第 3 章总线和主板

第3章总线和主板 3.1 总线的基本概念 3.2 总线技术 3.3 常用系统总线 3.4 外部设备总线 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

本章学习目的 主板不但是整个电脑系统平台的载体，还负担着系统中各种信息的交流。总线是系统中传递各种信息的通道，也是微型计算机系统中各模块间的物理接口，它负责CPU和其它部件之间信息的传递。本章要点： • 总线的基本概念 • 微机总线技术 • 微机常用总线介绍 • 主板的组成、结构及主流最新主板返回本章首页

3.1 总线的基本概念 3.1.1 概述在微型计算机系统中，利用总线实现芯片内部、印刷电路板部件之间、机箱内插件板之间、主机与外部设备之间或系统与系统之间的连接与通信，总线结构对计算机的功能及其数据传输速度具有决定性的意义，总线设计直接影响计算机系统的性能、可靠性、可扩展性以及可升级性。发送数据的部件分时将数据发往总线，再由总线将该数据发给接收数据部件。总线仲裁电路对众多的设备数据传输请求进行优先级排队，使设备按策略依次使用总线，避免总线冲突。

3.1.2 总线的分类 根据连接部件的不同，总线可以分为内部总线、系统总线和外部总线。内部总线一般是芯片生产厂家完成，随着微电子技术的发展，借助于EDA(电子设计自动化)软件，系统设计者可以方便地设计符合要求的专用集成电路，片内总线设计成为必须。系统总线用于连接计算机内部系统板内各元件以及系统板与插件板之间的通信总线。系统总线通常采用同步、并行方式，数据传输速率较高，以提高系统的性能。微机的外部总线主要连接计算机的外部设备，外部总线的数据传输一般采用并行或串行方式，其定时方式采用同步或异步方式，数据传输速率较低。

3.1.3 总线的结构 图3-1示意了两种常见的总线系统结构。图3-1（a）是单总线结构，机器内部和外部只有一条总线，所有设备全部通过总线连接起来，存储器和I/O设备可以统一编址，I/O设备占用部分内存地址空间，访问I/O设备如同访问存储器一样。只是地址不同。其主要缺点是总线太忙，使得整个系统的效率比较低。图3-1(b)是一种多总线结构，它有两条专用总线(主存储器和I/O总线)，主存储器与CPU做在一块主机板上，并且通过专用的总线连接，提高了CPU与主存储器信息交换的速度。慢速外部设备通过I/O总线首先与I/O处理机交换信息，在合适时间，I/O处理机通过系统总线再与CPU交换数据。这样主存储器总线和I/O总线可以同时工作，提高了整机的速度。当前Pentium系列PC机总线结构主要采用多总线结构的总线，见图3-2所示。返回本章首页

3.2 总线技术 3.2.1 总线的基本功能总线是—种数据通道，由系统中各部件所共享。或者说，是在部件与部件之间、设备与设备之间传送信息的一组公用信号线。在主控设备的控制之下，将发送设备发出的信息准确地传送到某个接收设备的信号通路。从功能上看，总线分成三组：地址总线、数据总线和控制总线。地址总线的宽度指明了总线能够直接访问存储器的地址范围；数据总线的宽度指明了访问一次存储器或外部设备最多能够交换数据的位数；控制总线一般包括CPU与外界联系的各种控制命令，如输入输出读写信号、存储器读写信号、外部设备与主机同步匹配信号、中断信号和DMA控制信号等等。

3.2.2 总线的操作及其控制 总线操作Pentium微处理机系统中的各种操作，包括从CPU把数据写入存储器，从存储器把数据读到CPU，从CPU把数据写入输出端口，从输出端口把数据读到CPU，CPU中断操作，直接存储器存取操作，CPU内部寄存器操作等，本质上都是通过总线进行的信息交换，统称为总线操作。在同一时刻，总线上只能允许一对设备（或者部件）进行信息交换。当有多对设备（或者部件）都要使用总线进行信息交换时，只能采用分时方式交替使用总线。即将总线时间分成很多时间片，一个时间片可以完成一对设备（或部件）之间一次完整的信息交换，通常称之为一个数据传送周期或—个总线操作周期。

