元件和主板架构

1、1常用电子元器件介绍常用电子元器件介绍封装封装电子元器件和主板架构介绍电子元器件和主板架构介绍总线结构总线结构CPU芯片组芯片组BIOS传统传统I/O接口接口音频与网络音频与网络 概述概述 电阻电阻 电容电容 电感电感 二极管二极管 三极管三极管 MOSFET 晶体振荡器晶体振荡器2概述概述电子元件是一个最基本的电子部分，它通常以离散的形式封装，并引出两个或多个引脚，通过焊接在PCB板上，来实现电气连接，从而实现特殊的电路功能。3各种不同的元件电阻电阻4普通电阻普通电阻排阻排阻 电阻电阻(Resistor)是一个双极电子元件，它两端会产生一个与电流成正比的电压降从而用来阻碍电流。主板上最常用的

2、是普通电阻普通电阻和排阻排阻。电解电容电解电容贴片电容贴片电容电容电容(Capacitor)是个由两个导体和介于两导体之间的绝缘层组成的电子元件。当两个导体上加有电压时，绝缘层会产生一个电场。这个电场能用来储存能量和发生信号震荡。 电容电容5线圈线圈(Choke)铁氧体磁珠铁氧体磁珠(Bead)电感电感6电感电感(Inductor)是一种特殊的电子元件，当有电流流过的时候，电感上会产生磁场，该磁场可以储存能量。二极管二极管二极管是一种双极的器件，因其单向导电特性而被广泛使用。7肖特基二极管两个二极管集成在一起发光二极管三极管三极管常用的三极管三极管，又称双极结型晶体管双极结型晶体管(Bipol

3、ar Junction Transistor)，它是一种很重要的电子元件。三极管有作为开关开关和放大放大信号两个基本作用。8MOSFETMOSFET全称是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管），它也是一个可以作为开关开关或放大放大信号的重要器件。9 晶体振荡器晶体振荡器(Crystal Oscillator)是一个能够产生精确频率电子信号的电路，它利用石英的压电效应从而产生机械共振。晶体振荡器晶体振荡器10 概述概述 TO SOT SIP DIP SOP LCC11 QFP QFN PGA LGA BGA

4、CSP MCM概述概述封装封装，就是指把硅片上的电路管脚，用导线接引到外部接头处，以便与其它器件连接。封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造，因此它是至关重要的。 12TO TO（T

5、ransistor Outline）是晶体管外形封装，主要用在高可靠性的为电路应用中。单边设计易于电路安装、检查、测试。其外观包装以罐装为主。13TO-247TO-220SuperTO-220/247TO-252/D-PAKTO-263/D2PAKSOT SOT（ Small Outline Transistor ）是小外形晶体管封装。 此封装形式的特点是引脚全部在两边，而且引脚的数量不算多。它的封装形式比较多 ，根据它的尺寸可以分为几种封装，诸如SOT113, SOT223, SOT323, SOT23, SOT26, SOT25, SOT89 等等。14SOT23SOT23SOT323SO

6、T89SIP SIP（ Single In-line Package，单列直插式封装），将多种功能芯片，包括处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内，从而实现一个基本完整的功能。其并不如双列直插式封装来的普遍，主要是用在RAM芯片的封装和拥有普通pin的多重电阻器。15DIP DIP（Dual In-line Package），也叫双列直插式封装，是一种最简单的封装方式。指采用双列直插形式封装的集成电路芯片，绝大多数中小规模集成电路均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100。DIP封装的CPU芯片有两排引脚，需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心

7、，以免损坏管脚。16SOP SOP（Small Outline Package，小外形封装）也是一种很常见的元件封装形式，始于70年代末期。SOP封装的应用范围很广，而且以后逐渐派生出SOJ（J型引脚小外形封装）、TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、SSOP（缩小型SOP）、TSSOP（薄的缩小型SOP）及SOT（小外形晶体管）、SOIC（小外形集成电路）等在集成电路中都起到了举足轻重的作用。像主板的频率发生器就是采用的SOP封装。17比较比较18ItemSIPDIPSOPPin脚脚较少较多较多封装封装针脚针脚SMT外形外形单边双边双边组装组装不方便不方便方便电路走线电路走线不

8、方便不方便方便性能性能低低高成本成本高高低LCC LCC（Leaded Chip Carrier）是一种pin脚延伸出芯片表面的芯片封装技术。通常有两种类型的LCC封装：PLCC和CLCC。PLCC（ Plastic Leaded Chip Carrier）为带引线的塑料芯片载体，它是贴片封装的一种，这种封装的引脚在芯片底部向内弯曲，因此在芯片的俯视图中是看不见芯片引脚的。PLCC封装适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线,具有外形尺寸小、可靠性高的优点。CLCC（Ceramic Leaded Chip Carrier）是带引线的陶瓷芯片载体，表面贴装型封装之一，引脚从封装的四个侧面引出，

