第12章芯片组性能特点与微型机ppt课件

1、第12章 芯片组性能特点与微型机体系结构 80 x8680 x86系列微型计算机系列微型计算机12. 1 芯片组的性能特点芯片组的性能特点 l早期的主板：早期的主板：l 布满了分立元器件和芯片能耗大、可靠性低）。布满了分立元器件和芯片能耗大、可靠性低）。l 随着微电子技术的发展：随着微电子技术的发展：l 从从 386/486 微型机开始微型机开始 ，大部分芯片的功能集成到，大部分芯片的功能集成到l 24 块芯片中，这一组芯片就称为块芯片中，这一组芯片就称为 芯片组芯片组 ( Chipset )。l芯片组芯片组 是构成主板控制电路的核心，是构成主板控制电路的核心，l 芯片组与主板的关系就像芯片组

2、与主板的关系就像 CPU 与与 整机整机 的关系一样，的关系一样，l 它提供主板上的核心控制逻辑。它提供主板上的核心控制逻辑。l 除了除了 CPU 以外，主板上的所有控制功能几乎都集成在芯片组以外，主板上的所有控制功能几乎都集成在芯片组内。内。l 采用芯片组的类型直接影响到主板甚至整机的性能。采用芯片组的类型直接影响到主板甚至整机的性能。12.1.1 芯片组的功能芯片组的功能 (1) 提供对提供对 CPU 的支持的支持 (2) 提供对内存的管理提供对内存的管理 (3) 提供对提供对 Cache 的管理与控制的管理与控制 (4) 提供标准机用提供标准机用 IO 控制控制, 如如: 中断控制器、定

3、时器、中断控制器、定时器、 DMAC、实时时钟、实时时钟RTC）、）、 键盘接口芯片键盘接口芯片KBC等等 。 (5) 提供对各种标准总线的提供对各种标准总线的 IO 扩展槽的控制。扩展槽的控制。 12.1.2 芯片组的厂商芯片组的厂商 主要有两大系列产品阵营针锋相对，主要有两大系列产品阵营针锋相对，一方是世界首屈一指的主流芯片组生产厂商一方是世界首屈一指的主流芯片组生产厂商 Intel.另一方则是后起之秀非另一方则是后起之秀非 Intel 的兼容芯片生产厂商的兼容芯片生产厂商VIA (威盛威盛)、SiS (矽统矽统)、Ali (扬智扬智) 以及以及 AMD 公司。公司。 VIA，SiS，AL

4、i 三家同为中国台湾厂商，三家同为中国台湾厂商， 目前目前 VIA 已跨入了主流芯片组生产厂商的行列，可以已跨入了主流芯片组生产厂商的行列，可以 与与 Intel 芯片组平分天下。芯片组平分天下。 1.Intel系列芯片组系列芯片组 lPentium ( 或或 586 ) 级：级：l 主板芯片主板芯片 430 系列芯片组。系列芯片组。lPentium PRO 和和 Pentium以上级别：以上级别：l 主板芯片主板芯片 440 系列芯片组系列芯片组l 和和 810、820、815、840、850 系列芯片组。系列芯片组。 2.非非 Intel 系列芯片组简介系列芯片组简介l非非 Intel 系

5、列的芯片组生产厂商主要有：系列的芯片组生产厂商主要有：l VIA、SiS 和和 Ali 以及以及 AMD 公司，公司，l 其芯片组产品可以支持到目前为止所出现其芯片组产品可以支持到目前为止所出现的各种档次、各个系列的的各种档次、各个系列的 586 以上的各种以上的各种 CPU ( 包括包括 Intel 的的 P54C、P55C、Celeron、Pentium；AMD的的 K5、K6、K62、K6、K7 等全系列的等全系列的 CPU )。1.基于基于 Socket7 接口的芯片组接口的芯片组 （1Intel 430HX 芯片组芯片组 包括：北桥包括：北桥82439HX），系统控制器），系统控制器

6、 南桥南桥82371SB），），PCI 及及 I/O 接口接口 （2Intel 430TX 芯片组芯片组 Socket7：使应用程序能够读写与收发通讯协定：使应用程序能够读写与收发通讯协定 与资料的程序。与资料的程序。注注2.基于基于Slot1接口的芯片组接口的芯片组(1) Intel 440LX芯片组芯片组 Intel 440LX 是第一款成熟的基于是第一款成熟的基于 Slot1 平台的芯平台的芯片组，专门为片组，专门为 Pentium设计。设计。改进：改进： 为大流量数据传输为大流量数据传输 和和 并行操作提供了崭新并行操作提供了崭新 的解决方案。的解决方案。 第一次把第一次把 AGP 技

