4Flex-ATX
1993年3月，Intel继Micro-ATX规范之后又公布了Flex-ATX。
这为主板增加了一个新的、更小的ATX外形规格变种。
Flex-ATX的更小设计是为了允许新PC设计中的变化，尤其是极廉价的、小型的、面向消费者的应用类型系统。
Flex-ATX定义的主板尺寸仅为229mm×191mm，是ATX主板族系中最小的。
除了较小的尺寸之外，Flex-ATX外形规格同Micro-ATX外形规格相比另一个重要区别是Flex-ATX只支持插座式处理器。
这意味着Flex-ATX主板不支持Slot1、Slot2或SlotA之类的处理器插槽。
由于Intel和AMD在其最新的设计的处理器中都使用插座式接口，所以与插槽式处理器的兼容性损失不是太大。
除了尺寸较小以及要求插座处理器外，Flex-ATX的其余部分同标准ATX兼容，使用同一系列的螺丝孔设置及相同的I/O与电源连接器规范。
图3-8展示了一款MicroATX主板
图3-8Flex-ATX主板
大多数Flex-ATX系统使用SFX类型的电源（在Micro-ATX规范中有介绍），尽管如此，如果机箱空间允许，仍可使用标准的ATX电源。
注意，一些主板，特别是服务器系统中的主板，往往是非标准的ATX类型，通常称之为“扩展ATX”。
这种术语可以命名任何大于ATX标准尺寸的其他类型的主板。
需要指出的是，由于没有官方的“扩展ATX”标准，任何这样声称的主板在形状和大小上都可能很特殊，因而可能不适合用户现有的机箱。
增加了Flex-ATX后，ATX主板家族已包括4种尺寸规格，如表3-2所示。
表3-2ATX主板外形规格
外形规格
最大宽度
最大深度
ATX
305mm
244mm
Mini-ATX
284mm
208mm
Micro-ATX
244mm
244mm
Flex-ATX
229mm
191mm
注意这些尺寸是主板的最大尺寸。
只要符合相应规范中关于螺孔及连接器放置的要求，甚至可以设计更小的主板。
对于一般的家庭用户和小型商业用户来说较少的扩展槽不会引发问题，因为越来越多的部件，如音频与视频设备，倾向于集成到主板中，从而无须独立的插槽，同时更高的集成程度也降低了成本。
3.2.5NLX
NLX（NewLow-profileExtended）的中文意思是新型小尺寸扩展。
这种系统将强电、扩展槽等一些最容易损坏的部分单独设置在一块扩展竖板上，大大提高了主板的可靠性，降低了生产和维护成本。
同时由于扩展竖板和主板本身相对独立，为OEM厂商提供了更多的灵活性。
厂商可以用同一块主板搭配不同扩展竖板来满足不同配置的要求，或用同一扩展竖板搭配装载了不同档次芯片组的主板来配置出不同档次的主板，从而最大限度地减少了再设计和再生产的成本。
在布局方面，NLX系统也较ATX更为先进。
由于IDE、软驱、电源等接口以转移到了扩展竖板上，使其距离硬盘、软驱等设备更近，连接线缆更短。
这样不但可以减少了信号传输中所受的干扰和衰减，提高传输的速度和质量，更为简化机箱内部的混乱程度作出了贡献。
另外由于CPU和内存位置作出了进一步的调整，散热空间加大，使其散热效果更加出色。
空间利用率的提高，使得NLX主板特别适合应用在小型或迷你型机箱内，符合计算机小型化的发展方向。
NLX主板由于需要特殊的机箱配合，同时主板线路也要有较大的改动，机箱内部扩展空间也有一定限制，因而短期内还很难大面积推广，但这种NLX系统的优势还是比较非常明显的。
图3-9展示了NLX系统的布局。
图3-9NLX系统的布局
3.2.6BTX
BTX（BalancedTechnologyExtended）的中文意思是平衡技术扩展。
Intel于2003年9月发布了BTX详细规格，新规范仍然提供某种程度的向后兼容。
图3-10展示了BTX系统的布局。
图3-10BTX架构的布局
BTX具有如下特点：
·针对散热和气流的运动，对主板的线路布局进行了优化设计。
·支持Low-profile，也即窄板设计，系统结构更加紧凑。
·主板的安装更加简便，机械性能也经过最优化设计。
比较ATX和BTX主板，可以很快发现两者最大的区别在于处理器的位置。
BTX主板将处理器插座移到了机箱前部，这就使它能够从机箱外得到更为顺畅、凉爽的气流，其独立风道式设计也进一步提升了散热效率。
