《总线和芯片组》PPT课件.ppt

第四章 总线与芯片组,第四章 总线与芯片组,总线功能、定义和分类，总线的三个组成部分。掌握ISA、PCI和AGP总线的规格和特点。芯片组芯片组(南桥和北桥)的基本功能。掌握Intel的常用芯片组的基本特点。主机板构成和各部分的功能。了解主板的技术术语和特点。掌握主板上各个设备接口的用途。,4.1 总线,1.总线的定义：总线就是各种信号线的集合，是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通路。通常根据传送信号的不同将它们分别称为地址(address bus)、数据(data bus)和控制(Control bus)三大总线。总线是数据总线、地址总线和控制总线的总称。2.总线的特性：高速：满足CPU的外部访问要求标准：使得不同的设备可以和计算机主机系统连接公共：全部外部设备共同使用,数据总线 双向传送的内容CPU取指令时用于传送指令代码CPU访问存储器时用于传送数据I/O操作时用于传送外部数据产生中断时用于传送中断向量 地址总线 单向传送的地点存储器访问传送存储器地址I/O访问传送I/O地址 控制总线 传送的方向和内容定义 传送的是CPU和其它控制芯片发出的各种控制信号：读/写(W/R)、存储器或I/O口访问(M/IO)中断请求、DMA请求、DMA应答等；时钟、复位等。,4.1 总线,3.三总线的作用,总线周期,执行一个总线操作所需的时间为一个总线周期。,程序的执行过程,程序,指令1,指令2,指令3,指令4,指令n,取指令,指令译码,取操作数,执行指令,存结果,指令周期,操作码,操作数,执行,指令的执行过程,取指令,指令译码,取操作数,执行指令,存结果,指令执行模拟,以Y=10+20，结果送30单元为例说明微机的执行过程。要完成该功能，第一步要查找指令表中相关的指令，见下表。,指令执行模拟,第二步编写程序：MOV AL,10 01110100 00001010 740AH AL=10ADD AL,20 00110100 00010100 3414H AL=AL+20=10+20MOV 30,AL 01010011 00011110 531EH AL送30单元HLT 01000011 43H 系统暂停,总线周期,一个基本的总线周期通常包括4个T状态，按时间的先后顺序分别称为T1、T2、T3、T4,指令周期,执行一条指令所需要的时间称为指令周期。执行一条指令的时间：取指令、执行指令、取操作数、存发结果所需的时间总和。例如：mov bx,ax 2个T Mul BL 70个T 不同指令执行时间（T）不同；同一类型指令由于操作数不同，指令周期也不同。mov bx,ax 14个T,8086总线周期示意：,8086中一个基本的总线周期由4个时钟周期组成，如果内存或I/O接口速度较慢，来不及响应，则在T3之后插入一个或多个Tw空闲周期：只有在BIU和内存或I/O之间交换数据，以及填充指令队列时BIU才执行总线周期。除此之外，既不需要填充指令队列，EU也不向BIU发出总线周期请求时，系统总线处于空闲状态，进入空闲周期；有一个或多个T组成。,总线周期中各时钟周期的操作,T1周期CPU向存储器或I/O发送地址CPU向地址/数据分离器（地址锁存器）发送ALE信号T2周期给存储器或I/O发送写入的数据测试READY引脚状态，以决定是否插入等待周期发出RD或WR信号T3周期等待存储器或I/O存取数据完成使数据在CPU与存储器或I/O之间传输T4周期写入数据,片内总线 在CPU内部，寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线称为片内总线(芯片内部的总线)。系统总线(前端总线)一般为CPU与存储器(L2 Cache)、芯片组之间的连接总线。是CPU的数据、指令等传输通道，也是I/O总线的过度总线。I/O总线 主机与外部设备之间的连接总线。微机目前使用的I/O总线主要是PCI和ISA。其他符合总线概念的数据通道 包括USB、SCSI等。,4.1 总线,4.分类,4.1 总线,5.微机总线之间的关系,总线位宽 总线宽度指的是可以同时发送的数据位数。位宽越宽则总线每秒数据传输率越大。总线时钟频率 总线的工作时钟频率以MHz为单位，工作频率越高则总线工作速度越快。,总线带宽 带宽实质上指的是给定时间内可以发送的最大数据量，即我们常说的每秒钟传送多少MB的最大稳态数据传输率。总线带宽=总线的位宽总线的工作时钟频率,4.1 总线,6.总线的主要参数,系统总线又称前端总线(FSB:Front Side Bus)，目前用于连接CPU与RAM(一般是L2-Cache)。