计算机硬件基础第6章(总线与芯片组).ppt

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1、第6章 总线与芯片组目录,总线总线的概念、类型和性能PC机总线的发展和演变PCI总线、PCI Express总线芯片组芯片组的概念Intel公司早期芯片组Intel的8系列、9系列芯片组 Intel的新编号芯片组Nehalem的新型结构芯片组主机板主机板的构成主机板标准主机板认识,总线的定义是严格定义一组的信号线的集合，用于实现计算机各部件之间的信息传输的公共通道。总线特征公共性、标准性、可扩展性。总线连接通过总线可以实现点对多点连接（主从连接）或多点连接。只能实现点对点连接的通道概念上不是总线，但习惯上可能称作总线。总线信息数据传输的数据内容地址传输的存储位置，如存储器地址、端口地址等控制传

2、输对类型，如存储器读/写、端口读/写等其他时钟、复位、电源等,6.1 总线概念,CPU,存储器,6.1 总线概念,总线操作例 CPU读存储器（CPU执行到读存储器命令）过程：CPU送出控制信号，表示要读存储器；CPU送出地址信号，表示要读的存储器单元地址被选中的部件（存储器）将地址指定的单元数据送到总线。,总线部件,控制信号地址信号数据信号,总线部件,6.1 总线概念,单总线结构计算机,6.1 总线类型,总线的类型片总线（C-Bus，Chip Bus）：组件（或芯片）级的总线，也称为片间总线。用于连接在一个系统中的多个组件或芯片。一般是串行结构，只用几条信号线。如：I2C（Inter Inte

3、grated Circuit）：2线结构SPI（Serial Peripheral Interface）：4线结构内总线（I-Bus，Internal Bus）：系统级总线，指计算机系统中处理器连接各个部件的高速总线。分为处理器总线和I/O总线。如：FSB（Front Side Bus）：NetBurst和Core构架下的处理器总线；QPI（QuickPath Interconnect）：Nehalem构架下的处理器总线；PCI、PCI Express：连接外部设备的I/O总线外部总线（E-Bus，External Bus）：用于连接计算机外部设备，同时符合总线特征的连接通道，如USB。,6.

4、1 总线性能,总线性能总线位宽 总线宽度指的是可以同时传送的数据位数。如USB、SPI、I2C位宽是1，FSB是64位，PCI是32或64位。总线时钟频率 总线的传送时钟频率。总线的最高时钟频率可能随着版本的提高而增加。总线带宽 每秒钟传送的字节数，最大数据传输率。总线带宽=总线的位宽 8总线的工作时钟频率（字节/秒）或=总线的位宽总线的工作时钟频率（位/秒）,6.1 总线PC机总线的发展和演变,8086/286时代ISA（Industry Standard Architecture）单总线结构，16位。386/486时代ISA+新的32位总线（主要有MAC、EIAS和VL-Bus）的双总线结

5、构。Pentium初期和中期FSB+PCI+ISA多总线模式。在Pentium 4期间，ISA总线逐步淘汰。Pentium D/EE开始FSB+PCI Express+PCI的多总线模式。速度更快的PCI Express的出现，成为PCI的更新换代的总线标准。Core i7开始 QPI+PCI Express+PCI的多总线模式。,6.1 总线PCI总线,PCI（Peripheral Component Interconnect）是PC机在Pentium时期使用的标准的I/O总线，用于连接外部设备（这些设备可以是主机板上的集成部件，也可以是通过扩展槽连接的扩展卡）。PCI-SIG（PCI Sp

6、ecial Interest Group，PCI特别兴趣小组）是制定PCI标准的官方机构，初始版本（1.0）于1992年公布。生产PCI设备需要向PCI-SIG缴纳费用。PCI的初始版本基本性能：位宽32位，同时支持32位I/O；总线时钟33.33MHz，峰值带宽为133MB/s；32或64位地址寻址空间；256字节配置空间；5V信号标准。,6.1 总线PCI总线,PCI的发展和版本类型,PCI-X是应用于服务器的总线标准,6.1 总线PCI总线,PCI总线的技术特点PCI时钟独立于CPU外频：使得CPU时钟有较大的提高的空间，也使得PCI较前一代总线有较长的生命周期。数据/地址线多路复用技术

