工学第六章系统总线和主板课件

1、 第六章 总线和主板61 总线基本概念62 总线原理63 微机系统总线标准64 总线新技术65 认识主板66 主板结构67 主板控制芯片组68 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 6.1 总线基本概念6.1.1 什么是总线6.1.2 面向总线的体系结构6.1.3 总线分类和性能指标返回本章首页 6.1.1 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

2、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 6.1.2 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6.1.3 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

3、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。 图6-1 现代微机总线机构示意图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： 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=fWN表6-1 常见总线的带宽和传输率返回本节6.2 总线原理6.2.1 总线的控制6.2.2

4、数据传送6.2.3 总线仲裁6.2.4 总线驱动和其他控制返回本章首页 6.2.1 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 6.2.2 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。图6-2 半同步方式数据传输时序图返回本节 6.2.3 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

5、在总线各部件中的，称为分散式总线控制。返回本节6.2.4 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6.3 微机系统总线标准6.3.1 系统总线标准6.3.2 常见系统总线标准6.3.3 其他总线返回本章首页 6.3.1 系统总线标准1标准的重要性2系统总线标准的内容系统总线通常为50100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

6、和用法。备用线：留给厂家或用户自己定义。返回本节 6.3.2 常见系统总线标准1PC/XT、ISA（PC/AT）总线2MCA、EISA总线 3VESA、PCI总线4AGP总线1PC/XT、ISA（PC/AT）总线（1）PCXT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。 （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A

7、T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6-3 ISA总线插槽2MCA、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。 3VESA、PCI总线（1）VESA总线1

8、992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 V10。（2）PCI总线（图6-4）图6-4 PCI总线插槽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。 4AGP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 6.3.3 其他总线1EPP、RS-2322IEEE1394、USB

9、3EIDE、SCSI1EPP、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。2IEEE1394、USB（1）IEEE 1394总线 其实IEEE 139

10、4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。 3EIDE、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 SystemInterf

11、ace，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。 （1）EIDE接口 与IDE相比，EIDE有以下几个方面的特点： 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。 EIDE标准支持除硬盘以外的其他外设。 可连接更多的外设，最多可连接四台EIDE设备。 EIDE具有更高的数据传输速率。 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。SCSI接口标准的主要特性如下： SCSI是系统级接口，可与各种

12、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 6.4 总线新技术1EV6与P4总线2PCI-X局部总线3NGIO总线 4UMA总线5FUTURE I/O总线 返回本章首页1EV6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P

13、6 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。 2PCI-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

14、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。 3NGIO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。 4UMA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

15、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。 5FUTURE 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6.5 认识主板1CPU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其他图6-5 主板结构图图6-6 DDR传输示意图返回本节6.6

16、 主板结构1AT结构2Baby AT结构3ATX结构4Mini ATX结构5Micro ATX结构6LPX结构7NLX结构8Flex ATX结构返回本章首页6.7 主板控制芯片组6.7.1 概念及结构6.7.2 流行芯片组 6.7.3 BIOS与CMOS返回本章首页6.7.1 概念及结构1南、北桥结构2加速中心体系结构 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

17、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。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。 图6-7 南北桥结构的KT133芯片组2加速中心体系结构（Accelerated Hub Architecture） 这种体系始

18、于Intel i810芯片组，是以GMCH（图形、内存控制中心/Graphics & Memory Controller Hub）ICH（I/O控制中心/I/O Controller Hub）FWH（固件中心/Firmware Hub）三块芯片组成的芯片组。三块芯片之间采用数据带宽为266Mbps的新型专用高速总线，较之PCI总线的南、北桥结构要快得多。图3-8为采用AHA（Accelerated Hub Architecture）体系的i815E芯片组结构示意图。图6-8 AHA结构的Intel 815E芯片组返回本节6.7.2 流行芯片组 1Intel公司芯片组 2AMD芯片组 3威胜（V

19、IA）芯片组 4整合型芯片组1Intel公司芯片组 (1) 440BX440BX是Intel为支持高主频PII CPU而专门开发的芯片组。作为440系列的第三代产品，440BX当时定位于高端CPU领域，相对于其前任LX芯片组，BX芯片组又多了几个新的特点，首先，它开始支持总线速度为100MHz的频率（一般可上133MHZ ），通过配合高频CPU，主频最少可支持到500MHz以上。其次，它采用四端口技术，有效地把CPU 、内存、AGP端口和PCI总线连接起来并控制传输，提高了系统的性能。此外它还具有32位主PCI接口并支持同步AGP端口 (2) 815芯片组 815芯片组同810系列一样，也采用

20、了Intel自行设计的Hub中心体系结构，并内部集成显卡；但815与810也有明显的区别，815增加了外接AGP显卡插槽，若你对内置显卡的效果不满意，也可以另外购买AGP显卡进行升级，目前815芯片组具体可分i815及i815e两种，其中i815为82815（GMCH）配82801AA（ICH）；i815e为81815（GMCH）配82801BA（ICH2），而i815EP为i815E的简化版本，省掉了内置的i752图形加速卡，GMCH也就变为MCH的作用了。2AMD芯片组 AMD直到K7（Athlon）问世才自己设计制造芯片组，采用的仍是南北桥结构。其最新芯片组为AMD 760和760MP芯

21、片组，后者支持双CPU。760芯片组提供了266MHz的外频支持，而且还支持DDR-1600和DDR-2100的内存规范，支持AGP 4X显卡。它的代号是AMD 761，与它配套的南桥则是AMD 766。3威胜（VIA）芯片组 VIA（威盛）是一家老牌的芯片组厂商。其早先推出的MVP3、MVP4等芯片组都是相当成功的。目前其主打产品是694X芯片组。694X芯片组 KX133/KT133芯片组 Apollo Pro266/Apollo KT266 4整合型芯片组 整合型芯片组是为集成型主板服务的。目前主板的发展有个重要趋势就是集成度日益提高，也许未来的系统上只会有两个芯片：一个是CPU，一个是

22、集成了声卡、显卡、内存等配件的芯片，事实上目前很多集成了声卡、显卡、MODEM、网卡的主板已经推出，在这种主板上我们会看到多了一些成员，如显示芯片、显存等。返回本节 6.7.3 BIOS与CMOS BIOS的全称应该是ROM-BIOS，意思是只读存储器基本输入输出系统。 CMOS的英文可比BIOS的英文难写多了，它是“Complementary Metal Oxide Semiconductor”的缩写，翻译出来的本意是互补金属氧化物半导体存储器，指一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。 但在这里CMOS的准确含义是指目前绝大多数计算机中都使用的一种用电池供电的可读写的RAM芯片。 返回本节

23、6.8 主板发展趋势6.8.1 主板结构的新变化6.8.2 主板总线速度的提升6.8.3 主板超频稳定性能的成熟6.8.4 主板安全稳定性能的增强6.8.5 主板方便性能的提高6.8.6 主板能源功能的改进6.8.7 整合技术日新月异 返回本章首页6.8.1 主板结构的新变化 新型芯片组架构的更新：传统的芯片组结构采用南北桥的分控体系，而自 i810 芯片组开始引入加速集线器结构（Accelerated Hub Architecture），取代了原有的 PCI 总线，并采用专用总线以连接各设备和CPU，以达到高速处理的目的。i820芯片组则采用了替代北桥芯片的内存控制集线器（Memory Controller Hub）和替代南桥芯片的I/O控制集线器（I/O Controller Hub），同时也采用专用总线来连接它们，其带宽比传统的PCI总线速度增加了一倍。 返