7、术带到了技术带到了 Intel 的的 Slot1 平平台中，为台中，为 PC 图形处理的发展开辟出了一条可行之路。图形处理的发展开辟出了一条可行之路。 加速图形接口加速图形接口Intel 440LX 芯片组包括：芯片组包括： 北桥芯片北桥芯片 82443LX492引脚、引脚、BGA封装）封装） 功能：提供了总线接口、功能：提供了总线接口、 AGP加速图形接口、加速图形接口、 内存管理等功能。内存管理等功能。 南桥芯片南桥芯片 82371AB324脚脚 、BGA封装）。封装）。 功能：提供了功能：提供了PCI - ISA 桥接器、桥接器、 DMA 控制器、控制器、 即插即用等功能。即插即用等功能

8、。2.基于基于 Slot1 接口的芯片组接口的芯片组(2) Intel 440BX 芯片组芯片组过低的系统时钟频率降低了系统的数据传输率，过低的系统时钟频率降低了系统的数据传输率，限制了限制了CPU 主频的提升，对系统性能有很大主频的提升，对系统性能有很大的影响。的影响。Intel 于于 2019 年年 4 月推出了月推出了440BX 芯片组，这芯片组，这是第一款支持是第一款支持 1OOMHz 外频的基于外频的基于Slot1结结构的芯片组。构的芯片组。 北桥芯片主要功能北桥芯片主要功能 北桥芯片北桥芯片( 或主桥芯片，或主桥芯片，Host Bridge) 82443 BX 的功能主要包括：的功

9、能主要包括： 最多支持最多最多支持最多 4 个个 Pentium 处理器，处理器， 也可以支持各种也可以支持各种 Celeron 处理器赛扬）处理器赛扬） ( 包括最新的包括最新的 Celeron 370)。北桥芯片主要功能北桥芯片主要功能 64 位总线接口，最大总线工作频率为位总线接口，最大总线工作频率为 100MHz， 133 MHz 数据传输的数据传输的 AGP 接口。接口。 64 位主内存接口，为位主内存接口，为 SDRAM 优化。优化。 82443BX 芯片内集成的芯片内集成的 内存控制器，支持：内存控制器，支持： 内存类型：内存类型：SDRAM或或 EDO DRAM (笔记本电脑专

10、用笔记本电脑专用)； 内存容量：最高可达内存容量：最高可达1GB； 寻址类型：对称和非对称寻址；寻址类型：对称和非对称寻址； 支持支持 ECC 内存。内存。同步突发内存同步突发内存（采用多体存储器结（采用多体存储器结构和突法发模式）构和突法发模式）扩展数据输出动扩展数据输出动态随机内存态随机内存北桥芯片主要功能北桥芯片主要功能 32 位主位主 PCI局部总线接口，集成了局部总线接口，集成了 PCI 仲裁器仲裁器 ( Arbiter )。 支持支持 突发读写突发读写 和和 并发工作方式，支持多主控设备与并发工作方式，支持多主控设备与 CPU 时钟时钟 无关无关 ）。）。 133MHz 数据传送能

11、力的数据传送能力的 AGP 接口，接口，AGP 规格规格 1.0 版本。版本。 支持同步支持同步 AGP 接口，接口， 理论上可达到理论上可达到 533MBs 的数据传输速率的数据传输速率 ( 即即 AGP2X 方式方式 )。 在所有接口之间都具有数据缓冲器，在所有接口之间都具有数据缓冲器， 以适应以适应 高数据流量高数据流量 和和 并发操作并发操作 的需要。的需要。 支持深绿电源管理功能。支持深绿电源管理功能。为支持为支持Pentium 微处理器的微处理器的资源联合制定的总线标准资源联合制定的总线标准将总线分为不同档次：将总线分为不同档次： CPU 与主存之与主存之间粗度最快；间粗度最快；可

