笔记本教程3.docx
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笔记本教程3
第23页：
南桥：
IDE接口说难不难说简单也不简单
南桥是外围（I/O）设备的中转站，一般来说主要的接口有HUB-LINK，IDE，PCI，AC97，USB，PM（PowerManagement，电源管理）等，对于最新的ICH6，更有SATA，DMI等。
HUB-LINK的定义见上文。
IDE是大家比较熟悉的接口，硬盘一般都通过IDE通道与南桥建立连接。
在ICH4上，有两个IDE接口，所以我们一般硬盘用IDE0，光驱用IDE1。
而在在最新的915平台上只有一个IDE，另外还有4个SATA。
当然这是Intel在积极推行SATA的结果。
IDE通道有16根[0..15]数据线，还有一些相关的控制信号。
如图是硬盘和南桥通过IDE来连接HDD的示意图：
下图是实际的IDE接口，共有44PIN，当然，有些也是空PIN，有些则是接地：
跟台式机不一样的是，笔记本中光区的接口和硬盘不一样，这也可能是一个行业标准吧。
笔记本光区的接口如下图，共有50PIN，比硬盘的PIN数多是因为CD-ROM上需要引出音频信号以及一些控制信号：
虽然光区和硬盘的接口并不一样，但其本质上其实是相同的，都属于IDE范畴。
第24页：
南桥：
PATA，SATA之争
在只有一个IDE接口的时候，副硬盘只能通过主IDE设备来实现中断（IRQ），比如现在有些厂商需要在915平台上使用IDE的硬盘，以降低成本。
如此一来，势必要使硬盘和光区使用一个IDE通道，如果从光盘拷贝大量数据到硬盘的话，速度会有明显的下降。
而有些时候，RD为了提高性能，甚至需要用转换芯片将SATA转成PATA（没听说过吧？
呵呵，用Marvell88SA8040这颗IC就行了，参考这里 下图是ICH6M的硬盘部分的功能块，有四组SATA和一组的PATA接口。
SATA和PATA（IDE）
相对PATA来说，SATA的设计就显得简单的多，只需4根/2组差分信号和一个电源即可搞定。
但由于其数据的高速性，设计者对布线，以及控制EMI/EMC来说却需要投入更多的精力。
最新的ICH6提供了4个通道的SATA，看来Intel把SATA尽快的推到笔记本上信心实足。
下图是SATA和PATA的笔记本硬盘接口比较。
我们看到实际上SATA的PIN脚还是有很多，但其实很大一部分都是地线，用来保证信号质量用的，当然，也有一部分是空PIN来做保留。
在这里笔者多说两句，其实早在2002年富士通就以桥接方式推出了串行笔记本硬盘。
根据国外硬件网站TomHardware的测试报告，这款4200转的SATA硬盘，数据传输速率和存储时间都与PATA（IDE）产品差不多。
也就是说，单纯更换接口，对速度的提升尚未显示出太大的帮助，笔记本硬盘的瓶颈并不是在接口上。
它主要的好处是使用方便、接口简单而且支持热插拔。
现在，日立和富士通都跟随Sonoma的步伐发布了新一代的SATA硬盘，有测试报告称速度达到了30MB/s。
然而在其昂贵的价格面前，SATA笔记本硬盘的优势还很微弱，甚至没有。
但我们必须得承认，笔记本全面进入串行时代，是无法扭转的历史进程。
SATA硬盘的普及，也会是必然。
第25页：
南桥：
从PCI到PCI-EXPRESS
PCI是外设的最主要通道，几乎所有的外围设备都能通过PCI来实现其功能。
对笔记本通常而言，主要挂有CARDBUS、MINIPCI、网卡，或者电视卡。
而对于这些设备的物理连接，我们也将在下篇中具体谈到。
由于PCI只是跑在33MHZ上，所以它的布线比较宽松，并不需要严格的控制。