7、：分时传送数据和地址，减少引脚数目，降低成本。总线仲裁机制：使得多个主控设备可以共存，可以实现多点连接。CPU只是一个PCI主控设备，每一个PCI主控设备都可以通过总线仲裁机制取得总线的使用权。线性突发传送：在连续寻址的情况下可以一次寻址，多次数据传送。即插即用（Plug&Play）：PCI总线具有自动识别和自动配置外设的能力。,6.1 总线PCI总线,PCI总线扩展槽PCI总线又有5V和3V两种不同电压插槽类型。,6.1 总线PCI总线,PCI总线扩展槽 PCI扩展槽有32位和64位两种位宽，64位扩展槽兼容32位扩展槽，即32位的扩展卡可以插到64位扩展槽工作。,32位PCI扩展插槽,64

8、位PCI-X扩展插槽,PCI-X扩展槽只有3.3V/64位版本，与PCI扩展槽兼容。即PCI扩展卡可以工作在PCI-X扩展槽上。PCI-X扩展卡也可以工作在PCI扩展槽上。,6.1 总线PCI Express总线,简称PCI-E，或PCIe。是PCI总线的发展。与PCI的主要不同是物理连接不同，而通信模型及程序方法与传统的PCI一样。,PCI-Express概述,PCI-E是基于双向的1位串行差分对的点对点物理传输机制，并且是可以以类似模块化的模式扩展，可以采用多个串行差分对并行工作以提高传输带宽。由1、2、4、8、16、32个差分对构成的PCI-E分别被称为PCI-E 1、2、4、8、16、

9、32标准。,6.1 总线PCI Express总线,PCI-E 4,PCI-E 16,PCI-E 1,PCI-E 16,PCI 32位,6.1 总线PCI Express总线,PCI-Express性能PCI-E的初始版本（1.0版），PCE-E中每个串行差分对的位速率是双方向2.5GT/s（GigaTransfer/s），信息传输速率是对称的全双工2Gb/s（250MB/s）。PCE-Express版本,PCI-E 1.x、2.x单向数据速率=单向位速率(8/10)/8PCI-E 3.0单向数据速率=单向位速率(128/130)/8,6.1 总线PCI Express总线,PCI-Expre

10、ss技术特点双向串行差分传输：PCI Express总线采用高速串行差分点对点物理连接，大幅度减少引脚，同时提高传输速度；时钟植入同步技术：省略同步时钟信号，将8位数据转化为10位（8b/10b编码同步）后自带同步信息。3.0版PCI-E采用128b/130b编码；可变的传输速率：可以根据所连接的硬件设备的不同，使用不同的频率与其通信；热拔插：它还具有高级电源管理和监视功能，这样所有的PCI Express设备都会支持热插拔；纠错：PCI Express具备循环冗余校验能力，可以实现传输纠错。,6.1 总线PCI Express总线,应用在目前的PC机中，一般至少具有2个PCI Express

11、和1个PCI Express16。1插槽用于一般中低速扩展卡，16插槽用于显示卡。显示卡将由AGP逐步过渡到PCI-E16。,6.1 总线AGP,AGP（Accelerated Graphics Port）是一种32位的点对点并行传输通道，专门用于连接实现监视适配器（显卡）。AGP采用66MHz的时钟，通过泵技术提高传输速率。,6.1 总线PCI Express总线,PC机显示适配器的发展过程,6.1 总线PCI Express总线,同时具有AGP和PCI-E16的主机板,32位PCI,AGP,PCI-E1,PCI-E16,6.1 总线PCI Express总线,PCI-E扩展槽引脚：以PCI

12、-E4为例,PCI-E4扩展槽,6.1 总线PCI Express总线,不同宽度PCI-E的兼容性：较短的扩展卡可以直接工作在较宽的扩展槽上；较宽的扩展卡可以插到较短的开口（open-ended）扩展槽上。,开口（open-ended）PCI-E4扩展槽,6.1 总线笔记本专用总线,PCMCIA（Personal Computer Memory Card International Association，个人计算机存储卡国际协会）：早期的笔记本专用存储器扩展总线，后发展为通用的设备扩展总线，并改名为PC Card（后称为CardBus）。早期的PCMCIA/PC Card基于ISA总线技术。

13、CardBus是基于PCI技术的32位总线扩展标准，传输带宽133MB/s。,早期的PCMCIA外存扩展卡,6.1 总线笔记本专用总线,Express Card：基于PCI-E技术的笔记本专用扩展标准。Express Card 1.0在连接器中包括PCI-E1 1.0和USB 2.0信号，可以实现PCI-E1和USB工作模式，带宽分别可达2.5Gb/s和480Mb/s。Express Card 2.0基于PCI-E 2.0和USB 3.0技术（2010年）。Express Card扩展卡：外形有34mm宽和54mm宽（L形）两种，其中34mm型兼容54mm插座。,Express Card 34