12、连接快速卡图形加速可连接快速卡图形加速卡）、通过卡）、通过IDE、SCSI控制器连接高速硬控制器连接高速硬盘盘通过通过PCI 桥与桥与 ISA 总线设备相连。总线设备相连。南桥芯片主要功能南桥芯片主要功能 南桥芯片南桥芯片 82371EB ( IO芯片芯片 ) 功能：功能： PCI-ISA 桥接器，桥接器，PCI 2.1 版本，支持版本，支持 3.3V 和和 5V、总线时钟频率为、总线时钟频率为 33MHz PCI设备。设备。 支持绿色电源管理功能。支持绿色电源管理功能。 增强的增强的 DMA 控制器、中断控制器和计时器。控制器、中断控制器和计时器。外部设备互连总线外部设备互连总线早期早期 P

13、C 机系统机系统总线总线8位、位、16位）位）南桥芯片主要功能南桥芯片主要功能 集成的集成的 IDE 控制器，控制器， 支持支持 Ultra DMA-33 高速硬盘接口。高速硬盘接口。 通用串行总线通用串行总线 USB 控制器，控制器， 支持两个支持两个 USB 端口。端口。 系统管理总线，支持系统管理总线，支持 DIMM 内存条插槽。内存条插槽。 支持外部支持外部 IO APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller），）， （高级可编程中断控制器（高级可编程中断控制器)部件。部件。 支持即插即用支持即插即用 ( Plug and Play)

14、。 8088体系3.基于基于Socket 370接口的芯片组接口的芯片组（1Intel 440ZX芯片组芯片组（2Intel 810芯片组芯片组810芯片组的种类芯片组的种类 i810-L：这是：这是810系列芯片组中最低档的一种。不支持系列芯片组中最低档的一种。不支持Ultra DMA-66，只支持，只支持Ultra DMA-33，不带，不带 4MB 显存。显存。 i810：这是：这是810系列芯片组中的标准版本。支持系列芯片组中的标准版本。支持Ultra DMA-66， 也不带也不带4MB显存。显存。 i810-BCl00：目前最常用的一种。支持：目前最常用的一种。支持Ultra DMA-

15、66，并带有，并带有 4MB显存，但是只有显存，但是只有A3版本才支持版本才支持Intel的基于的基于 Slot1平台的各种平台的各种CPU。 以上三种以上三种 810芯片组，是芯片组，是Intel较早发布的几款产品，支持的外频较早发布的几款产品，支持的外频均为均为100MHz，芯片组内都集成，芯片组内都集成i752图形加速芯片。图形加速芯片。 i810E：810系列芯片组中最高档的一种产品，于系列芯片组中最高档的一种产品，于2019年年9月月 上市。它除了支持上市。它除了支持UltraDMA-66，并带有，并带有4MB显存外，显存外， 还支持还支持Intel最新的最新的133MHz外频的外频

16、的Pentium处理器。处理器。 （3i815芯片组芯片组lIntel后来推出i815芯片组，它是主流微机配备的系统支持芯片组，是在i810E的基础上改进而来的，支持PCI33同步内存，但其内建的图形芯片还是i752，但支持AGP4X，可另插所需的3D显示卡。Intel815系列芯片组有两个品种，815E和815EP。815E内部集成成图形显示部件，815EP去掉了不受欢迎的内部图形显示部件。 (4)i820芯片组芯片组l820芯片组是继440BX芯片组推出一年半以后的第一个换代产品，而且是定位在高档的主流PC市场。820芯片组侧重的是性能，价格因素并未做太多的考虑，而810芯片组侧重的是价格

17、。l由于820芯片组的定位太高，与之配套的Rambus内存价格太高，加之一些其他方面的原因，使得820芯片组没有推开而退出市场。（5i840芯片组芯片组l这是Intel继440GX(专为服务器市场研制的芯片组，装机市场用得很少)之后发布的又一款用于服务器和高档工作站的高档芯片组。它由MCH芯片FW82840、ICH芯片 FW82801AA、FWH芯片82802AB和P64H芯片FW82806AA组成。除具有i820芯片组的功能外，还支持双通道Rambus DRAM和对称多处理器，通过附加的MFH芯片，可以支持SDRAM。4. i850芯片组芯片组 lInteli850芯片组是由Intel公司专