9、呈丁字形 。19PLCCCLCCQFP QFP（Plastic Quad Flat Package）这种技术的中文含义叫方型扁平式封装技术，该技术实现的CPU芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式，其引脚数一般都在100以上。QFP为四侧引脚扁平封装，是表面贴装型封装之一，引脚从四个侧面引出呈海鸥翼(L)型。基材有陶瓷、金属和塑料三种。20LQFPTQFPQFN QFN (Quad Flat No-leads)是四侧无引脚扁平封装。表面贴装型封装之一。现在多称为LCC。QFN 是日本电子机械工业 会规定的名称。封装四侧配置有电极触点，由于无引脚，贴装占有面

10、积比QFP小，高度比QFP低。但是，当印刷基板与封装之间产生应力时，在电极接触处就不能得到缓解。因此电极触点难于作到QFP的引脚那样多，一般从14到100左右。 21QFN芯片芯片锡锡PCBQFN芯片手焊芯片手焊比较比较22ItemLCCQFPQFNPin脚脚少非常多多封装封装SMTSMTSMT外观外观四边，较厚四边四边，较薄组装组装方便方便方便电路走线电路走线方便方便方便性能性能低高高成本成本低低高PGA(1)PGA（ Pin Grid Array）技术也叫插针网格阵列封装技术（Ceramic Pin Grid Arrau Package），由这种技术封装的芯片内外有多个方阵形的插针，每个方

11、阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列，根据管脚数目的多少，可以围成25圈。安装时，将芯片插入专门的PGA插座。为了使得CPU能够更方便的安装和拆卸，从486芯片开始，出现了一种ZIF CPU插座，专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。该技术一般用于插拔操作比较频繁的场合之下。23IC and SubstratePinPGA(2)24PPGA塑胶针状矩阵封装塑胶针状矩阵封装CPGA陶瓷针型栅格阵列陶瓷针型栅格阵列FC-PGA反转芯片针脚栅格阵列反转芯片针脚栅格阵列mPGA微型微型PGA封装封装LGALGA（Land Grid Array），直译过来就是栅格阵列封装，与英特尔处理器之

12、前的封装技术Socket 478相对应，它也被称为Socket T。它用金属触点式封装取代了以往的针状插脚。而LGA775，顾名思义，就是有775个触点。因为从针脚变成了触点，所以采用LGA775接口的处理器在安装方式上也与现在的产品不同，它并不能利用针脚固定接触，而是需要一个安装扣架固定，让CPU可以正确地压在Socket露出来的具有弹性的触须上，其原理就像BGA封装一样，只不过BGA是用锡焊死，而LGA则是可以随时解开扣架更换芯片。25Intel LGA 775 CPUIntel LGA 1366 CPUBGA(1)BGA (Ball Grid Array)球状引脚栅格阵列封装技术，高密度

13、表面装配封装技术。在封装的底部，引脚都成球状并排列成一个类似于格子的图案，由此命名为BGA。目前的主板控制芯片组多采用此类封装技术，材料多为陶瓷。BGA封装器件具有如下特点：1)I/O数较多2)提高了贴装成品率，潜在地降低了成本。3)BGA的阵列焊球与基板的接触面大、短，有利于散热。26衬底衬底锡球锡球铜点铜点PCB晶片晶片复合模具复合模具BGA(2)27PBGA塑料焊球阵列封装塑料焊球阵列封装SBGA特殊焊球阵列封装特殊焊球阵列封装CBGA陶瓷焊球阵列封装陶瓷焊球阵列封装Tiny BGA微形焊球阵列封装微形焊球阵列封装CSPCSP（Chip Scale Package）就是芯片尺寸封装，它是

14、新一代的芯片封装技术，是继TSOP、BGA之后的又一种新的技术。CSP封装的产品面积，大约是芯片面积的1.2倍或者更小。这样的封装形式大大提高了PCB上的集成度，减小了电子器件的体积和重量，提高了产品的性能。28CSP(FBGA ) GDDRMCM MCM( Multi-Chip Module ) 是多芯片组件。将多块半导体裸芯片组装在一块布线基板上的一种封装技术。CM是在混合集成电路技术基础上发展起来的一项微电子技术，其与混合集成电路产品并没有本质的区别，只不过MCM具有更高的性能、更多的功能和更小的体积，可以说MCM属于高级混合集成电路产品。29IBM POWER5 MCM 一个陶瓷芯片上