在主板上系统总线是主干，其它总线是其支干。系统总线的时钟频率系统总线的设计频率一般取决于当时RAM的速度。例：以400M的Pentium II 为例：当时的存储器采用的是PC100的SDRAM，使用Intel 440 芯片组：,4.1 总线,7.系统总线,4.1 总线,由于CPU速度的发展高于存储器速度的发展,从Intel 80486开始，CPU采用倍频技术。Pentium 4 之前系统总线频率和CPU外频相同。,从Pentium 4 开始，系统总线频率高于CPU外频。,早期CPU的系统总线,4.1 总线,FSB,Intel芯片组,400MHz,845,845D/GL,533MHz,845E/G/GE/PE/GV,865P,910GL,800MHz,848P,865PE/G/GV 875P,915P/G/GV,925X,945,955,1066MHz,925XE945,955,P4 CPU,Pentium 4 1.32.6GHz,Pentium 4 A,B系列2.32.8GHz,Pentium 4 C,E,F(64位)系列2.43.6GHz,Pentium 4 E,F(64位)系列33.73GHz,P4使用的芯片组支持的系统总线频率,I/O总线的作用：I/O总线用于CPU 与存储器之外的其它部件的连接，微机主要I/O设备如显卡、硬盘/光盘存储设备、网卡与主机系统的数据交换都是通过I/O总线完成的。I/O总线的特点：I/O总线在传输速度上要比系统总线低得多，与CPU速度、系统总线速度无关。I/O总线扩展槽：I/O总线还连接到一些特定的插槽上去对外开放，以便于外部的各种扩展电路板连入系统。这些插座被称为系统I/O总线扩展插槽（System Input/Output Bus Expanded Slot）。,4.1 总线,PCI总线扩展槽,ISA总线扩展槽,8.I/O总线,4.1 总线,I/O总线的逻辑结构,8位ISA16位ISAEISAVESAPCI PCI ExpressISA(Industry Standard Architecture)总线：8086CPU开始使用的总线，速度较低，目前有些主板已不存在ISA总线，将逐渐被淘汰。EISA(Extended ISA)总线:扩展工业标准结构，是EISA集团为配合32位CPU而设计的总线扩展标准。用于386PC，现今已被淘汰。VESA(Video Electronics Standards Association)总线：VESA组织设计的一种开放性总线结构。32位宽度，工作频率是33MHz，数据传输率为133MB/S。用于486PC，已经被PCI代替。PCI(Peripheral Component Interconnect)总线：从Pentium开始使用，目前使用最广泛的高速总线。PCI Express总线：新一代总线标准。,4.1 总线,I/O总线的发展过程,4.1 总线,ISA总线标准来源于IBM PC/AT机主板使用的系统I/O总线和扩展插槽，所以也称为AT总线(AT Bus)，87年成为国际通用总线标准ISA(Industry Standard Architecture)即工业标准结构总线。8位ISA(8086PC/XT)16位ISA(80286PC/AT)ISA总线的主要性能指标如下:20/24位地址线可直接寻址的内存容量为1MB/16MB。8/16位数据线。62/62+36引脚。最高时钟频率8MHz。最大传输速率16MB/s。,9.ISA总线,PCI(Peripheral Component Interconnect)即外部设备互联总线，PCI是专门为Intel Pentium处理器设计的。有32位和64位2个版本。32位PCI：工作时钟是33MHz，数据传输率为133MB/S。64位PCI：工作时钟提高到66MHz，数据传输率528MB/S。PCI的高速性能使之能支持各种高速设备，特别是3D图形加速卡。目前PCI扩展卡已成为微机高速扩展卡的主流，包括显示卡、声卡、Modem卡、网卡、视频卡等。,4.1 总线,10.PCI总线,PCI总线的特点：支持PnP：(Plug and Play 即插即用)功能。可以通过PCI总线设置中断号、端口地址等。支持线性突发数据传送方式：对存储器的连续区域的访问时大大提高了总线的数据传 输率。支持总线主控和同步操作：可以由外设接管总线，CPU在这时可同步操作。数据和地址线复用：地址和数据采用同一组线，分时复用传输地址和数据，以降低成本。PCI时钟独立于CPU的主频：提高使用的灵活性，PCI设备也不影响CPU。