18、门为Pentium4 CPU设计的。主要是为了适应RAMBUS内存构架推出的Intel i850芯片组。该芯片组仍然使用了Intel的HUB结构，包括850MCH(MemoryControllerHub)、ICH2(IO Controller Hub)和FWH(Pirmware Hub)三部分。850MCH(Intel 82850)全称内存控制器中心，在Pentium 4主板上占据相当于北桥芯片的位置，Intel对它的功能重新进行了定义，同时也采用了最新的FC-BGA封装技术，使它看上去像一颗小型CPU。ICH2(Intel82801BA)是输入输出控制中心，而FWH是固件控制器，用于存放BI

19、OS，并且整合了随机数生成器功能。 12.2 微型机基本体系结构微型机基本体系结构12.2.1 8088 PC/XT结构结构12.2.2 PC/AT总线结构总线结构 分立元件型体系结构分立元件型体系结构 分立元件型驻存管理程序驻存管理程序（上电自捡、体系结构引导、日时（上电自捡、体系结构引导、日时钟管理、基本钟管理、基本I/O设备驱动程序）设备驱动程序）1体系结构支持芯片l数值运算协处理器数值运算协处理器 80287；l时钟发生器时钟发生器 8284 ；l两个级连的中断控制器两个级连的中断控制器 8259；l一个定时控制器一个定时控制器 8254；l两个级连的两个级连的 DMA 控制器控制器

20、8237；l总线控制器采用总线控制器采用 8288lDMA 页面寄存器页面寄存器 74LS61212.2.3 386/486 体系结构体系结构l芯片组型芯片组型l它的体系结构支持芯片用几个多功能芯片组成的芯片它的体系结构支持芯片用几个多功能芯片组成的芯片组来替代组来替代 PCXT 机中的多个单功能芯片。机中的多个单功能芯片。 l比如，在比如，在 80386 微机中采用了由微机中采用了由 85C310 Cache存存储器控制器、储器控制器、85C320 AT总线信号控制器、总线信号控制器、85C330数据缓冲器和数据缓冲器和 82C206 集成外围控制器组成的芯片组。集成外围控制器组成的芯片组。

21、其中，其中，82C206 提供和提供和 8088 体系结构兼容的体系结构兼容的 7个个DMA通道、通道、13个中断请求、个中断请求、2个定时器计数器、一个定时器计数器、一个实时钟和一个存储器映像器个实时钟和一个存储器映像器 .芯片组型芯片组型12.2.4 80486 EISA总线微型机体系结构总线微型机体系结构 l在在Intel公司，公司，l 继继ISA后推出后推出EISA(扩展工业标准结构扩展工业标准结构)总线标准，总线标准，l 特点：支持突发式特点：支持突发式 DMA 数据传输协议，数据传输协议，l 总线时钟为总线时钟为 8MHz，l 总线宽度为总线宽度为 32 位。位。l 其最高总线传输

22、率为其最高总线传输率为 33MBs。l 在功能上、电气连接上及物理上保持与在功能上、电气连接上及物理上保持与PCXT、l PCAT ISA总线的兼容性。总线的兼容性。 以以 80286 为为 CPU用于用于32位机中位机中（支持数据猝发式数据传送、（支持数据猝发式数据传送、32位位寻址、与寻址、与ISA兼容）兼容）12.2.5 Pentium微型机的体系结构微型机的体系结构l微机体系结构发生了革命性的变化：l 改变了主板总线结构。为了提高微机体系结构的整体性能，规范体系结构的接口标准，根据各部件处理或传输信息的速度快慢，l采用了更加明显的三级总线结构：l CPU总线(Host Bus)、l 局

23、部总线(PCI总线)l 体系结构总线(一般是ISA)。 三级总线结构三级总线结构lCPU总线为总线为64位数据线、位数据线、32位地址线的同步总线，位地址线的同步总线，66MHz或或100MHz总线时钟频率；总线时钟频率；lPCI总线为总线为32位或位或64位数据地址分时复用同步总线。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高速的外围设备，而且通过桥芯片和更高速的CPU总总线与体系结构总线相连。线与体系结构总线相连。l体系结构总线仍为体系结构总线仍为16位数据线、位数据线、20

24、位地址线。位地址线。l外围总线由低速总线发展到高速的外围总线由低速总线发展到高速的PCI总线，这一结总线，这一结构的改变，微型机性能的提高起了很重要的作用。构的改变，微型机性能的提高起了很重要的作用。 南北桥结构南北桥结构 l三级总线之间由更高集成度的多功能桥路芯片三级总线之间由更高集成度的多功能桥路芯片组成的芯片组相连，形成一个统一的整体。组成的芯片组相连，形成一个统一的整体。l桥路芯片起到信号速度缓冲、电平转换和控制桥路芯片起到信号速度缓冲、电平转换和控制协议转换的作用。协议转换的作用。通用串行总线通用串行总线12.2.6 Pentium微型机体系结构微型机体系结构l图12.6所示的是由I