15、拥有4个处理器和4个36MB L3 外部缓存锡球锡球铜垫铜垫PCB模型组合模型组合Die 1Die 22 层管芯 MCM 封装芯片 概述概述 Intel平台平台 AMD平台平台 FSB DMI HT Memory Bus AGP PCI PCI Express LPC SPI SMB概述概述 在计算机科学中，总线总线(BUS)是一组用来在计算机系统的各个部件之间传输数据的线路。总线实质上是连接系统不同部分的一个共享的高速公路包括中央处理器(CPU)、磁盘驱动控制器、内存和输入输出端口并且使它们能够通信。引入总线的目的是在一个通道上传输所有通信，从而减少各个部件之间通信所需要的的路径，这就是有时

16、候总线被比喻为“数据公路数据公路”的原因。31设备设备A设备设备F设备设备E设备设备D设备设备C设备设备B总线总线Intel平台平台32North BridgeSouthBridgeMemoryAGP SlotPCIDMILPCMemory BusAGPFSBLPCBIOSPCI SlotIntel CPUIDESATALANAudioUSBSuper I/OKeyboard/MouseFloppySerial PortLPT PortPCIHD AAMD平台平台33North BridgeMemoryMemory BusHTPCI-E X16 SlotPCI-E X16AMDCPULPCSP

17、IHTSPIBIOSIDESATAUSBLANAudioPCI-E X1 SlotPCIPCI SlotSouthBridgePCI-E X1PCI-E X1HD AudioKeyboard/MouseFloppySerial PortLPT PortSuper I/OFSB(前端总线前端总线) 前端总线前端总线FSB(Front Side Bus)是连接CPU和其他关键部件如北桥的通路。前端总线也被称为数据总线、处数据总线、处理器端总线理器端总线。前端总线速度可以达到66MHz、133MHz、100MHz、266MHz, 400MHz甚至更高。前端总线速度一般可以通过BIOS或者主板上的跳线

18、来设置。CPU主频主频 = 前端总线频率前端总线频率 倍频倍频34North BridgeFSBIntelCPUDMI (Direct Media Interface) DMI(Direct Media Interface)是Intel平台主板上南北桥互联的点对点的总线。它工作在100MHz，能提供了2GB/s的单向传输速率，发布于2004年，第一次用于ICH6。它是一个基于PCI-E X4 v1.1的接口。自从2004年开始，所有芯片组(Intel平台)都用这个版本的接口。35North BridgeSouthBridgeDMIHT (Hyper Transport) Hyper Trans

19、port技术，以前曾被称作“闪电数据传输”(Lightning Data Transport, LDT)，是一种高速、双向、低延时、点对点的、串/并行的高带宽连接，于2001年4月2日开始投入使用。这种技术被用在AMD平台上连接CPU和桥。最新版本HT3.1支持2.8G/3.0/3.2GHz。如果它工作在32bit/3.2GHz的DDR模式下，最大传输速率可高达51.2GB/s。36AMD Memory Bus 内存总线内存总线(Memory Bus)用来在CPU和主内存即RAM之间传输信息。该总线一般常常连接到主板上的北桥芯片或或者直接连接到CPU。 在Intel平台上，内存总线连接到北桥，

20、但是在AMD平台上，它直接连到CPU 。37North BridgeMemoryMemory BusFSBIntel CPUMemoryMemory BusAMDCPUIntel平台平台AMD平台平台AGPAGP介绍介绍 AGP(Accelerated Graphics Port，图形加速端口，图形加速端口)是主板上单独为显卡设计的。它通常比PCI插槽短并且深棕色。 AGP默认工作在66MHz/32bit，AGP1X工作在传统模式而AGP2X采用“双倍并发”解决方案，就是在时钟上升沿和下降沿都传输数据从而有效的提高到双倍吞吐量。AGP4X和AGP8X都增加了一些重要特性包括提高带宽等。AGP结

21、构结构40北桥北桥AGP 总线总线AGP卡卡AGP插槽插槽AGP插槽插槽AGP用作图形显示 AGP历史历史41版本版本时间时间类型类型位宽位宽时钟时钟速度速度信号电压信号电压接口接口AGP1.01996.71X32bit66MHz266MB/s3.3V3.3V 接口2X32bit66MHz533MB/s3.3VAGP 2.01998.51X32bit66MHz266MB/s3.3V/1.5V1.5V 接口, 通用接口2X32bit66MHz533MB/s3.3V/1.5V4X32bit66MHz1066MB/s1.5VAGP 3.02000.84X32bit66MHz1066MB/s1.5V1

22、.5V 接口, 通用接口8X32bit66MHz2133MB/s0.8VAGP规格规格q 电压 AGP 1.0: 3.3V AGP 2.0: 1.5V, 3.3V AGP 3.0: 1.5V, 0.8Vq 数据宽度和频率 数据宽度= 32bits 时钟 = 66MHz q 带宽 AGP 1X: 66.66MHz 4Byte = 266MB/s AGP 2X: 66.66MHz 4Byte 2 = 533MB/s AGP 4X: 66.66MHz 4Byte 4 = 1066MB/s AGP 8X: 66.66MHz 4Byte 8 = 2132MB/s 2.1GB/AGP插槽插槽431.5V