,4.1 总线,AGP(Accelerated Graphics Port)是Intel公司开发的新一代图形总线标准。它是建立在PCI基础上专门针对3D图形处理而开发的高性能显示专用接口。基本AGP采用32位位宽，基本AGP时钟为66MHz时钟。传输带宽为266MB/s。后相继发展到AGP2X、AGP4X、AGP8X，其传输带宽分别为533MB/s、1.066GB/s、2.133GB/s。,4.1 总线,11.AGP,PCI Express是一种串行总线，设备和设备采用点对点传输，也就是说连接在PCI Express总线上的各个设备单独享有一条总线的所有带宽，这样就避免了各个设备之间为争夺总线带宽所导致的系统性能下降。,PCI Express下一代总线标准,4.1 总线,ISA,16,带宽MB/S,8086时代为8位，286时代扩展为16位,EISA,33,386时代ISA不能满足显示卡等高速外设,VESA,133,486时代的更高速度总线,PCI,133,Pentium时代的全新总线标准，早期的南北桥连接通道(i430、i440),IHA,553,取代PCI成为连接南北桥的通道标准(i810、i815、i875),AGP,2662133,PCI速度不能满足要求，同时为减轻PCI的负荷,PCI Express,50016000,新一代总线标准，将取代PCI、AGP和IHA。从i915开始采用新的南北桥连接标准。,需求,标准,PC机高速通道的发展史,4.2 主板的控制芯片组,芯片组(Chipset)就是与对应的CPU相配合的一组系统控制集成电路，它们集成了早期主板上的几十片Intel专用集成电路的功能和不断增加的新功能。它集成了：系统总线接口，用于连接CPU和存储器；PC机必须的通用接口和专用接口；中断控制、定时器、DMA控制等计算机必须的控制电路；常用的外部设备，网卡、声卡等；I/O总线。,典型的芯片组是由南桥和北桥两个IC构成，北桥芯片连接着主机(CPU和内存等)，南桥芯片连接着各种接口(驱动器、串并口和总线接口等)。,芯片组确定计算机的各方面的性能：系统总线速度；存储器标准、最大容量和速度；各种通用接口和专用接口的功能、性能指标；嵌入的声音、显示、网络等电路；其他集成功能，如电源管理、防病毒等。主流芯片组是Intel的i系列：Pentium MMX i430芯片组 Pentium i440芯片组 Pentium i810/i815/i820芯片组 Pentium 4 i845/i850/i848/i865/i875芯片组 Pentium 4 i915/i920/i925芯片组 Pentium D i945/955芯片组,4.2 主板的控制芯片组,前端总线频率：CPU与芯片组之间的传送频率，一般为CPU的外频。存储器支持：SDRAM：同步动态存储器，64位，PC100，PC133DDR SDRAM：双倍速SDRAM，速度一般比SDRAM快一倍RDRAM：RambusDRAM，成本较高硬盘接口：UDMA/33：DMA方式传送时速率为33MB/s UDMA/66：DMA方式传送时速率为66MB/s ATA-100：DMA方式传送时速率为100MB/s Serial-ATA：最新的串行ATA接口RAID：(Redundant Array of Independent Disks:容错式独立磁盘阵列)通过多个磁盘驱动器的协同来实现高性能或高安全性的技术。有多个版本，RAID 0/1/2一般用于PC，RAID 3/4/5通常用于服务器。有IDE RAID和SATA RAID。,芯片组主要技术术语,AGP：支持的AGP端口的速率。目前有AGP、AGP2X、AGP4X和AGP8X几种，其中AGP8X最新。AC97规范：Intel于1996年发布了AC97标准，它把声卡中成本最高的DSP(数字信号处理器)给去掉了，而通过特别编写驱动程序让CPU来负责信号处理，它工作时需要占用一部分CPU资源。目前大多数芯片组支持AC97。USB支持：通用串行接口。目前芯片组都支持USB，提供2-8个USB接口，有1.1和2.0两个版本。I/O总线：早期的P4微机一般是PCI和ISA共存，目前大多数主板没有ISA总线，最新的总线标准是PCI Express，将取代PCI和AGP。