而对于最新的ICH6已经开始支持PCI-Express，相对PCI原来的近60pin，PCI-Express的引脚只有区区四根。
这对于硬件的设计来说是个绝对的好消息，PIN脚越少，越不容易出错啊！
更重要的是，PCIEXPRESS并不需要像PCI那样指定PCI设备的中断和中断响应，对于BIOS和硬件工程师来说就少了需要共同协商的部分，加快了开发的进程。
笔记本上我们看不到PCI-E，我们来看看台式机吧，反正通道的原理是一样的。
由上到下分别是：
PCI-Express16X，PCI-E*2，PCI总线*3。
可以看到PCI-E比传统的PCI总线的PIN数要少太多了。
下图是PCI和PCI-E的对照表，大家可以看到两者的区别：
PCI和PCI-Express
ICH6提供了4组PCI-Express接口，理论上至少可接4个PCI-Express设备（我是没碰到过，实在是因为用不了那么多，呵呵）。
第26页：
AC97ModemBMDC您又了解多少？
AC'97是AudioCodec'97的缩写，它所定义的是一种在主流PC中实现音频特性的方法，后来又扩展了实现Modem的功能。
AC'97利用核心芯片组的功能和外围的模拟设备共同实现音频卡/Modem的功能。
下图AC97接口是示意图：
我们看到南桥输出7个信号，从上到下分别是复位、输出、同步、时钟，以及三个输出信号。
按图中的意思，AC97接口至少可以接3个设备，共用复位、输出、同步、时钟四个信号，但输入信号各自独用。
一般情况下，我们常接入的是D/A转换（SDATA_IN0，数字信号转成模拟的音频信号）和Modem（SDATA_IN1）两个设备，保留了第三个设备接入的能力。
下图是笔记本上AC97的接口，如今已经是通用的接口了。
笔记本上的Modem（AC97）接口
AC97单元在主板的设计上并不困难。
但由于音频是模拟信号，而且由我们的耳朵直接聆听，所以如果走线不合理的话，就有可能引发干扰声。
另外，如果处理不好干扰的话，也会影响Modem的拨号速度。
所以一般在做PCB布线的时候，会在音频解码器的范围内禁止走高速的信号，比如网卡，USB等等。
并且需要严格把AC97的解码器的数字和模拟部分分开，最后，在解码器的下方的一般都会加上一大块的铜作为模拟地以将干扰减小到最低。
至于如IBM的高档机型上用的Modem/BlueTooth的Combo卡（炒的比较热的BMDC卡），其实是利用在AC97的接插件上空余的pin，接上了USB的线路（2根而已），然后通过USB总线来连接BLUETOOTH，这根我们常用的USB蓝牙其实是一样的，可见其成本并不高。
笔者参与设计的几个项目都是用AC'97来扩展蓝牙的。
IBM的Modem/蓝牙Combo卡
下图是AC97接口的PIN脚功能图，我们看到左边部分的PIN是连接到南桥的AC97接口，而右边则是蓝牙的功能块。
除此之外还有很多空余的PIN脚，BMDC正是通过这些空余的PIN实现Modem、蓝牙二合一的。
BMDC接口的线路图
如果要利用MINI-PCI的空余PIN来做的话也是可行的，这样的话也就是Wireless/BluetoothCombo卡了，而且理论上来说，做成Wireless/BluetoothCombo更方便，不仅是因为MINI-PCI的空PIN更多，而且其空间也越大。
不过由于迅驰技术的限制，如果不使用Intel的无线网卡，就不能打上迅驰的标签。
而Intel的无线网卡是不大可能集成蓝牙功能的，所以现在Wireless/BluetoothCombo卡并不多见。
MINIPCI的无线网卡。
看看，是不是空间更大？
：
） 随着ICH6M的推出，最新的Azalia（Intel称之为HighDefinitionAudio）相信大家也听说过。