23、Key插槽适合显卡B和显卡C。通用插槽适合显卡A，显卡B和显卡C。3.3V Key插槽适合显卡A和显卡B。显卡A显卡B显卡CPCI PCI介绍介绍 PCI(Peripheral Component Interconnection，外围设备互联)是一个高性能的、32/64位、有多根地址数据线的总线。设计该总线用于高集成外围控制部件，外部附加卡和处理器/内存系统之间的互联结构。它实际上采用的是一种比串行模式慢的并行传输模式并行传输模式。 它是Intel公司上世纪90年代提出的作为主板上芯片互联的一种标准方法。PCI第一次用在个人计算机上是1994年。随着支持Intel奔腾处理器的芯片组和主板的出现

24、，PCI逐渐取代了早期的总线架构，如：EISA、VL和Micro Channel。45PCI 插槽插槽PCI架构架构46PCI 总线总线PCI 插槽插槽南桥南桥PCI 插槽插槽很多PCI兼容卡如网卡、声卡、电视卡等都可以插入PCI插槽来和主板通信。PCI历史历史47版本版本时间时间特性特性PCI 1.01992支持5V电压，即插即用。PCI 2.01993增加电源管理。PCI 2.11994增加66MHz和3.3V电压支持。PCI 2.21998增加了准系统的矮卡标准。PCI 热插拔1.0。PCI 2.32002不支持5V-only适配卡。支持3.3V或通用的PCI兼容卡(5V&3.3

25、V)。PCI 3.02004移除5V电压.仅支持3.3V适配卡。PCI规格规格q 电压 PCI 1.0, 2.0: 5V only PCI 2.1, 2.2, 2.3: 5V, 3.3V PCI 3.0: 3.3V onlyq 数据宽度和频率 数据宽度 = 32bits PCI 总线时钟 = 33MHz 事实上可以支持33/66 MHz、32/64 bit q 带宽 33MHz/32bit: 33.33MHz 4Byte = 133MB/s 66MHz/64bit: 66.66MHz 8Byte = 533MB/PCI-E PCI-E介绍介绍 PCI Express(Peripheral Co

26、mponent Interconnect Express，外围部件高速互联)，官方简称为PCIe，由Intel公司2004年提出，用来取代早期的PCI、PCI-X和AGP标准的计算机扩展卡标准。随着对更快处理速度需求的提高和CPU过时的系统总线瓶颈的出现，设计PCI-Express是用来重新平衡CPU速度和系统之间的速度。PCI-E可以分为X1、X4、X8、X16和X32。50X1X4X8X16X32PCI-E插槽插槽PCI-E架构架构51PCI-E X1常用于网卡、声卡。PCI-E X4和X8常用于RAID等高速设备。PCI-E X16和X32常用于图形卡。PCI-E特征特征 PCI Exp

27、ress是工作在全双工模式全双工模式下的串行总线。两对用来传输数据的信号线称为通道。每个通道允许最大的单向传输速率为250MB/s，几乎是PCI总线的两倍。PCI Express总线可以综合多条通道来达到更高的性能。我们可以看到PCI Express一般有1、2、4、8、16和32个通道。例如PCI Express 8通道的传输速率为2GB/s(250 8)。52DeviceDeviceLaneLPCI-E特征特征q 电压12V, 3V, 3VSBq 数据宽度和频率 数据宽度= 8bits 参考时钟 = 100MHzq 带宽53位宽时钟带宽(单向)带宽(双向)PCIE X18bits2.5GH

28、z250MB/s500MB/sPCIE X48bits 42.5GHz1GB/s2GB/sPCIE X88bits 82.5GHz2GB/s4GB/sPCIE X168bits 162.5GHz4GB/s8GB/sPCIE X328bits 322.5GHz8GB/s16GB/性能比较性能比较(1)54总线带宽PCI133MB/sAGP 8X2133MB/sPCI Express 1X250 500MB/sPCI Express 2X500 1000MB/sPCI Express 4X1000 2000MB/sPCI Express 8X2000 4000MB/sPCI Express 16X4000 8000MB/sPCI Express 32X8000 16000MB/sIDE (Ultra DMA 100)100MB/sIDE (Ultra DMA 133)133MB/sSerial ATA 1150MB/sSerial ATA 2300MB/sSerial ATA 3600MB/sIEEE1394a (Firewire 400)50MB/sIEEE1394b (Firewire 800)100MB/sUSB 2.0 (480Mbps)60MB/性能比较性能比较(2)LPC (Low Pin Count) LPC(