主板的工作原理.docx

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主板的工作原理

第二章主板的工作原理

主板的工作原理概述

主板的硬启动过程

主板的硬启动过程如下：

①主板插入ATX电源插头，主板加载SVSB。

②按下主机上的电源开关（POWERBUTTON），通知南桥，然后南桥发出信号经过转换后产生PS_ON#信号。

③POWER（ATX电源）输出SV、、12V等各路供电。

④电源输出稳定后，发出POWERGOOD信号通知主板。

⑤主板上产生各芯片和设备需要的电压，如、等。

同时CPU也得到一个供电，拉低VRM芯片（CPU供电管理芯片）的VID信号。

⑥VRM芯片控制产生VCORE（CPU核心供电，部分资料也称为VCCP）给CPU。

⑦稳定的VCORE电压反馈给VRM控制芯片。

VRM产生PWRGD信号，部分资料也称为VRM_GD、VCORE_GD等，专指CPU供电电源就绪。

⑧同时VCORE经转换后，产生CLK-EN送给主板CLK（时钟芯片）电路，时钟电路开始工作，产生各设备所需的时钟。

⑨南桥收到VRM产生的PWEGD和CLK电路送达的时钟信号后产生PCIRST#。

⑩PCIRST#送达ACPI控制器或门电路，经转化后分别送出，送达北桥的PCIRST#（新款主板为PLTRST#），送达北桥后，北桥送出CPURST#。

CPU收到CPURST#后，发出一个地址信号，这个地址信号固定为FFFFFFFOH，指向BIOS的入口地址，通过CPU到北桥的前端总线到北桥，北桥将该地址信号，经过HUB-LINK（新款Intel芯片组叫做DMI总线，不同厂家、不同产品的叫法不同）送达南桥。

南桥收到地址信号后，将地址发送给BIOS，然后取得该地址存储的命令，并通过数据线将取得的BIOS命令送到北桥，再至CPU，CPU执行接收到的指令，执行运算和控制，发出一系列指令。

至此，硬件启动过程完成。

部分主板的设计会有所区别，在细节部分会有些不同，以上描述符合绝大部分主板硬件启动的框架。

主板的软启动过程

主板的软启动过程如下：

了解软启动过程，最重要的是了解POST过程。

了解此过程，有助于理解在维修中POST代码的应用。

硬件启动完成后，CPU开始执行一系列的从BIOS取得的命令，进入软启动流程。

软件启动过程分别由BIOS的POST程序、CMOS设置程序、系统自举过程控制。

（1）软件启动最开始的是POST程序。

①初始化各个芯片和各个端口。

②设置中断向量。

开机后，BIOS在内存的开始地址建立一个向量终端表，每个中断服务程序的入口地址都存于中断向量表中。

BIOS通过中断向量的设置和中断服务程序建立起硬件与软件之间的联系。

③检测系统配置、中断号的分配、DMA通道号的分配等。

④检测系统资源。

POST检测过程包括CPU、PCI-E设备、ROM、MB、CMOSRAM、SIO、PIO、AGP卡、键盘、HDD、CD/DVD等。

在POST过程中，出现致命故障将死机，不给出任何提示，非致命故障会有提示，如键盘未就绪、FDD错误、HDD错误等。

（2）上电自检完毕，计算机会给出一个CMOS设置界面。

CMOS设置程序是BIOS程序中的一个模块，包含了对硬件参数的一些设置，如CPU、内存的工作参数、启动顺序等。

这个设置的结果保存于南桥中的CMOSRAM中，所以，把这个设置称为CMOS设置，也称为BIOS设置，意思是一样的。

切记不要混淆的是，BIOS芯片是ROM，为只读存储器，保存后的结果不可能存在BIOS芯片中的，而是存在南桥中的CMOSRAM中。

RAM掉电即丢失存储的内容。

（3）若用户不需要对硬件参数做任何修改，BIOS则按照默认参数，跳过CMOS设置，执行系统自举程序。

BIOS将按照CMOS中存储的驱动器启动顺序，搜寻启动驱动器，从启动驱动器的磁盘中读入引导记录（MasterBootRecord），然后由引导记录将系统控制权交由操作系统（如Windows）。