14、mmUSB 3.0扩展卡,Express Card 54mm串行接口扩展卡,6.2 芯片组概念,构成现代PC机主机板的三大半导体部件CPU、存储器、芯片组。,Intel 945芯片组构成的主机板,MCH（北桥芯片）,ICH（南桥芯片）,芯片组微型计算机中，CPU接口、存储器接口、总线逻辑、常用接口以及功能部件的集成。,6.2 芯片组概念,非芯片组结构的计算机主机板所用的集成电路大部分是标准的中、小规模集成电路芯片,8086时代IBM PC 计算机主机板,CPU,FPU浮点处理器,专用接口芯片,存储器芯片,6.2 芯片组概念,目前计算机的构成和多项性能取决于芯片组芯片组限定可安装的CPU系列（I

15、ntel、AMD）、封装（CPU总线）、CPU主频和CPU总线速度（FSB）；芯片组包含存储器通道，确定可以连接的存储器类型和速度，以及存储器通道数目；芯片组包含显示接口（AGP、PCI ExpressX16），部分包含GPU（Graphics Processing Unit），用于构成集成显示适配器；芯片组包含I/O总线（PCI、PCIe等），确定I/O总线指标；芯片组包含各种接口（USB、ATA、SATA），确定接口标准、版本和性能；芯片组可能包含对特定外部设备的支持，如千兆网络、无线网络、RAID（磁盘阵列）、音频等。,6.2 芯片组概念,芯片组的主要生产厂商主要厂商有Intel（美国）

16、、VIA（威盛、中国台湾）、SiS（矽统，中国台湾）、ULi（宇力、中国台湾）、AMD（美国）、NVIDIA（英伟达，美国）、ATI（加拿大）、IBM（美国）、HP（美国）等。其中以Intel、NVIDIA和VIA的芯片组最为常见。Intel CPU的台式机中，Intel的芯片组采用最多。且Intel芯片组品种齐全，高、中、低端产品都有；AMD CPU的台式机中，以VIA、NVIDA芯片组为主，NVIDA主要是nForce系列，少部分采用AMD自身的芯片组;笔记本中，多数为Intel CPU，所以Intel的笔记本芯片组也采用最多；服务器/工作站方面，Intel CPU平台占优势，Intel的

17、服务器/工作站芯片组产品也占据优势。,6.2 芯片组Intel官方网站芯片组主页,主页产品芯片组,6.2 芯片组检测,CPUZ检测芯片组型号及相关参数,主机板生产厂商,主机板型号版本,芯片组厂商和型号,南桥芯片厂商和型号,LPCIO芯片厂商和型号,LPCIO:Low Pin Count Input/Output,6.2 芯片组南北桥结构,南北桥结构用于P6构架北桥芯片：用于连接CPU、RAM等高速部件南桥芯片：用于连接低速部件特点：处理器总线+PCI+ISA三总线结构；PCI连接南、北桥芯片；北桥芯片集成AGP接口。,6.2 芯片组Intel P6构架Hub结构,P6构架Hub结构芯片组北桥M

18、CH，南桥ICH；MCH与ICH的连接通道为IHA，一个速率为266MB/s的专用通道；PCI总线移至ICH；IHA：Intel Hub ArchitectureMCH：Memory Controller HubICH：I/O Controller Hub,6.2 芯片组Intel P6构架Hub结构,P6构架下的典型芯片组（北桥/MCH）,6.2 芯片组Netburst构架8xx系列,Netburst构架8xx系列芯片组支持Pentium 4，处理器总线为FSB；支持双通道存储器；支持SATA、USB 2.0；支持6通道音频，AC97规范；淘汰ISA总线，FSB+PCI双总线结构。,6.2

19、芯片组Netburst构架8xx系列,Netburst构架、8xx系列芯片组概述,6.2 芯片组关于Intel ICH芯片型号和名称,ICH型号和名称,ICH2,ICH4,ICH5,ICH6,6.2 芯片组 Intel ICH,Intel的ICH芯片,ICH系列号：每一系列号代表一系列具体型号，如ICH6包括ICH6（基本型）、ICH6R（RAID型）、ICH6-M（用于笔记本）等。同系列不同的型号 ICH芯片在功能上有一些剪裁。,IHADMI：ICH6及其之后的型号支持DMI，提供双方向1GB/s的传输速率。DMI实际上使用的是PCI Express4的传输技术。,RAID(Redundan