总线的操作及其控制 完成一个总线操作周期，一般要分成四个阶段。（1）总线请求和仲裁(Bus Request and Arbitration)阶段需要使用总线的多个（也可能只有一个）主控设备向总线仲裁机构提出使用总线的请求，由总线仲裁机构根据优先级确定，把下一个传送周期的总线使用权分配给哪个请求源。（2）寻址（Addressing)阶段取得总线使用权的主控设备，通过地址总线发出本次要访问的从属设备的存储器地址（或I/O端口地址）及有关命令，通过译码选定本次传送操作的从属设备，并开始启动。（3）数据传送(Data transferring)阶段主控设备和从属设备进行数据交换，数据由源模块发出，经数据总线传送到目的模块。在进行读传送操作时，源模块就是存储器或输入/输出接口，而目的模块则是总线主控设备CPU。（4）结束(Ending)阶段主控设备、从属设备的有关信息均从系统总线上撤除、释放总线，以便其它模块能使用总线。

总线的操作及其控制 总线上的主控设备、从属设备通常采用以下四种方式来实现对总线数据的传送的控制。（1）同步传送同步传送时利用精确稳定的系统时钟，作为各模块动作的基准时间。（2）异步传送同步传送要求总线上主、从设备操作速度要严格匹配。（3）半同步传送半同步传送是综合同步和异步传送的优点而设计出来的混合式传送。（4）分离方式在上面三种方式中，从主模块发出地址和读写命令开始，直到数据传输结束，整个传输周期中，系统总线完全由该主从模块占用。

3.2.3 总线的性能指标 （1）总线宽度总线宽度是总线能够同时传输的数据位数。位数越多，一次传输的信息就越多。（2）总线频率总线通常都有一个基本时钟，总线上其它信号都以这个时钟为基准，这个时钟的频率也是总线工作的最高频率。时钟的频率越高，单位时间内传输的数据量就越大。（3）单个数据传输周期数是指每个数据传输所用的时钟周期数。传输方式不同，单个数据传输周期数也就不同，每个数据传输所用的时钟周期数要大于等于1。（4）总线数据传输速率是总线最关键的一项技术指标，可以通过带宽(Band width)来描述。返回本章首页

3.3 常用系统总线 3.3.1 系统总线标准总线标准是计算机各个部件之间的互联规范，由国际标准化组织制定。总线标准规范计算机系统总线的设计，提高可互换性和可维护性，增强计算机系统的性能和可靠性。总线标准必须有详细和明确的规范说明，其主要内容包括：（1）物理特性。定义总线物理形态和结构布局，规定总线的形式(电缆、印制线或接插件)以及具体位置等。（2）机械特性。定义总线机械连接特性，机械性能包括接插件的类型、形状、尺寸、牢靠等级、数量和次序。（3）功能特性。定义总线各信号线功能，不同信号实现不同功能。（4）电气特性。定义信号的传递方向、工作电平、负载能力的最大额定值等。

3.3.2 ISA和EISA总线 最早的PC总线是IBM公司于1981年推出的基于8位机PC/XT的总线，称为PC总线。1984年IBM公司推出了16位PC机PC/AT，其总线称为AT总线。然而IBM公司从未公布AT总线规范。为了能够合理地开发外插接口卡，由INTEL公司、IEEE和EISA集团联合开发了与IBM AT原整机总线意义相近的ISA总线(Industry Standard Architecture，工业标准结构总线)，ISA总线有98根引脚IBM AT计算机扩展总线设计，采用16位总线，有几个8位插槽用于向下兼容。AT总线增加了数据总线带宽一倍以上，地址总线增加到24线，足以对16兆内存寻址。向下兼容性是通过在原8位62线连接器上增加一个附加的连接器而来实现。还增加了若干新的中断请求(IRQ)线和直接存储器存取(DMA)控制线。

1．ISA总线的主要特点及性能指标 1 I/O地址空间为0100H-03FFH 2 24位地址线可直接寻址的内存容量为16MB 3 8/16位数据线 4 62+36引脚 5 最大位宽为16位 6 最高时钟频率为8MHz 7 最大稳态传输串16MB/s 8 中断功能 9 DMA通道功能 10 开放式总线结构，允许多个CPU共享系统资源