25、ntel公司南北桥结构的芯片组440BX所组成的Pentium微机的体系结构。440BX芯片组主要由两块多功能芯片组成。其中，北桥芯片82443BX集成有CPU总线接口，支持单、双处理器，双处理器可以组成对称多处理机(SMP)构造；同时82443BX还集成了主存控制器、PCI总线接口、PCI仲裁器及AGP接口，并支持体系结构管理模式(SMM)和电源管理功能。它作为CPU总线与PCI总线的桥梁。l南桥芯片是82371EB芯片。该芯片组集成了PCI-ISA连接器、IDE控制器、两个增强的DMA控制器、两个8259中断控制器、82538254时钟发生器和实时时钟等多个部件；另外还集成了一些新的功能，

26、如USB控制器、电源管理逻辑及支持可选的FOAPIC等。通过USB接口，可以连接很多外部设备，比如拥有USB接口的扫描仪。打印机、数码相机和摄像头等等。82371EB作为PCI总线和ISA总线的桥梁。 lAGP总线 l (1)采用双重驱动技术。由于采用新的低电压规范，允许在一个66MHz的总线时钟l内传输一次或两次数据，即在AGP时钟信号的上沿和下沿都进行32位数据传输，从而将有效带宽提高4倍而达到512MBs甚至1GBs。l (2)采用带边信号传送技术。在总线上调制地址与数据的多路复用，在这种方法中控l制信号不通过数据总线而是通过单独的总线来传输，从而把整个32位PCI总线留出来给图形加速器

27、，这也是对PCI总线的一种改进。l (3)采用内存请求流水线技术。采用深度流水线读、写操作，隐含了对存储器访问造成的延迟。这种方法允许体系结构处理图形控制器对内存进行的多次请求。如果一个先前的内存请求处于挂起状态，PCI总线将迫使图形控制器暂停对内存的请求，这种暂停访问内存的方法会使本来已经存在的内存请求延时变得更长。通过内存的流水线策略，对各种内存请求进行排队来减少延时，一个典型的排队可处理12个以上的请求。从而大大加快了数据传输的速率。l(4)减少对PCI总线的传输压力。 12.2.7 中心结构的中心结构的PentiumIII微型机体系微型机体系结构结构l南北桥结构尽管能够为外围设备提供高

28、速的外围总线，但是南北桥芯片之间也是通过 PCI总线连接的，南北桥芯片之间的频繁数据交换必然使得PCI总线信息通路依然呈现一定的拥挤，也使得南北桥芯片之间的信息交换受到一定的影响。为了克服这个问题，同时也为了进一步加强PCI总线的作用，Intel公司从810芯片组开始，就放弃了传统的南北桥结构， 而采用中心结构.中心结构中心结构中心结构中心结构构成这种结构的芯片组主要由三个芯片组成：构成这种结构的芯片组主要由三个芯片组成：存储控制中心存储控制中心MCH (Memory Controller Hub) ； 提供高速的提供高速的AGP接口、动态显示管理、电源管理和内存接口、动态显示管理、电源管理和

29、内存管理功能。管理功能。IO控制中心控制中心 ICH (IO Controller Hub)： 提供音频编码和调制解调器编码接口、提供音频编码和调制解调器编码接口、IDE控制器提供控制器提供高速磁盘接口、高速磁盘接口、2个或者个或者4个个USB接口、局域网络接口以接口、局域网络接口以及和及和PCI插卡之间的连接。插卡之间的连接。固件中心固件中心FWH(Firm ware Hub) 包含了主板包含了主板BIOS和显示和显示BIOS以及一个可用于数字加密、以及一个可用于数字加密、安全认证等领域的硬件随机数据发生器。安全认证等领域的硬件随机数据发生器。 lMCH的用途是提供高速的AGP接口、动态显示管理、电源管理和内存管理功能。lMCH与CPU总线相连，负责处理CPU与体系结构其他部件之间的数据交换。l在某些类型的芯片组中，MCH还内置