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第3章 总线和主板

第3章 总线和主板. 3 · 1 总线基本概念 3 · 2 总线原理 3 · 3 微机系统总线标准 3 · 4 总线新技术 3 · 5 认识主板 3 · 6 主板结构 3 · 7 主板控制芯片组 3 · 8 主板发展趋势. 本章学习目标. 总线的基本概念、总线的分类、总线控制原理 主板的基本组成和结构、作用和功能 微机主板和总线标准的发展历程、主流技术和最新发展动态. 返回本章首页. 3.1 总线基本概念. 3.1.1 什么是总线 3.1.2 面向总线的体系结构 3.1.3 总线分类和性能指标.

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第3章 总线和主板

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  1. 第3章 总线和主板 3·1 总线基本概念 3·2 总线原理 3·3 微机系统总线标准 3·4 总线新技术 3·5 认识主板 3·6 主板结构 3·7 主板控制芯片组 3·8 主板发展趋势

  2. 本章学习目标 • 总线的基本概念、总线的分类、总线控制原理 • 主板的基本组成和结构、作用和功能 • 微机主板和总线标准的发展历程、主流技术和最新发展动态 返回本章首页

  3. 3.1 总线基本概念 3.1.1 什么是总线 3.1.2 面向总线的体系结构 3.1.3 总线分类和性能指标 返回本章首页

  4. 3.1.1 什么是总线 总线能为多个部件服务，总线的基本工作方式通常是由发送信息的部件分时地将信息发往总线，再由总线将这些信息同时发往各个接收信息的部件。究竟由哪个部件接收信息，要由CPU给出的设备地址经译码产生的控制信号来决定。 返回本节

  5. 3.1.2 面向总线的体系结构 （1）使各部件之间的关系转化为面向总线的单一关系：设计和使用某一部件，无须考虑该部件和其他相应部件间的复杂关系，只要满足它和总线之间的关系即可。 （2）标准总线可以得到多个厂商的广泛支持，便于生产与之兼容的硬件板卡和软件。 （3）模块结构方式便于系统的扩充和升级。 （4）便于故障诊断和维修，同时也降低了成本。 返回本节

  6. 3.1.3 总线分类和性能指标 1．总线有多种分类方法 2．性能指标

  7. 1．总线有多种分类方法 • 按相对于CPU与其他芯片的位置可分为片内总线和片外总线。 • 按总线传送信息的类别，可把总线分为地址总线、数据总线和控制总线。 • 按照总线传送信息的方向，可把总线分为单向总线和双向总线。 • 按总线的层次结构可分为CPU总线、存储总线、系统总线和外部总线。

  8. 图3-1 现代微机总线机构示意图

  9. 2．性能指标 • 常用的量化指标如下： • 总线带宽： • 总线宽度： • 工作频率：

  10. 总线带宽、总线宽度、总线工作频率三者之间的关系就像高速公路上的车流量、车道数和车速的关系。车流量取决于车道数和车速，车道数越多、车速越快则车流量越大：同样，总线带宽取决于总线宽度和工作频率，总线宽度越宽、工作频率越高则总线带宽越大。总线带宽、总线宽度、总线工作频率三者之间的关系就像高速公路上的车流量、车道数和车速的关系。车流量取决于车道数和车速，车道数越多、车速越快则车流量越大：同样，总线带宽取决于总线宽度和工作频率，总线宽度越宽、工作频率越高则总线带宽越大。 • 总线带宽的计算公式如下： • Q=f×W／N

  11. 表3-1 常见总线的带宽和传输率 返回本节

  12. 3.2 总线原理 3.2.1 总线的控制 3.2.2 数据传送 3.2.3 总线仲裁 3.2.4 总线驱动和其他控制 返回本章首页

  13. 3.2.1 总线的控制 总线的控制贯穿在从总线主部件申请使用总线到数据传送完毕的整个过程，要经过几个步骤：总线请求、总线仲裁、寻址、传送数据、检错和出错处理。总线控制线路主要包括总线仲裁逻辑、驱动器和中断逻辑等。 返回本节

  14. 3.2.2 数据传送 1．总线数据传输方式 2．总线传输方向 3．定时信号的实现方式 有三种：同步方式、异步方式和半同步方式。

  15. 图3-2 半同步方式数据传输时序图 返回本节

  16. 3.2.3 总线仲裁 根据总线控制部件的位置，控制方式可以分成集中方式与分散方式两类。总线控制逻辑集中在一处的，称为集中式总线控制。总线控制逻辑分散在总线各部件中的，称为分散式总线控制。 返回本节

  17. 3.2.4 总线驱动和其他控制 总线驱动除考虑信号线外，电源的驱动能力有时也是考虑的重要方面，特别是现在的一些外设总线，设备的电源完全从总线获得，更应该考虑这个问题。 返回本节