20、t Array of Independent Disk，容错磁盘阵列)：使用多个磁盘构成一个磁盘阵列。可以提高磁盘系统可靠性，提高读写速度。RAID有不同的多种模式，如RAID 0、RAID 1、RAID 5、以及Matrix RAID等。,eSATA(external SATA)：是SATA接口的外部扩展规范（外接版的SATA）。是外置版的SATA，用于连接外部移动硬盘、光盘驱动器或其它高速设备。,ATA和SATA：ICH7开始将SATA版本升级为2.0，具备双向300MB/s的传输速率。ICH8及以后ICH芯片开始放弃对ATA接口的支持，只支持SATA。有一些ICH8之后的主机板上仍然有A

21、TA接口，是通过接口芯片实现的。,Wi-Fi(Wireless Fidelity,无线高保真)：是一种无线联网的通信协议，即IEEE 802.11系列标准。其中目前常用的IEEE802.11b位速率为11Mb/s、IEEE802.11g位速率为54Mb/s。,网络接口：ICH6ICH8具备GbE（千兆以太网）接口。ICH9和ICH10在芯片内集成GbE，这样可以简化主机板网络接口。,PCI Express：I/O总线方面，ICH6及其之后的型号支持PCI-E1，同时保留PCI 总线。近期最新的芯片组取消对PCI的支持。,AC97HD Audio：ICH6及其之后的型号支持HD Audio音频。

22、8通道音频（AC97标准为6通道音频），以及更高的速率和量化精度。,USB：ICH9和ICH10支持双EHCI（Enhanced Host Controller Interface）主控制器，相当于两个USB控制器。之前的ICH支持1个USB主控制器，多个USB接口是通过USB集线器扩展出来的。,6.2 芯片组Netburst/Core构架9xx系列,Netburst/Core构架，9xx系列芯片组支持新一带Netburst构架，LGA775封装Pentium 4/D/EE以及Core 2；支持PCI Express；连接通道DMI（实际上是PCI-E4），双向1GB/s速率；支持HD Aud

23、ioDMI：Direct Media Interface,6.2 芯片组Netburst/Core构架9xx系列,Netburst/Core构架9xx系列芯片组（桌面系列）,P4Pentium 4PDPentium DPDC=Pentium Dual CoreCDCeleron DP4 EEPentium 4 Extreme Edition（至尊版）C2Q=Core 2 QuadC2D=Core 2 DuoC2E=Core 2 Extreme,GMA（Graphics Media Accelerator，图形媒体加速器）：Intel的GPU标准，集成在芯片组内，通过共享主存方式实现显示适配器功

24、能（集成显卡）。支持GMA的芯片组可以省去独立显示卡，以降低成本。但是由于共享主存储器，对在一定程度上影响计算机运行速度。但随着GMA版本的不断提高，其性能也在不断提高。在Core i3/i5/i7的部分型号中集成了更高性能的GMA HD（HD Graphics）,6.2 芯片组 Intel Core新编号芯片组,Core构架新编号系列芯片组（桌面系列）,MCH编号：P主流、Q商用型、G集成显卡，经济型、X顶级,6.2 芯片组 Intel X48+ICH9芯片组,Intel的X48+ICH9芯片组构成的系统,PCI-E 16显示适配器,双控制器USB2.012,PCI-E16,GbE接口及LA

25、N适配器,双通道DDR3存储器通道,HD Audio6通道音频,6SATA外存储器接口,6.2 芯片组Nehalem构架QPI总线结构,Nehalem构架QPI总线结构支持QPI处理器总线的Core i7；RAM直接连接到CPU，支持3个RAM通道；CPU通道改为QPI，25.6GB/s的高速通道；原MCH更名为IOH（I/O Hub）IOH：I/O HubQPI：QuickPath Interconnect,X58IOH芯片,PCI-E 2.0 16,Core i7CPU,2GB/sec连接通道,ICH10芯片,12USB 2.0,6SATA3.0,HD Audio,6PCI-E 1.11,