2．EISA总线的主要特点及性能指标 1 开放式结构。EISA和ISA兼容，现有的ISA扩充板可以用于EISA总线上 2 32位地址直接寻址范围为4GB 3 32位数据线最大时钟频率为8.3MHz 4 程序可以采用边沿或电平方式控制中断的触发 5 能够通过软件实现系统板和扩展板的自动配置功能 6 扩展及增加DMA仲裁能力，使最大传输率为33MB/s 7 规定总线裁决采用集中方式进行，使得EISA总线有效地支持构成多微处理器系统

3.3.3 PCI总线 PCI总线是32/64位标准总线。PCI总线采用与CPU隔离的总线结构，能与CPU并行工作。具有适应性强、速度快的特点，适用于Pentium以上的微型计算机。时钟频率为66MHz时，PCI总线传输速率达533Mb/s。 1．概述图形处理、多媒体应用要求微型计算机具有快速的大容量存储和高总线带宽。微型计算机的CPU、内存、显示卡、硬盘等关键部件在性能上已有了很大的提高，原有ISA、EISA总线已成为微型计算机系统的瓶颈之一，为此研制了PCI总线。 PCI总线不依附具体处理器，PCI是存在于CPU和原来的ISA系统总线之间的另一种总线，由一个桥接电路实现这个中间层的管理及数据接口，桥接电路能够提供信号缓冲，能够支持10种类型的外设接口，能在较高时钟频率下保持高性能。PCI总线支持总线主控技术，允许智能设备按需取得总线控制权，以加速数据传送。

PCI总线 PCI接口内置系列寄存器，系列寄存器依据内置参数将PCI配置到计算机系统中，实现即插即用。 PCI总线的主要特点是： 1 独立于处理器，支持80多个总线功能。总线频率33/66MHz，低功耗。 2 并行总线操作可以在所有读写交易中实现突发传送，实行隐式总线仲裁。 3 地址、命令、数据奇偶校验。 4 存储器、I/O、自功配置地址空间及寄存器，全面支持PCI总线主设备。 5 电平中断，支持多源共享中断。 6 规范的PCI连接器和插卡定义。 PCI的地址总线和数据总线采用多路复用方式，包含32/64位数据(地址)总线。

2．PCl总线结构连接方式 PCI总线的连接方式如图3-3所示。

3．PCI总线的中断和仲裁 在多个主设备的PCI系统中。总线主设备使用总线，必须向总线仲裁器申请总线使用权。 PCI总线支持INTA—INTD四种中断。PCI设备接口可以使用INTA、只有多功能接口可以使用其他三种中断。依据BIOS的设置，这些中断可以被PCI桥接器导人IRQＸ中断中的一个，可以将l00Mb/s以太网卡触发中断INTA，该中断被导入IRQ10。

4．PCI接口的配置寄存器 每个PCI接口都有256B的配置存储器，每4B构成寄存器。配置存储器的前64B的预定义信息区的数据信息由PCI-SIG组织进行预定义；后192B特殊配置数据区的数据信息由生产厂家定义，主机系统通道配置存储器信息来配置操作系统，实现PCI接口的即插即用特性。

5．I/O寻址 标准IBM PC机的I/O寻址范围是0000H-0FFFFH，需要16位地址线，PCI总线支持32/64位寻址。PCI设备可以按以下两种方式进行配置。 1 通过标准地址0CF8H和0CFCHI配置PCI设备。其中地址为0CF8H的4B称为配置地址寄存器，用于访问配量地址区域；0CFCH的4B称为配置数据寄存器，用于从PCI设备的配置存储器中读/写32位数。 2 映射设备。将PCI设备映射到0C000-0CFFFH的4KB I/O空间。

3.3.4 AGP总线 1．概述 AGP是为提高视频带宽而设计的总线规范。AGP插槽可插入规范的AGP特殊显示卡。其视频信号的传输速率可以从PCI的133Mb/s提高到266Mb/s(1x模式)、533Mb/s(2×模式)、1066Mb/s(4×模式)或2133Mb/s(8x模式)。严格说来，AGP不能称为总线，它仅在AGP控制芯片和AGP显示卡之间提供了点到点的连接。

2．AGP的性能特点 AGP以66MHz PCI Rev2.1规范为基础。在此基础上扩充了以下主要功能： 1.数据读写操作的流水线操作。流水线操作是AGP提供的针对主存的增强协议。 2.具有2x、4x、8x数据传输频率。 3.直接内存执行DIME。存入系统内存，让出帧缓冲区和带宽供其它功能使用。 4.地址信号与数据信号分离。 5.并行操作在CPU访问系统RAM的同时允许AGP显示卡访问AGP内存，显示卡可以独享AGP总线带宽，从而进一步提高了系统性能。