至引导记录前一步，软启动过程就完成了。

整个软启动过程，也是系统初始化过程，都是由BIOS程序来控制的。

在此过程中BIOS每检测一个部件或者执行一个动作遇到错误，都有一个对应的错误代码（ERRORCODE）出现。

利用DEBUG卡，也就是所说的主板诊断卡可观测到这个错误代码。

我们可依照此代码进行主板故障诊断和处理。

主板架构图

在掌握了主板维修的基础知识后，有必要对市面上各类主板的结构作一个了解。

现在市面上销量比较大并且有代表性的主板，莫过于Intel的945系列、G3X系列、P3X系列芯片组主板，VIA的PT890、PT800，nVIDIA的nForce4、nMCPxx系列芯片组主板，分别为Intel、VIA、nVIDIA几个大的芯片组厂商的代表性产品。

接下来就分别讲解它们的架构图。

Intel945芯片组架构

Intel945芯片组架构如图2-1所示。

Intel945芯片组主板主要由以下几个部分组成。

图2-1Intel945芯片组架构图

（1）CPU（LGA775）

●支持FSB800/533MHz的外频；

●支持Intel的EIST省电技术；

●支持Intel的超线程技术（HyperThreading）；

●支持Intel的双核心CPU技术。

（2）北桥（NorthBridgeIntel945PL）

●支持FSB800/533MHz的外频；

●支持PCIExpressx16的传输界面（此处的传输界面与接口是两个不同的概念，接口指的是物理层面，即主板的接插槽，而传输界面定义的是一种技术标准，即数据传输的形式）：

●支持双通道DDR2400/533内存（最大支持2GB）。

（3）南桥（SouthBridgeIntelICH7）

●整合SATA2控制器，可以支持4个SATA设备，传输速率达到3GB/s；

●整合高速USB控制器，480Mbit/s，可以支持8个USB接口，并向下兼容；

●1个ATA100IDE控制器，可以支持两个IDE设备；

●PCIMaster，I/OAPIC；

●符合ACPI标准。

（4）内存（MemoryDDR2）

●支持240脚/DDR2DIMM内存插槽；

●支持双通道DDR2400/533/667内存；

●最高可以支持2GB的内存容量。

（5）BIOS

●提供“即插即用”功能，能自动侦测主板上的周边设备和扩展卡；

●提供桌面管理界面（DMI）功能，能记录主板的规格。

（6）网络芯片（Realtek8110SB）

●支持lOOMbit/s传输速度；

●符合PCI规范；

●支持APCI电源管理。

（7）音效芯片

●符合AC'97规格；

●符合PC2001音效要求。

（8）Superl/0（WinbondW83627EHG）

●支持LPCDMA和SerialIRQ;

●完善的硬件监控功能；

●可支持设备电源管理；

●可支持4个英寸或英寸软驱控制器；

●可支持红外端口（UART）、并口（ParallelPort）、游戏控制器（GamePort）和MIDI端口；

●支持KB/MS控制器、I/O端口和8MbitFlashROM。

（9）电源管理芯片（MS-7G）

●支持DDR、AGP等工作电压的调整；

●支持5VDUAL电压作为USB和KB/MS工作电压（5VDUAL为主板上供电的一个专业术语，意思为5V双路供电）；

●支持9VSB额外扩展电压；

●支持3VSB等待机电压；

●提供一些电路的时序电压信号。

（10）时钟芯片（ClockGen）

●可编程的输出频率；

●可编程的扩展百分比作为EMI控制；

●有可编程的看门狗式可靠频率；

●使用外部晶振进行频率调整。

（11）时钟缓冲器（CLOCKBUFFER）

●高性能、低抖动，无延迟缓冲；

●使用I2C作为功能输出控制；

●双Bank1～6个差分时钟分配（因主板设计不同，所以可以设计成为1～6个不同的时钟，其数值不是固定的）；

●每个Bank有两个独立的反馈作为同步输入和输出：

●可支持4个DDRDIMM;