处理器后面是芯片组，在风道式结构中也同样可以得到良好的散热。
在ATX主板中，内存槽的位置是垂直摆放的，这样的布局会阻挡气流通过。
BTX主板将内存插槽转了90度，使气流可以顺着内存通过，对于工作频率越来越高的内存来说，此举也可以让内存得到更好的散热条件。
BTX主板的外部I/O连接器和扩展槽的位置与ATX相比刚好交换了位置。
图3-11展示了BTX和ATX
主板的比较
图3-11BTX和ATX主板的比较
BTX提供了很好的兼容性。
目前已经有数种BTX的派生版本推出，根据主板宽度的不同分为标准BTX（325mm）、Micro-BTX（264mm）及支持Low-profile的Pico-BTX（203mm），以及未来针对服务器的ExtendedBTX。
目前流行的总线和接口，如PCIExpress和SATA等，也将在BTX系统中得到很好的支持。
图3-12展示了三种BTX系统的应用。
图3-12三种BTX版本的应用
值得一提的是，BTX拥有可选的SRM（SupportandRetentionModule支持及保持模块），CPU散热器固定在机箱SRM模块，不但可有效防止主板变形，而且SRM模块还能大大降低外力对整体系统的冲击力。
另外，散热系统在BTX的术语中也被称为热模块。
一般来说，该模块包括散热器和气流通道。
目前已经开发的热模块有两种类型，即Full-size及Low-profile。
3.3芯片组体系结构
在讨论主板时不能不提到芯片组。
主板上的芯片组不仅控制计算机中各部件或设备如何工作，何时工作，还决定了一个计算机系统中可以使用什么样的部件、设备，如：
可以使用的CPU类型、内存的类型及各种接口、总线等。
可以这样说，如果处理器是计算机的大脑，那么，芯片组就是计算机的中枢神经系统。
任何有相同芯片组的主板，其功能是基本一致的。
当IBM生产出第一块PC机主板时，它使用几个分离的芯片以完成设计。
除处理器及可选的数学协处理器外，还要求有许多其他部件以完成整个系统。
这些部件包括时钟生成器、总线控制器、系统定时器、中断及DMA控制器、CMOSRAM/实时时钟、键盘控制器。
为完成整个主板线路，还要有大量其他简单逻辑芯片。
1986年，一个名为ChipsandTechnologies的公司引入了一种叫做82C206的革命性部件，它是第一个PC芯片组的主要部分。
这是一个集成了AT兼容系统中主板芯片的所有主要功能的单芯片。
它的功能包括时钟生成器、总线控制器、系统定时器、中断及DMA控制器，甚至还包括CMOSRAM/实时时钟芯片。
勿庸置疑，这是PC主板生产上的革命性概念。
不仅使得生产PC主板的费用降低许多，还使主板设计更容易。
较少的部件数目还意味着有更多的空间来集成其他最初在扩展卡上出现的器件。
早期的386微机中采用的芯片组是82C30系列。
82C30芯片组采用了六片结构，再加上一片外设控制芯片构成完整的386微机控制系统。
82C30芯片组单片芯片的集成度小，功能差，是C＆T公司的早期产品，但是它的某些基本功能至今仍然在使用。
除了82C30系列外，典型的386芯片组还有OPTI公司的W8386PC/AT芯片组。
486微机采用的芯片组在功能上与386芯片组没有大的变化，只是由于486处理器把协处理器（即FPU）集成到CPU内部，芯片组的局部性能有小的调整而已。
常见的486芯片组有：
FRX46C401、FRX46C402、HT321、HT342；M1489、M1487、82C406、82C496等。
486芯片组大多为两片结构，即由系统控制器和数据缓冲控制器组成。
严格说来，在这个时候，主板的发展还很不成规模，甚至可以说是原始，这样的局面在INTEL推出奔腾处理器的时候开始发生了变化。
我们要探讨也是从此时开始的芯片组相关技术的发展。
3.3.1南北桥（North/SouthBridge）体系结构
Intel的早期芯片组以及其他生产厂商的大多数芯片组采用的是多层体系，该体系被称为南北桥（North/SouthBridge）架构。
北桥芯片（NorthBridge）是主板芯片组中起主导作用的最重要的组成部分，也称为主桥（HostBridge）。