26、DMI,PCI总线,DDR3,25.6GB/sec连接通道,QPI,DDR3,DDR3,PCI-E 2.0 16,6.2 芯片组 Intel X58+ICH10系统构成,Intel的X58+ICH10芯片组构成的i7系统,三通道DDR3存储器通道,QPI处理器总线,6.2 芯片组Nehalem构架DMI总线结构,Nehalem构架DMI总线结构支持PCI-E+DMI+DDR3接口的Nehalem处理器，包括LGA1156封装的Core i系列和LGA1155封装的酷睿二代）；双片结构简化为单片结构处理器通过DMI直接连接PCH芯片；PCH：Platform Controller Hub,PCI

27、总线,6.2 芯片组Intel PCH芯片组,Intel PCH桌面系列全部型号（20102012.3）,Intel PCH芯片分为5、6、7三个系列：其中6和7系列支持Sandy Bridge微构架的处理器（酷睿二代），其DMI通道为2.0版，带宽4GB/s。只有X79支持LGA2011封装的Core i7（二代至尊版）,PCI Express通道：传输对用于实现不同的PCI-E线，传输对可以分配到各个PCI-E总线，如一个PCI-E1需要1个传输对，PCI-E4需要4个传输对。PCI-E 2.0传输对双向500MB/s，PCI-E 3.0传输对双向1GB/s。,SATA：支持RAID的0、

28、1、5、10和Matrix RAID模式。SATA 2.0传输速率双向300MB/s，SATA 3.0传输速率双向600MB/s。,USB：支持双USB控制器模式。Z77、Z75和H77支持USB 3.0。,FDI（Flexible Display Interface）：显示传输通道，连接处理器内部的GPU与PCH芯片中的显示适配器组成集成显示适配器。,6.2 芯片组 Intel Z68系统构成,Intel的Z68单片芯片组构成的Core i系统,PCI-E 16显示适配器(独立显卡),集成显示适配器(集成显卡),5.2 芯片组 Intel X79系统构成,Intel的X79单芯片构成的Cor

29、e i（Sandy Bridge，酷睿二代）系统，2011年Intel桌面系统顶级配置。,PCI-E 2.040路可灵活配置,酷睿二代i7处理器LGA2011封装,4通道DDR3存储器通道,6.2 芯片组 Intel X58片组,Intel的X58+ICH10芯片组构成的Core i7系统微星X58A主机板,ICH10R芯片,LGA1366处理器座,三通道DDR3存储器插座,X58芯片,6.2 芯片组 Intel X58片组,Intel的H57单芯片构成的Core i系统华硕P7H57D-V主机板,H57芯片,LGA1156处理器座,双通道DDR3存储器插座,6.2 芯片组Intel芯片组总结

30、,6.3 主机板构成,由PCB板构成的电路模块，集成了以下部件：芯片组；CPU插座；存储器条插座；电源插座，电源调整变换电路；总线扩展插槽；各种外部接口，串行接口、并行接口、USB接口、键盘接口、鼠标器接口，其他接口可能包括音频接口、局域网接口、显示器接口、电话线接口等；各种内部接口，包括ATA/S-ATA接口、软盘驱动器接口、AGP接口等；BIOS芯片和CMOS（RTC）芯片；其他集成电路芯片。,6.3 主机板 标准,目前台式PC主机板标准ATX标准，由AT标准发展而来，尺寸为30.524.4cm，7个扩展卡槽位;MicroATX标准，小型化的ATX标准，安装定位与ATX兼容。尺寸为24.4

31、24.2cm，34个扩展槽位。,技嘉H55芯片组ATX标准主机板,技嘉H55芯片组MicroATX主机板,6.3 主机板 标准,目前台式PC主机板标准Mini-ITX标准，安装定位与ATX、Micro-ATX兼容，尺寸为1717cm。主要用于嵌入式系统。,技嘉H55芯片组Mini-ITX标准主机板,6.3 主机板Intel DX58SO2主机板,LGA1366 处理器座,6个3通道DDR3存储器插座,X58IOH芯片,ICH10R芯片,1个PCI总线插槽,3个PCI-E 2.0 16总线插槽,2个PCI-E 2.0 1总线插槽,6个SATA2.0插座,2个SATA3.0插座,主电源接口,处理器电源接口,6.3 主机板Intel DX58SO2主机板,8通道音频模拟接口,SPDIF音频光纤输出接口,2个千兆局域网接口,1个1394接口,6个USB2.0接口,2个USB3.0接口,2个eSATA接口,