●支持333MHzDDR2输出频率。

（12）PWM三相供电

为CPU提供Vcore电压。

（13）电源驱动IC（ICMOSFETDriver）

●可驱动6个N沟道的MOSFET作为3相PWM控制：

●支持高速切换频率；

●较短的输出上升／下降时间；

●信号延迟40ns;

●可进行直接短路保护；

●符合ROHS标准。

（14）电源控制lC（ICPWM）

●支持自动定相选择；

●输出电压可由外部参考电压监控；

●提供精准的核心电压调节；

●可进行过电流保护和过电压保护。

了解了Intel945芯片组主板的组成后，结合图2-1来分析一下各主要部件所负责的功能。

其中北桥主要负责CPU数据的交换、PCIExpressx16总线以及DDR2内存的数据读/写；南桥负责控制主板加电部分的信号、ACPI功能的实现、PCI设备的控制、USB、SATA、IDE、集成网卡、音效芯片的功能实现。

南北桥之间由DMI界面来进行传输数据；I/O则负责KB/MS电路、加电电路、LPT、COM、游戏口、软驱等I/O端口和BIOS的读／写等；时钟芯片则负责为主板上所有设备提供所需要的工作时钟，以使不同的设备有一个统一的标准来进行工作。

Intel的8xx系列芯片组，如845、865等，也与945系列芯片组采用相同的设计，学习时可以参照945芯片组的架构来进行分析。

IntelP35芯片组架构

IntelP35芯片组架构如图2-2所示。

在CPU支持方面，P35MCH正式支持1333MHzFSB的E6x50系列，并以VRM11主板供电设计支持未来的45nm工艺新一代处理器。

P35MCH内置的内存控制器支持DDR3和DDR2两种类型的内存模组，其中DDR3最高支持至DDR31333、DDR2支持至DDR2800。

当然这些只是官方公布的规格，按照IntelP965MCH的频率延展能力推断，P35MCH实际可达到的频率远高于此。

P35MCH的理想搭档是IntelCore2系列处理器，但它也支持早先的Pentium系列处理器，一点限制是它只能使用800MHzFSB以上规格的型号。

根据主板厂商不同，不同的P35主板将支持DDR2或者DDR3内存。

有的P35主板集成4个内存插槽，最大支持8GB内存容量；有的P35主板集成1个PCIExpressx16插槽、1个PCIExpressxl插槽、1个PCIExpressx4插槽、2～3个PCI插槽。

P35主板中的高档产品一般采用P35（Bearlake-P）北桥芯片搭配ICH9/R南桥芯片的模式。

ICH9/R南桥芯片最大支持6个SATAII接口，支持RAID0、RAID1、RAID5、RAID10。

P35主板可提供12个USB，6个由芯片组提供，6个由主板附加的UBS控制芯片提供。

图2-2IntelP35芯片组架构图

VIAPT890芯片组架构

VIAPT890芯片组架构如图2-3所示。

VIAPT890芯组主板主要由以下几个部分组成。

（1）CPU（LGA775）

●支持FSB800/1066MH的外频；

●支持Intel的EIST省电技术；

●支持Intel的超线程技术（Hyper-Threading）；

●支持Intel的双核心CPU技术。

图2-3VIAPT890芯片组架构图

（2）北桥（NorthBridgeVAPT890）

●支持全系列Intel处理器，包括1066MHz前端总线的Conroe核心IntelCore2Duo/Extreme;