3．AGP的工作模式　由表3-1可知，要达到良好的3D图形处理能力，应该采用2x以上的工作模式。

3.3.5 新型总线PCI Express 1．PCI Express技术特点串行差分技术可扩展带宽模式内建时钟与8b/10b编码

2．PCI Express的系统结构 PCI Express的系统结构采用和OSI网络模型相类似的分层模型

PCI Express的系统结构 ①物理层 PCI Express的物理连接由一对分离驱动收发器组成，分别负责发送和接收数据，物理层内置有嵌入式的数据时钟信号。物理层提供2.5Gb/s/通道的通信速率，随着微电子技术的发展将达到10Gb/s。物理层为链路层提供了透明的传输数据包的服务。

PCI Express的系统结构 ②数据链路层链路层的首要任务就是确保通过PCI Express连接传输的数据包的高度可靠性。链路层为每—个来自事务处理层的数据包增加顺序号和CRC校验码，通过对顺序号和CRC校验码的检测，链路层将自动请求重发以实现数据的完整性。

PCI Express的系统结构 ③事务处理层事务处理层接收来自软件层的读写请求并构造发送到链路层的请求数据包。所有的请求都被分离处理成若干个数据包，其中一部分数据包需要目的设备回送响应数据包。事务处理层接收来自链路层的响应数据包并把它们与原有的读写请求数据包相匹配。每个数据包都会有一个惟一标识符以保证响应数据包能够和原始请求数据包有序对应。

PCI Express的系统结构 ④软件层软件层主要包括初始化和运行时两个方面。PCI Express体系结构完全兼容PCI的I/O设备配置空间和可编程性，所有支持PCI的操作系统无需作修改就能支持基于PCl Express的平台。PCI Express兼容PCI所支持的运行软件模型。而PCI Express所提供的新特性只在一些新型设备中才会得到应用。

3．PCI Express的前景 CI Express主要应用于台式机、服务器、通信和嵌入式系统中，PCI Express将全面取代PCI而成为下一代I/O总线标准。 PCI Express常见插槽分类及主要性能见表3-3 返回本章首页

3.4 外部设备总线 3.4.1 通用串行总线（USB） 1．概述 USB是INTEL与多家公司共同开发的一种外设连接技术，旨在促进PC总线的标准化，加速新标准的制订和产品开发。其开发目标是发展一种兼容低速和高速技术，可以为广大用户提供一种可共享、可扩充、使用方便的串行总线。

2．USB的特点 USB的显著特点是易于使用、对用户隐藏技术实现细节、应用于不同领域，具有足够的带宽以适应数据传输应用的要求。具有高可靠性、设备与系统相互独立等。 • 易于使用 • 速度较快 • 可靠性高

3．USB的技术指标 USB的主要技术指标如表3-4所示。

4．USB的总线拓扑结构和连接形式 USB总线是多层星形拓扑结构。 USB设备划分成集线器和功能部件两类 USB采用主从式总线协议，在USB总线上只有一个主设备和若干从设备，主设备称为主机，从设备称为USB设备。 USB主机为USB主控制器，集线器集成在主机系统中，承担以下几点工作。 ①检测USB设备的插入和移出。 ②USB主机与USB设备之间管理数据流。 ③进行错误检查。 ④提供电源。

USB设备 USB设备分为集线器和功能设备。集线器可以发现下行端口上的设备插人或移出操作，并为下行设备分配电源。每一个下行端口都可以分别配置为全速或低速，集线器可以把低速端口与全速率信号分离开来。功能设备是指可以从USB总线上接收、发送数据或控制信息的USB设备。一个功能设备由一个独立的外围设备实现，通过一根电缆接到集线器的一个端口。设备不能主动发起一次USB通信，它必须等待主机并响应主机发起的通信。