  18. 3.3 微机系统总线标准 3.3.1 系统总线标准 3.3.2 常见系统总线标准 3.3.3 其他总线 返回本章首页

  19. 3.3.1 系统总线标准 1．标准的重要性 2．系统总线标准的内容

  20. 系统总线通常为50~100根信号线，这些信号线可分为五个主要类型：系统总线通常为50~100根信号线，这些信号线可分为五个主要类型： • 数据线：决定数据宽度。 • 地址线：决定直接选址范围。 • 控制线：包括控制、时序和中断线，决定总线功能和适应性的好坏。 • 电源线和地线：决定电源的种类及地线的分布和用法。 • 备用线：留给厂家或用户自己定义。 返回本节

  21. 3.3.2 常见系统总线标准 1．PC/XT、ISA（PC/AT）总线 2．MCA、EISA总线 3．VESA、PCI总线 4．AGP总线

  22. 1．PC/XT、ISA（PC/AT）总线 • （1）PC／XT总线 • PC/XT总线是一种开放式结构的计算机总线，该底板总线有62个引脚，支持8位双向数据传输和20位寻址空间，有8个接地和电源引脚、25个控制信号引脚、1个保留引脚。总线底板上有5个系统插槽，用于I/O设备与PC机连接。该总线的特点是把CPU视为总线的惟一主控设备，其余外围设备均为从属设备。

  23. （2）ISA总线（图3-3） IBM公司在PC总线基础上增加36个引脚，形成了AT总线。即从1982年以后，逐步确立的IBM公司工业标准体系结构，简称为ISA（Industry Standard Architecture）总线，有时也称为PC/AT总线。 图3-3 ISA总线插槽

  24. 2．MCA、EISA总线 • （1）MCA总线 • 1987年IBM公司为保护自身的利益，在宣布PC/2机器时，推出相对封闭的微通道结构，简称为MCA总线，试图由该公司加以专利控制。 • （2）EISA总线 • 为了打破IBM的垄断，1988年9月，Compaq，AST，Epson，HP，Olivetti，NEC等9家公司联合起来，推出了一种兼容性更优越的总线，即EISA总线。

  25. 3．VESA、PCI总线 • （1）VESA总线 • 1992年VESA（Video Electronics Standards Association视频电子标准协会）联合60余家公司，对PC总线进行了第五次创新，推出了VESA Local Bus（简称VL总线）局部总线标准VESA V1．0。 • （2）PCI总线（图3-4）

  26. 图3-4 PCI总线插槽

  27. PCI局部总线的特点。 • 线性突发传输。 • 存取延误极小。 • 总线主控及同步操作。 • 独立于CPU的结构。 • 低成本、高效益。 • 兼容性。 • 预留发展空间。

  28. 4．AGP总线 • （1）AGP总线简介 • （2）AGP总线的特点 • （3）AGP总线的工作方式 返回本节

  29. 3.3.3 其他总线 1．EPP、RS-232 2．IEEE1394、USB 3．EIDE、SCSI

  30. 1．EPP、RS-232 • （1）EPP并行接口 • EPP方式是IEEE 1284并行接口标准的五种数据传输方式之一，IEEE 1284标准为个人计算机的并行接口提供了高速的访问手段。其中的第一种“正向方式”被大多数计算机用来向打印机传输数据，通常称为‘Centronics’方式，也称为标准方式。 • （2）RS-232串行接口 • 虽然现在有一些高速串行总线标准，但是RS-232依然是现代微机的标准串行口，一般提供两个插座，MS-DOS规定其设备名为COM1、COM2，现在仍沿用这些名称。也有主板只提供一个插座的情况。

  31. 2．IEEE1394、USB • （1）IEEE 1394总线 • 其实IEEE 1394是一种串行接口标准，这种接口标准允许把电脑、电脑外设、家电非常简单地连接起来，是一种连接外部设备的机外总线。 • （2）USB总线 • USB（Universal Serial Bus）称为通用串行总线，是由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC和NT（北方电讯）七家公司推出的新一代接口标准总线。

  32. 3．EIDE、SCSI • （1）EIDE接口 • 作为接口，包括了硬件和软件两部分：接口设备是硬件，接口信号规范标准是软件。基本的硬盘接口标准有四种，即ST506，IDE，ESDI，SCSI。 • （2）SCSI接口 • SCSI的原文是Small Computer SystemInterface，即小型计算机系统接口。SCSI也是系统级接口，可与各种采用SCSI接口标准的外部设备相连，如硬盘驱动器、扫描仪、光盘、打印机和磁带驱动器等。

  33. （1）EIDE接口 • 与IDE相比，EIDE有以下几个方面的特点： • ① 支持大容量硬盘，最大容量可达8.4GB，通过BIOS中对INT13H中断的处理，可支持超过100GB的容量。 • ②EIDE标准支持除硬盘以外的其他外设。 • ③ 可连接更多的外设，最多可连接四台EIDE设备。 • ④EIDE具有更高的数据传输速率。 • ⑤ 为了支持大容量硬盘，EIDE支持三种硬盘工作模式：NORMAL，LBA和LARGE模式。