●高带宽V-Link总线，使芯片组北桥与南桥之间的传输速率达到1066MB/s；

●采用STEPUP技术，可以同时支持DDR266/333/400，以及DDR2400/533/667内存；

●高性能的优化内存控制DualStream64技术；

●支持PCIExpressx16的传输界面。

（3）南桥（SouthBridgeVIA8237RPlus）

●支持4个原生SATA硬盘以及RAID阵列；

●支持6或8声道24/96采样音频输出和VinylHD音频解码；

●成熟、高效、稳定的网络模块；

●集成高速USB控制器，480Mbit/s，可以支持8个USB接口，并向下兼容；

●内置KB/MS控制器。

（4）内存（MemoryDDR2）

●支持240脚/DDR2DIMM内存插槽；

●支持双通道DDR2400/533/667内存；

●最高可以支持2GB的内存容量。

（5）BIOS

●提供“即插即用”功能，能自动检测主板上的周边设备和扩展卡；

●提供桌面管理界面（DMI）功能，能记录主板的规格。

（6）网络芯片（Realtek8110SB）

●支持lOOMbit/s传输速度；

●符合PCI规范；

●支持APCI电源管理。

VIAPT890芯片组的构成与Intel945芯片组很相似，只不过南北桥之间是采用VIA独有的UltraV-Link总线，允许南北桥以s的带宽互连。

并且KB/MS的控制电路由南桥负责，原本由Intel芯片组I/O负责的主板加电的控制电路部分，也变为由南桥负责。

VIA的系列主板，由694开始的所有芯片组，都是南桥控制KB/MS电路和加电电路。

在学习中一定要将这点与Intel芯片组的主板严格区分，以免对故障点判断错误。

nVIDIAnForce4芯片组架构

nVIDIAnForce4芯片组架构如图2-4所示。

nVIDIAnForce4芯片组主要由以下几个部分组成。

（1）CPU（Socket939）

●采用了频率高达1GHz的HyperTransport总线技术，处理器的总线带宽也因此一举提升到了8GB/s；

●配备了128位双通道内存控制器，从而提供对双通道DDR内存的支持；

●支持AMD的Socket939封装的64位处理器，支持64位寻址位宽，并提供良好的向下兼容性——支持32位寻址。

图2-4nVIDIAnForce4芯片组架构图

（2）nForce4（CrushK8-04）

●最大支持32PCI-Elanes，可以提供1个PCI-Ex16槽，1个PCI-EX8槽作为SLI之用，另外还可以提供4个PCI-EXl槽来支持一些外围设备。

●支持5个PCI插槽，双nVIDIA千兆位网卡和RAID，其功能和Intel的矩阵序列（MatrixArray）类似。

此外，它还支持8个SATA接口、6个PATA接口以及10个USB接口。

●搭配SoundStorm2，支持DolbyDigital，支持EX特效，处理能力达到每秒20G浮点运算次数。

SoundStorm2支持音频输出。

（3）内存（MemoryDDR）

●支持184脚/DDRDIMM内存插槽；

●支持双通道DDR400/333/266内存；

●最高可以支持2GB的内存容量。

（4）BIOS

●提供“即插即用”功能，能自动检测主板上的周边设备和扩展卡；

●提供桌面管理界面（DMI）功能，能记录主板的规格。

（5）Superl/0

●支持LPCDMA和SerialIRQ;