以其多声道，高保真的效果正在逐步替代传统的AC97。
最新的音频解码器（AZALIA）目前量产的就我知道的也就两家，一家是Retelk的ALC880，另一家是C-Media的CMI9880。
下面是两者的图片：
Azalia音效芯片最大的特色在于能够进行自动设备检测和接口定义功能，可以自行判断哪个端口有何种设备插入；还能为接口定义属性，利用这个功能，我们可以重新分配音频插孔的定义，之后就可以播放不同的音频、视频文件，听不同的歌曲了！
呵呵~~
至于更详细的说明，请参看《颠覆还是改良紫光迅驰II性能测试揭密》的第八页。
第27页：
南桥：
USB口没想像中那么简单
USB，UniversalSerialBus（通用串行总线）。
我们知道，我们现在用的USB口上有4个引脚。
其中中间两根是从南桥引过来的信号线。
另外两个边上的则是一个正5V，一个接地。
下面是USB口的接口具体定义：
其中供电的时候一般由一颗IC来控制电流的大小，当超过预定的电流时候（USB1.0为500MA，2.0则是720MA），改IC会给出一个OC#（OVERCURRENT，过流）信号给南桥，南桥切断USB口的信号，从而保护南桥内部的寄存器和整机的安全。
INTEL推荐使用专门的IC来切断电压，这样能更好的保证机器的稳定性。
图中的5VSwitch就是供电IC：
USB的保护电路
具体的电路，参考《权威揭密从成本分析看低价笔记本猫腻》第六页。
仔细看一下USB口，其中间两根信号线比较短，而电源线则比较长。
这样的设计是使UBS口在插入的时候先接通电源，后接通信号。
个人以为这样的设计是为能保护南桥内部的寄存器不会受到冲击电流的影响。
由于USB的高速性，特别是USB2.0的发布，更加剧了这部分布线的难度。
对EMI工程师来说，为了通过EMC验证，必定是线越短越好。
而对硬件和机构工程师来说，有时候这点并不能满足……所以冲突是难免的。
下图是为解决USB的EMI/EMC问题设计的电路，也是INTEL的建议线路。
其中USB+/-是直接从南桥引出来的，通过一个共模电感输出到USB口，提高整机线路的EMI/EMC性能。
USB的EMI保护
所以说我们常看到一些网络上的高手直接从南桥引出USB信号线来实现USB扩展其实是比较不规范的哦，至少EMI/EMC肯定过不了，呵呵。
当然，能直接从南桥引出USB的信号线对于业余者来说已经是非常不简单了，而且对于个人用户来说，EMI/EMC的需求就并非那么强烈了，所以这样做是完全可行的。
上图是某些发烧友为IBMTHINKPAD600X加装第二个USB口的图，图中他们已经标出了南桥引出的USB信号线。
第31页：
BIOSEC电源管理之间的关系
所所开篇：
今天是本系列教程的下篇，到今天工程师权威揭密系列的教程就告一段落了。
随后大家可以通过访问我们的专题页面来随时温故知新，下面一起来看下篇吧。
我们常会听到某些高手说“改一下COMS设置”云云，我们现在就来谈谈BIOS（CMOS）。
BIOS（BasicInput/OutputSystem，基本输入输出系统）在整个系统中的地位是非常重要的，它实现了底层硬件和上层操作系统的桥梁。
比如你现在从光盘拷贝一个文件到硬盘，您只需知道“复制、粘贴”的指令就行了，您不必知道它具体是如何从光盘读取，然后如何写入硬盘。
对于操作系统来说也只需要向BIOS发出指令即可，而不必知道光盘是如何读，硬盘是如何写的。
BIOS构建了操作系统和底层硬件的桥梁。
而我们平时说的BIOS设定仅仅是谈到了其软件的设定，比如设置启动顺序、禁用/启用一些功能等等。
但这里有一个问题，在硬件上，BIOS是如何实现的呢？