USB设备 设备在USB中的承担为以下几点功能。 ①检测与自己的通信。 ②标淮请求响应。 ③错误检查。 ④管理电源。

5．USB的现状与发展 在系统软件方面，Micosoft公司在Windows 98和WindowsNT/2000/XP操作系统中全都内置了支持USB标准的能力，并且为USB开发了相应的驱动程序和支持软件；Linux操作系统在内核2.4版本也加入对USB接口的支持；计算机厂商生产的新主板几乎都带有2~6个USB端口；不少外部设备厂商纷纷推出了带有USB端口的键盘、鼠标、活动硬盘、扫描仪、Modem和游戏操纵杆等。 USB2.0标准的最高传输速率达高到480Mb/s，基本能够满足目前绝大多数外设的要求。采用USB2.0接口的数码相机、外置硬盘等产品也已推向市场。

3.4.2 IEEE 1394总线 1．概述 IEEE1394又被称为火线(firewire)、i.link和Lynx，是一种高速、实时串行总线标准。 2．IEEE1394的特点 IEEE1394协议栈的总体框架采用开放式主机控制器接口(OHCI)规范 ①IEEE1394协议物理层 ②链路层物理层和事物层间的接口 ③事物层 ④串行总线管理层 ⑤应用层协议

3．网络拓扑结构与工作机理 1394网络由网段和节点构成，每个网段(即一条总线端口)可包含64个节点(0～63)，其中节点63用作公共的广播解址节点，故一条总线可连接63台设备。1394网络允许最多1024个网段，网段间可用网桥互连，所以共可连接64512(1024×63)台设备，拓扑结构为树型或菊花链型。

4．优点分析 ①带宽优势　 ②支持同步和异步混合传输，异步传输主要适用于随机数据的可靠传输。 ③灵活的点对点式通信架构(peer to peer) 返回本章首页

3.5 认识主板 主板的英文名称叫做Motherboard，也可以译做母板。从“母”字可以看出主板在电脑各个配件中的重要性。主板不但是整个电脑系统平台的载体，还负担着系统中各种信息的交流。好的主板可以让电脑更稳定地发挥系统性能，反之，系统则会变得不稳定。

3.5.1主板的构成 主板的平面是一块PCB印刷电路板，分为四层板和六层板。

3.5.2芯片部分　 1．BIOS BIOS是英文“Basic Input Output System”的缩略语，直译过来后中文名称就是“基本输入输出系统”。意思是只读存储器基本输入输出系统。其实，它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、系统设置信息、开机上电自检程序和系统启动自举程序。其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。

BIOS的功能 （1）自检及初始化（2）程序服务处理（3）硬件中断处理

2．南北桥芯片 Intel的早期芯片组以及其它生产厂商的大多数芯片组采用这种结构，包括北桥和南桥两部分，芯片组的名称通常以北桥芯片的名称来命名。北桥芯片通常负责CPU、内存和显卡三者间的“交通协调” ，也决定了对这些部件的支持规格情况，整合型芯片组的北桥芯片集成了图形芯片；南桥芯片不与处理器直接相连，而是通过一定的方式与北桥芯片相连，南桥芯片负责外部设备的数据处理与传输，也决定了主板对这些设备的支持规格情况，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，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上。

3．RAID控制芯片 　相当于一块RAID卡的作用，可支持多个硬盘组成各种RAID模式。目前主板上集成的RAID控制芯片主要有两种：HPT372 RAID控制芯片和Promise RAID控制芯片。

3.5.3插拔部分 （1）内存插槽（2）AGP插槽　　　（3）PCI插槽　　（4）CNR插槽

3.5.4接口部分 （1）IDE接口（2）软驱接口（3）COM接口（串口）　（4）PS/2接口　　　　（5）USB接口　（6）LPT接口（并口）　　（7）MIDI接口　　返回本章首页

3.6 主板结构 为了提高微机系统的整体性能，规范系统的接口标准，当微处理器发展到五代，第六代时，根据各部件处理或传输信息的速度快慢，采用了更加明显的三级总线结构，即CPU总线（HOST BUS），局部总线（PCI总线）和系统总线（一般是ISA）。其中，CPU总线为64位数据线，32位地址线的同步总线，66MHz或100MHz的总线时钟频率。PCI总线为32位或64位数据地址分时复用同步总线，PCI局部总线作为高速的外围总线不仅能够直接连接高速的外围设备，而且通过桥芯片和更高速的CPU总线系统总线相连。　

3.6.1南北桥结构的主板结构 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。　

第 3 章总线和主板