●完善的硬件监控功能；

●可支持设备电源管理；

●可支持4个英寸或英寸软驱控制器；

●可支持红外接口（UART）、并口（ParallelPort）、游戏控制器（GamePort）和MIDI接口：

●支持KB/MS控制器、I/O端口和8MbFlashROM。

（6）电源管理芯片（MS-6G）

●支持DDR2、AGP等工作电压的调整；

●支持SVDUAL电压作为USB和KB/MS工作电压；

●支持9VSB额外扩展电压；

●支持3VSB待机电压；

●提供VRMEN信号以使VRM电路工作。

（7）电源IC（ISL6559CB）

提供三相电源设计，集成了MOSFET驱动器，支持和电源规范。

nVIDIA的nForce4芯片组，采用了与Intel芯片组和VIA芯片组所不同的单芯片设计，没有了传统意义上的南北桥的区别，把原来由南北桥分别负责的工作，集成在一个芯片，并且在这颗nForce4芯片中，还集成了时钟发生器功能，所以我们在nForce4的主板上，是看不到时钟IC的（这一点在所有的nVIDIA主板上都是适用的）；另外一点不同就是，nVIDIAnForce4主板的内存部分，不再由主板上的芯片来承担，而是转由AMDK8处理器中的128位双通道内存控制器来控制，提供对双通道DDR内存的支持。

在负责加电的电路上，nVIDIAnForce4芯片组与Intel的945芯片组一样，是由南桥与I/O来共同完成的。

nVIDIAMCP73芯片组架构图

nVIDIAMCP73芯片组架构如图2-5所示。

图2-5nVIDIAMCP73芯片组架构图

MCP73芯片组是nVIDIA推出的首款支持Intel平台的芯片组。

MCP73平台的几款高中低档产品中，南北桥一般采用GeForce7150+nForce630i、GeForce7100+nForce630i、GeForce7050+nForce610i的组合，其中的eForce7050+nForce610i支持1066MHz前端总线，而另外两个型号的芯片组则支持1333MHz的前端总线频率。

整合主板支持1333MHz的前端总线频率，支持Core2Quad/Core2Extreme/Core2Duo/Pentium4

赛扬D/PentiumD，并支持45nm产品。

该芯片组产品最大的特点就是内存控制器、GPU和众多的南北桥功能都集成在一个小小的芯片之内，缺点是仅支持单通道内存，还有就是巨大的发热量和功耗，这几个特点是维修人员必须重视的。

nVIDIAMCP61芯片组架构图

nVIDIAMCP61芯片组架构如图2-6所示。

图2-6nVIDIAMCP61芯片组架构图

MCP68芯片组一共有两个版本，分别为GeForce7050PV+nForce630a和eForce7025+nForce630a（以下简称GeForce7050PV和GeForce7025）。

集成了全新的GeForce7系列显示核心，支持HDMI/HDCP等高清视频技术，整合在单芯片的南桥nForce630a将带来更好的磁盘性能以及技术规格。

MCP61和MCP68米用的都是单芯片设计、TSMC90nm制造工艺。

磁盘性能方面，由于整合了全新的nForce630A南桥芯片，MCP68芯片组将会提供4个SATA2接口以及支持RAID0/1/0+1/5这四种磁盘阵列模式。

其他方面，MCP68还会支持HDA音效、提供千兆位网卡功能以及多达12个USB接口。

常见架构主板的工作时序

工作时序概述

时序，按照字面意思简单地来说，就是时间顺序。

在这里所说的主板工作时序，就是主板上的上电、供电、PG、时钟、复位等信号的产生顺序以及与这些信号相关的设备的先后工作顺序。

在前面的学习中，了解了主板上的供电、时钟、复位、PG等信号的概念，并且也学习了主板简单工作过程。

那么在这个工作过程中，每个设备的供电、时钟和复位并不是同时发出的，最先工作的设备，就需要先得到供电，最后工作的设备，就会最后得到供电。

并且，对维修来说，尤为有意义的地方就是，整个时序的工作是一扣接一扣的。

若时序中的第一个信号不能产生，那么它的下一步也就不会产生。

了解了时序，就知道了维修的先后顺序。

举例来说，主板的上电过程都是由南桥来管理完成的，那么当插入ATX电源插头到主板上去之后，南桥就首先开始工作，并且得到一系列的供电，然后才能够完成主板的上电，按主板的电源开关时，主板才能够通电。