一般来说，芯片组的名称就是以北桥芯片的名称来命名的。
例如，Intel440BX芯片组的北桥芯片是440BX，VIAPT800芯片组的北桥芯片是PT800等等。
北桥芯片通常负责CPU、内存和显卡三者间的“交通协调”，决定了主板支持的CPU类型、前端总线频率、内存的类型和最大容量、显卡接口类型等，整合型芯片组的北桥芯片还集成了图形芯片。
北桥芯片通常距离CPU比较近，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。
北桥芯片的数据处理量非常大，发热量也越来越大，现在的北桥芯片都覆盖着散热片用来加强北桥芯片的散热，有些主板的北桥芯片还会配合风扇进行散热。
北桥芯片的一个重要功能是控制内存，而内存标准与处理器一样变化比较频繁，所以不同芯片组中的北桥芯片是肯定不同的，当然这并不是说所采用的内存技术就完全不一样，而是不同芯片组中的北桥芯片间肯定存在一些差别。
值得注意的是，K8核心的AMD64位处理器将内存控制器集成在了处理器内部，于是支持K8核心处理器的北桥芯片变得简化很多，甚至还能采用单芯片芯片组结构。
由于每一款芯片组产品就对应一款相应的北桥芯片，所以北桥芯片的种类非常多。
南桥芯片（SouthBridge）一般位于主板上离CPU插座（槽）较远的下方、PCI插槽的附近，这种布局是考虑到它所连接的I/O总线较多，离处理器远一点有利于布线。
相对于北桥芯片来说，其数据处理量并不算大，所以南桥芯片一般都没有覆盖散热片。
南桥芯片不与处理器直接相连，而是通过一定的方式（PCI总线、VIA的V-Link总线、NVIDIA的HT总线以及SiS的MuTIOL总线）与北桥芯片相连。
南桥芯片负责外部设备的数据处理与传输，如PCI总线、USB、LAN、ATA、SATA、音频控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等。
南桥芯片也决定了主板对这些设备的支持规格情况。
例如，是否支持USB2.0，是否支持SATA-300，是否支持HighDefinitionAudio等。
这些技术相对来说比较稳定，所以不同芯片组中的南桥芯片可能是一样的，不同的只是北桥芯片。
例如，Intel公司推出的430TX和440LX芯片组采用的南桥芯片都是82317AB，很多VIA的芯片组都使用同样的VT8237南桥芯片。
甚至有些主板上采用的南北桥芯片是不同生产厂商的产品。
南桥芯片的发展方向主要是集成更多的功能，例如网络、RAID、IEEE-1394、甚至WI-FI无线网络等等。
超级I/O芯片是一个独立的芯片，附加在ISA总线上，而且通常不被当做芯片组的组成部分，它经常由第三方如NationalSemiconductor或SMSc（StandardMicroSystemsCorp）提供。
超级I/O芯片将通常使用的外围设备的控制器都整合到一块芯片里。
例如，多数超级I/O芯片提供串行接口、并行接口、软驱以及键盘/鼠标接口。
还可以选择性地包含进CMOSRAM/实时时钟、IDE控制器、游戏接口等。
图3-13展示了使用南北桥体系的主板。
图3-13典型的南北桥体系主板
3.3.2HUB体系结构
Intel公司从8xx系列芯片组开始使用HUB体系结构。
在HUB体系结构中，北桥芯片被称做Graphics/MemoryControllerHub（GMCH/MCH），其中GMCH集成了图形芯片；南桥芯片被称做I/OControllerHub（ICH）。
它们经由Hub-Link总线，而不是如同标准南北桥设计中的通过PCI总线来连接，前者速度远高于后者；915/925系列芯片组之后采用速度更快的，基于PCIExpress技术的DMI（DirectMediaInterface）总线连接MCH（GMCH）和ICH；HUB体系结构中还包括FirmwareHub（FWH）部件。
与传统的南北桥结构相比，HUB结构具有以下几个优点：
·速度更快。
Hub-Link的速率为4×66MHz×1Byte=266MB/s，这是PCI输出（3
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