毕竟，软件是运行在硬件平台上的吧？
这里我们不能不提的就是EC。
这是日立H8的DEMO板和其宣传画
WINBOND的EC
EC（EmbedController，嵌入式控制器）是一个16位单片机，它内部本身也有一定容量的Flash来存储EC的代码。
EC在系统中的地位绝不次于南北桥，在系统开启的过程中，EC控制着绝大多数重要信号的时序。
在笔记本中，EC是一直开着的，无论你是在开机或者是关机状态，除非你把电池和Adapter完全卸除。
在关机状态下，EC一直保持运行，并在等待用户的开机信息。
而在开机后，EC更作为键盘控制器，充电指示灯以及风扇等设备的控制，它甚至控制着系统的待机、休眠等状态。
主流笔记本系统中，EC在系统架构中的地位如下图：
现在的EC有两种架构，上图左边是比较传统的，即BIOS的FLASH通过X-BUS接到EC，然后EC通过LPC接到南桥，一般这种情况下EC的代码也是放在FLASH中的，也就是和BIOS共用一个FLASH。
右边的则是比较新的架构，EC和FLASH共同接到LPC总线上，一般它只使用EC内部的ROM。
至于LPC总线，它是INTEL当初为了取代低速落后的X-BUS而推出的总线标准。
EC上一般都含有键盘控制器，所以也称KBC（KeyboardController）。
那EC和BIOS在系统中的工作到底有什么牵连呢？
在这里我们先简单的分析一下，具体的过程在本文的最后会详细介绍。
在系统关机的时候，只有RTC部分和EC部分在运行。
RTC部分维持着计算机的时钟和CMOS设置信息，而EC则在等待用户按开机键。
在检测到用户按开机键后，EC会通知整个系统把电源打开（这部分在最后详细介绍）。
CPU被RESET后，会去读BIOS内一个特定地址内的指令（其实是一个跳转指令，这个地址是由CPU硬件设定的）。
这里开始分两种情况，对于上图左边的结构：
CPU发出的这个地址通过FSB到北桥，然后通过HUB-LINK到南桥，通过LPC到EC，再通过X-BUS一直到达BIOS。
在CPU读到所发出的地址内的指令后，执行它被RESET后的第一个指令。
在这个系统中，EC起到了桥接BIOS和南桥（或者说整个系统）的作用。
对于上图右边的结构：
在这地址南桥后，会直接通过LPC到BIOS，不需要EC的桥接。
这里需要说明的是，对于台式机而言，一般是不需要EC的。
这里原因有很多：
比如台式机本身的ATX电源就具有一定的智能功能，他已经能受操作系统控制来实现待机、休眠的状态；其次由于笔记本的键盘不能直接接到PS/2接口，而必须接到EC之上；还有就是笔记本有更多的小功能，比如充电指示灯、WIFI指示灯、Fn等很多特殊的功能，而且笔记本必须支持电池的充放电等功能，而智能充放电则需要EC的支持；另外，笔记本TFT屏幕的开关时序也必须由EC控制。
这些原因导致了笔记本使用EC来做内部管理的必要性。
总体来说，EC和BIOS都处于机器的最底层。
EC是一个单独的处理器，在开机前和开机过程中对整个系统起着全局的管理。
而BIOS是在等EC把内部的物理环境初始化后才开始运行的。
看到这里，我想大家也明白EC到底是呵方神圣。
如果说BIOS是底层系统的话，那EC似乎更加底层。
在南桥上还有一个功能块就是电源管理单元（PM，PowerManagement）。
一般来说，他和EC来共同配合完成。
这里包括从开机（powerbutton）键按下后，启动，待机，休眠，关机的全部功能。
还包括对背光亮度，声音等的控制等等。
至于现在Intel的SpeedStep技术，也有部分功能是透过南桥来实现的（南桥发送SLP、STPCLK（sleep，StopClock）来实现睡眠、深睡眠等）。