也就是说，南桥的供电会优先产生，如果没有南桥的供电，那么之后的所有信号也都不能产生，因为不能上电的主板，之后的信号当然是什么都不能产生的。

那么不同架构的主板、不同品牌的主板，它们的南桥的供电有哪些哪些是必要条件在南桥的供电正常之后，又有哪些信号会产生下一个工作的设备是谁本节就来讲述这些内容。

不同架构的主板，因为厂家所设计的芯片组的不同特性，所以其工作时序具有各自的特点。

即使在不同品牌的主板的设计中，产生某个信号的设备可能不是相同的，但是信号的产生顺序是不会变的。

了解这一点，对于维修也是非常重要的。

以下几节将学习比较典型的几种架构主板的工作时序。

Intel平台845芯片组主板典型工作时序

Intel平台845芯片组主板工作时序如图2-7所示。

1．信号解释

从左向右，图中各部分及信号解释：

PWR_SW:

PowerSwitch，这里指按主板上的电源开关发出的触发信号。

VCCl_5Regulator：

指供电调节模块或者说调节电路。

VCC3_3、VCC5V、VCC12V；ATX电源输出的、SV、12V供电。

PS_ON:

上电控制信号。

为低电平时，ATX电源输出供电。

PWRBTN#：

PowerButton的缩写。

这里指I/O向南桥送出的低电平触发信号。

SVSBY、、：

SBY是standby的缩写。

这3个是SV、、待

机电压。

SLP_S3#：

南桥发出的休眠控制信号，低电平有效。

ATX_POWER:

ATX电源。

ATX_PWOK：

PWOK是POWEROK的缩写。

这是电源灰色线发出的电源好信号。

GMCH、ICH4:

Intel845北桥和ICH4南桥。

VCCRTC：

南桥内部的RTC实时振荡电路的供电，由3V电池和待机电压产生，互为补充。

RTCRST#：

RTCRESET。

实时振荡电路的复位信号，低电平时RTC电路被复位。

BATTERY:

CMOS电池，3V电压。

PCIRST#:

PCI总线的复位信号。

CPURST#:

CPU的复位信号。

VCCVIDRegulator：

CPU中VID电路的供电产生模块，输出电压。

VCORE:

CPU的核心供电。

:

CPU核心供电产生模块。

VID[4:

0]：

CPU核心电压识别信号的组合。

VIDO～VID4有高有低的电平组合。

CK408:

CK为CLOCK的缩写。

这里指时钟芯片。

CPUCLK:

CPU的总线时钟。

BSEL[1:

0]：

CPU的总线时钟识别信号组合。

图2-7Intel平台845芯片组主板工作时序图

2．工作时序概述

①VCCRTC要保持有3V左右的供电。

根据主板设计不同，一般在以上。

②RTCRST#为高电平，通俗地讲，CMOS跳线正常，这个信号即正常。

③插入ATX电源接头，SV待机电压输出送给I/O芯片。

同时通过1117正电压调节器产生和待机电压送给南桥。

④按PWR开关，送出一个低电平触发I/O芯片（ITE8712）。

⑤I/O芯片送出一个低电平触发给南桥。

⑥南桥驱动SLPS3#信号为高电平，送给I/O芯片。

⑦I/O送出PSON#信号，为低电平，送给ATX电源。

⑧ATX电源产生3V、SV、12V供电给主板上的各电路。

⑨ATX电源在送出供电约100～500ms之后，发出ATXPWOK信号送给南桥和北桥芯片，即ATX电源的灰色线跳变为高电平。

⑩ATX电源发出的供电经过电压调节模块产生送给南桥和北桥，产生VCCVID供电送给CPU。

CPU在得到VCCVID供电后，送出VID电压组合信号给VRM模块，同时送出BSEL频率选择信号给CLK芯片。

VRM根据VID的组合，产生适合CPU的电压送给CPU和北桥。

CLK芯片根据C