CSA（通信流架构:Communication Streaming Architecture）千兆以太网（GbE）,芯片组主要技术术语,应用于Pentium 4的intel系列芯片组 i845Ei848Pi865PEi875PCPUP 4P 4P 4P 4超线程XYYY前端总线533M800M800M800M存储器2GB2GB2GB4GBDDR266DDR400DDR400X2DDR400X2ATA接口ATA100 ATA100 ATA100ATA100SerialATAX222AGPAGP4XAGP8XAGP8XAGP8XAC976通道6通道6通道6通道USB6X2.08X2.08X2.08X2.0I/O总线133M PCI133M PCI133M PCI133M PCI,目前使用的芯片组主要指标,Intel 865芯片组结构,Intel芯片组i915/i925,HD Audio（High Definition Audio，高保真音频）AC97：基本指标是16bit/48KHz的信号质量，6声道。因此，AC97电脑音频与一般家用音响的CD相当。,Intel芯片组i915/i925,HD Audio：基本指标是24bit/96KHz或24bit/192KHz，8声道，指标高于目前最高音质水平的DVD-Audio纯音乐光盘（6声道，每声道24bit/96KHz）。PCI-E总线的主机板,Digital Media Interface,Intel芯片组i925结构,Intel芯片组i945/i9552005年intel最新推出的芯片组,全面支持Intel的双核心处理器：Pentium D和Pentium Extreme Edition支持DDR2-667规格的内存,主板（Main Board）又称为系统板（System Board）或母板（Mother Board），它是微机的核心部件，其性能和质量基本决定了整机的性能和质量。主板上装有多种集成电路，如中央处理器、专用外围芯片组、只读存储器基本输入输出系统ROM BIOS、随机读写存储器RAM等。还有若干个不同标准的系统输入输出总线的扩展插槽和各种标准接口。,7.1声道音频接口,PCI ExpressX16,2个 PCI Express X1,4个 SATA硬盘接口,双通道DDRII,6.2 主板的控制芯片组,1.印刷电路板2.CPU插座(或插槽)3.存储器插槽4.芯片组5.I/O总线插槽 PCI/ISA总线插槽6.接口通用接口：串行口、并行口、USB、声音、IDE专用接口：AGP、软驱接口、键盘、鼠标、网络电源7.BIOS芯片8.CMOS芯片,主板的组成部件:,印刷电路板,主板所用的印刷电路板(PCB)是由几层树脂材料粘合在一起的，内部采用铜箔走线。一般的PCB线路板分有四层，最上和最下的两层是信号层，中间两层是接地层和电源层。,插槽,PCI总线插槽,AGP插槽,ISA总线插槽,插槽,硬盘接口与软驱接口,软驱接口,ATA接口,S-ATA接口,S-ATA连接线,各种外部设备输入输出端口,外部设备输入输出端口简称I/O端口，是各种主板接口的引出端，不必再加接口卡而直接与有关外设相连。目前主流主板的后侧边沿都有一个并行端口、两个串行端口(COM1、COM2)、USB端口、PS/2鼠标器端口、PS/2键盘端口。,电源插座,电源插座主要有AT电源插座和ATX电源插座两种，目前主要采用20口的ATX电源插座。AT电源：是由P8和P9两组接口组成，每个接口分别有六个针脚，支持+5.0V，+12V，-5V，-12V电压。ATX电源：ATX电源是ATX主板配套的电源，主要特点软开关；增加了在关机状态下能提供5V供电；增加有3.3V低电压输出。,BIOS(Basic input0utput System)芯片是主板上一的用于存放程序的只读存储器芯片，用于存放：BIOS程序(基本输入/输出系统)，提供最基本、最直接的硬件控制；系统检测和诊断程序；系统自举程序。,CMOS芯片是主板上的有小容量存储器的、有专用锂电池供电的时钟电路。主要功能：RTC(Real Time Clock)，实现不间断的电子计时。为系统提供时间和日期。存放系统的硬件设置信息。,BIOS芯片和CMOS芯片,6.2 主板的控制芯片组,4.3 常见主板结构规范,AT结构：也就是“竖”型板设计，即短边位于机箱后面板。它最初应用于IBM PC/AT机上。AT主板大小为1312英寸。Baby AT结构：随着电子元件和控制芯片组集成度的大幅提高，也相应的推出了尺寸相对较小的Baby AT主板结构。Baby AT大小为13.58.5英寸。ATX结构：是Intel公司提出的新型主板结构。它的布局是“横”板设计，就象把Baby-AT板型放倒了过来，这样做增加了主板引出端口的空间，使主板可以集成更多的扩展功能。Mini ATX结构：小型的ATX结构。Micro ATX结构：是Intel公司在97年提出的主板结构。主要是通过减少PCI和ISA插槽的数量来缩小主板尺寸的。,