这部分的设计比较简单，只需要点到点的连接南桥和CPU即可。
第33页：
PCI设备：
PCMCIA,MiniPCI
1989年由200多家公司确立了PCMCIA（PersonalComputerMemoryCardInternationalAssociation）标准，最初只是用来扩展内存，91年后随着I/O设备扩展需求，多种设备都被做成了PCMCIA接口，PCMCIA成为了笔记本最重要的扩展插槽。
PCMCIA的成长史几乎是整个笔记本电脑产业的成长史。
那PCMCIA到底是如何实现的呢？
实际上，PCMCIA的实现方法并不复杂，把南桥的PCI总线拉到PCMCIA控制器，然后从PCMCIA控制器就能输出Cardbus，接上标准的PCMCIA接口就可以了。
下图就是PCMCIA的框图：
实际上在设计的时候，CardBusController的设计厂商都已经对其开发作好了一整套的外围电路，OEM厂商只需要简单的按标准电路做简单的修改即可（比如一些降低成本的动作）。
一般来说，CardBusController有TI，RICHO，ENE等几家可以选择。
如图是IBMR40采用的TI的芯片PCI1510控制器和NEC的某款产品，采用理光R5C551的CardBus控制器。
对CardBus一些其他分析可参考《权威揭密从成本分析看低价笔记本猫腻》一文， 至于miniPCI则更加简单了，只需把南桥的PCI总线点到点的接到miniPCI的接口上即可。
顺便说一句，miniPCI和台式机上的PCI的物理定义是一致的，不同的仅仅是插槽不一致而已。
我们见到过为了台式机上为了使用MiniPCI接口的无线网卡而出现的转接卡：
我们看到，这样的转接板也是非常的简单，除了一些用以稳压用的元器件外没有任何用以信号转换的芯片。
这也从侧面说明了MiniPCI只是PCI的翻版。
第35页：
SMBus2.0/I2CBus
上页我们提到了SMBus，相对前面说FSB，USB，PCI等总线，SMBUS2.0的速度实在是低的可怜（不过反正它也不需要那么高的速度）。
但其作用却不可小视。
简单的说，SMBUS是一种慢速的系统总线，他为整个系统提供基本的运行信息。
我想稍有内存知识的朋友都知道，内存上有SPD来记录内存的容量，厂商等信息。
而这些信息就是靠SMBus来读取的。
另外，SMBus也可用来做CPU温度检测之用。
在新型的笔记本或者台式机的设计中，ClockGenerator的频率控制也可以用SMBus来调整，以达到线性、平滑的超频（当然，在笔记本中……这就只可能出现在工程样机中了）。
下图是具体的逻辑图，注意是SMBus哦，不是SMLink哦。
其实在笔记本电脑内部，有不止一根的系统总线。
比如说侦测电池信息的SMBUS等。
笔者对这方面的信息笔者知之甚少，仅在此抛砖引玉了，有兴趣的朋友可以自己去搜索。
第37页：
充电电路，保护锂电池就靠它了
对于如今的笔记本电脑，都具有锂电池作为电源（在03，04年HP也曾推出过过时的镍氢电池作为电源以降低成本，但没多久就消失了）。
为了延长电池的使用寿命，除了要养成良好的电池使用习惯外，对锂电池的智能充放电也非常重要。
目前在笔记本电脑中，几乎都采用了“电池管理”和“充放电控制”两种芯片级管理系统。
其中“电池管理芯片”安置于笔记本电脑内部，该芯片的寄存器里存储着该台电脑所用锂离子电池的容量、工作温度、ID系列号、充放电状态、充放电累计次数等重要信息。
这些数据信息在使用过程中，需要根据实际情况不断地刷新。
如图是IBMT4X系列采用的ADP3806充电IC，由它负责对电池状态的监控。
而电池内置的“充放电控制芯片”最主要的作用，就是监视、控制电池的整个充放电过程并加以记录。