  34. SCSI接口标准的主要特性如下： • SCSI是系统级接口，可与各种采用SCSI接口标准的外部设备相连，如硬盘驱动器、扫描仪、光盘、打印机、磁带驱动器、通信设备等。 • SCSI是一个多任务接口，具有总线仲裁功能。 • SCSI可以按同步方式和异步方式传输数据。 • SCSI可分为单端传送方式和差分传送方式。 • SCSI总线上的设备没有主从之分，相互平等。 返回本节

  35. 3.4 总线新技术 1．EV6与P4总线 2．PCI-X局部总线 3．NGIO总线 4．UMA总线 5．FUTURE I/O总线 返回本章首页

  36. 1．EV6与P4总线 • AMD公司在其最先推出的一款Athlon处理器上使用了一个200Mbps的前端总线，即Digital公司的Alpha总线协议Alpha EV6，其带宽较目前Intel的P6 GTL+ 总线协议大1倍，现在的Athlon采用266MHz的前端总线，峰值带宽可达2.1Gbps。 • AMD Athlon系统总线结构能够支持处理器物理可寻址存储器取8TB（1TB=1000GB）以上的数据，相比之下，PCI总线的结构则只可支持64GB的数据存取。 • 而Intel Pentium 4处理器则采用了NetBurst微型架构，沿用了多年的P6架构被取代。

  37. 2．PCI-X局部总线 • 为解决Intel架构服务器中PCI总线的瓶颈问题，Compaq、IBM和HP公司决定加快加宽PCI芯片组的时钟速率和吞吐量，使其分别达到133MHz和1Gbps。利用对等PCI技术和Intel公司的快速芯片作为智能I/O电路的协处理器来构建系统。这种新的总线称为PCI-X。

  38. 3．NGIO总线 • NGIO总线可以说是Intel公司推出的所谓下一代I/O总线结构，英文为NextGeneration Input/Output。 • 与其他总线结构有所区别，NGIO总线结构采用的是与传统共享总线不同的交换机制和系统主芯片连接的对等PCI总线。

  39. 4．UMA总线 • SGI公司提出的取代AGP的另一种方案，并于1996年推出了O2图形工作站，它采用的是UMA统一内存结构总线（Unified Memory Architecture）。 • 在UMA总线结构中，系统中所有的缓冲器合并成一个公共区，称为系统主存。 • 在UMA总线结构中，系统中所有的缓冲器合并成一个公共区，称为系统主存。 • UMA是多端口的存储器阵列，具有足够的带宽，能保证各系统不会造成数据阻塞。

  40. 5．FUTURE I/O总线 • Future I/O总线结构是与NGIO相竞争的另一种总线Future I/O，目前仍处在IBM、Compaq、HP等公司的研制开发中，据称其数据传输率可达10Gbps。 返回本节

  41. 3.5 认识主板 1．CPU插座（或插槽） 2．总线和总线插槽 3．主板电源插座 4．内存插槽 5．磁盘接口 6．主控芯片组 返回本章首页

  42. 7． BIOS芯片 8． CMOS芯片 9． 跳线或DIP开关 10．电池 11．各种外围设备输入输出端口 12．其他

  43. 图3-5 主板结构图

  44. 图3-6 DDR传输示意图 返回本节

  45. 3.6 主板结构 1．AT结构 2．Baby AT结构 3．ATX结构 4．Mini ATX结构 5．Micro ATX结构 6．LPX结构 7．NLX结构 8．Flex ATX结构 返回本章首页

  46. 3.7 主板控制芯片组 3.7.1 概念及结构 3.7.2 流行芯片组 3.7.3 BIOS与CMOS 返回本章首页

  47. 3.7.1 概念及结构 1．南、北桥结构 2．加速中心体系结构

  48. 1．南、北桥结构 • 顾名思义，南、北桥的结构一般是由两块芯片组成的芯片组结构，即北桥芯片（North Bridge）和南桥芯片（South Bridge）。简单地来说桥就是一个总线转换器和控制器。它实现各类微处理器总线通过一个PCI总线来进行连接的标准，可见，桥是不对称的。在桥的内部包含有兼容协议以及总线信号线和数据的缓冲电路，以便把一条总线映射到另一条总线上。北桥与南桥之间也通过PCI总线完成通讯。

  49. 北桥芯片主要负责管理CPU、内存与AGP接口间的数据传输，为Cache、PCI、AGP、ECC纠错提供工作平台。北桥芯片一般位于CPU插槽附近。北桥芯片主要负责管理CPU、内存与AGP接口间的数据传输，为Cache、PCI、AGP、ECC纠错提供工作平台。北桥芯片一般位于CPU插槽附近。 • 南桥芯片负责管理IDE、I/O设备接口，为高级电源管理、USB等提供工作平台。现在的南桥芯片也集成了多媒体功能，整和了AC97 2.0（满足PC98基本音频规范）/SoundBlaster兼容的音频处理等。

  50. 图3-7 南北桥结构的KT133芯片组

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