早期IBMThinkPad电池控制电路
对于离子电池的整个充电过程，一般分为“恒流快速充电”和“恒压电流递减充电”两个阶段。
所谓“恒流快速充电”是指在刚刚开始充电时，充电电流固定而充电电压跟随电池的端电压逐渐升高，直至达到标称电压的充电方式。
当电池达到了端电压标准数值后，控制芯片会自动转入“恒压电流递减充电”阶段，此时充电电压将不会再继续升高，而充电电流则跟随电池容量的不断上升逐步递减，并最终达到零，如此便完成了电池的全部充电过程。
与此同时，在充电过程中所产生的充电电压、电流、时间等数据曲线，都将被记录在电池内的“充放电控制芯片”的存储器中。
“电池管理芯片”就是通过调取这些数据，并通过抽样计算得出电池容量等数据，这便是我们在BatteryInformation里所读到的Wh数值。
对这部分内容，笔者并不是很清楚。
这只是参考了网上的一些资料得出。
如果有错误的地方，还请各位看官在文后提出。
第39页：
逻辑上的开机过程：
预习
开机过程对于电脑设计是至关重要的。
在笔记本电脑打好PCB后第一次开机时，如果电源的时序正确了，其他的问题都比较好解（一般来说时序正确的话机器都能开起来）。
最怕的就是电源时序不对，机器开不起来，这才是最要命的。
那我们现在就讲解一下笔记本电脑在硬件上的逻辑开机过程。
首先我们做一些预习工作，以方便读者的理解。
在笔记本内部的电压有好几种，我们分别看一下。
首先是RTC电源，这部分电力是永远不关闭的，除非电池（纽扣电池）没电并且没接任何外部电源（比如电池和电源适配器）。
RTC用以保持机器内部时钟的运转和保证CMOS配置信息在断电的情况下不丢失；其次，在你插上电池或者电源适配器，但还没按power键的时候（S5），机器内部的开启的电称为ALWAYS电，主要用以保证EC的正常运行；再次，你开机以后，所有的电力都开启，这时候，我们称为MAIN电（S0），以供整机的运行；在你进待机的时候（S3），机器内部的电成为SUS电，主要是DDR的电力供应，以保证RAM内部的资料不丢失；而休眠（S4）和关机（S5）的电是一样的，都是Always电。
其中，上文中括号内的是表示计算机的状态（S0-开机，S3-待机，S4-休眠，S5-关机）。
上图是对上面这段话的总结，我想应该很容易明白。
其中最后一列指的是其电压开启的控制信号，这点下面会讲到。
至于为什么这里没有S4，即休眠状态，是因为在S4状态和S5状态下，系统开启的电是一样的，所以就没必要增加一组控制电路。
第41页：
逻辑上的开机过程：
从开机如何进入待机休眠呢
下图是整个系统开机流程图，大家可根据上文所说的进行比较。
由于INTEL做的开机系统比较完善，而在实际设计中，RD会省略不少步骤，以降低系统的复杂程度，同时降低成本。
在用户需要进入待机模式（S3）的时候，系统的ACPI和windows同时运作，拉低SLP_S3#，并保持SLP_S4#和SLP_S5#被拉高，以关闭了MAIN电，系统则进入待机模式
。
而在需要进入休眠或者关机模式时，同时拉低SLP_S3#、SLP_S4#和SLP_S5#，关闭除了RTC以外的电源。
当然，在这一系列的过程中，需要操作系统和BIOS的共同协作，对硬件工程师来说，只需要保证在特定的状态保证特定的电压供给即可。
当机器要要从S0进入S5，即关机的时候，也会有一定的时序进行，基本上就是前面时序的逆运行，笔者就不多费笔墨了。
有兴趣的读者可去INTEL自己下载他们的规格书。
以上就是整个硬件的开机、进入S3，S5的过程，当然不同的硬件有不同的开机过程，这里说的不过是最普通、最为常见的一种。
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