第四章 總線與芯片組

第四章總線與芯片組總線功能、定義和分類，總線的三個(gè)組成部分。掌握ISA、PCI和AGP總線的規(guī)格和特點(diǎn)。芯片組芯片組(南橋和北橋)的基本功能。掌握Intel的常用芯片組的基本特點(diǎn)。主機(jī)板構(gòu)成和各部分的功能。了解主板的技術(shù)術(shù)語(yǔ)和特點(diǎn)。掌握主板上各個(gè)設(shè)備接口的用途。1.總線的定義：

總線就是各種信號(hào)線的集合，是計(jì)算機(jī)各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路。通常根據(jù)傳送信號(hào)的不同將它們分別稱為地址(addressbus)、數(shù)據(jù)(databus)和控制(Controlbus)三大總線。總線是數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線的總稱。2.總線的特性：

——高速：滿足CPU的外部訪問(wèn)要求

——標(biāo)準(zhǔn)：使得不同的設(shè)備可以和計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)連接

——公共：全部外部設(shè)備共同使用4.1總線

數(shù)據(jù)總線雙向——傳送的內(nèi)容CPU取指令時(shí)——用于傳送指令代碼CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)——用于傳送數(shù)據(jù)I/O操作時(shí)——用于傳送外部數(shù)據(jù)產(chǎn)生中斷時(shí)——用于傳送中斷向量

地址總線

單向——傳送的地點(diǎn)存儲(chǔ)器訪問(wèn)——傳送存儲(chǔ)器地址I/O訪問(wèn)——傳送I/O地址控制總線

——傳送的方向和內(nèi)容定義 傳送的是CPU和其它控制芯片發(fā)出的各種控制信號(hào)：讀/寫(W/R)、存儲(chǔ)器或I/O口訪問(wèn)(M/IO)中斷請(qǐng)求、DMA請(qǐng)求、DMA應(yīng)答等；時(shí)鐘、復(fù)位等。4.1總線3.三總線的作用指令的執(zhí)行過(guò)程取指令指令譯碼取操作數(shù)執(zhí)行指令存結(jié)果總線周期

一個(gè)基本的總線周期通常包括4個(gè)T狀態(tài)，按時(shí)間的先后順序分別稱為T1、T2、T3、T4指令周期

執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間稱為指令周期。執(zhí)行一條指令的時(shí)間：取指令、執(zhí)行指令、取操作數(shù)、存發(fā)結(jié)果所需的時(shí)間總和。例如：movbx,ax2個(gè)TMulBL70個(gè)T

不同指令執(zhí)行時(shí)間（T）不同；同一類型指令由于操作數(shù)不同，指令周期也不同。

mov[bx],ax14個(gè)T8086總線周期示意：8086中一個(gè)基本的總線周期由4個(gè)時(shí)鐘周期組成，如果內(nèi)存或I/O接口速度較慢，來(lái)不及響應(yīng)，則在T3之后插入一個(gè)或多個(gè)Tw空閑周期：只有在BIU和內(nèi)存或I/O之間交換數(shù)據(jù)，以及填充指令隊(duì)列時(shí)BIU才執(zhí)行總線周期。除此之外，既不需要填充指令隊(duì)列，EU也不向BIU發(fā)出總線周期請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)總線處于空閑狀態(tài)，進(jìn)入空閑周期；有一個(gè)或多個(gè)T組成。片內(nèi)總線在CPU內(nèi)部，寄存器之間和算術(shù)邏輯部件ALU與控制部件之間傳輸數(shù)據(jù)所用的總線稱為片內(nèi)總線(芯片內(nèi)部的總線)。系統(tǒng)總線(前端總線)

一般為CPU與存儲(chǔ)器(L2Cache)、芯片組之間的連接總線。是CPU的數(shù)據(jù)、指令等傳輸通道，也是I/O總線的過(guò)度總線。I/O總線

主機(jī)與外部設(shè)備之間的連接總線。微機(jī)目前使用的I/O總線主要是PCI和ISA。其他符合總線概念的數(shù)據(jù)通道 包括USB、SCSI等。4.1總線4.分類系統(tǒng)總線I/O總線

RAM控制器（含在芯片組內(nèi)）控制器（含在芯片組內(nèi)）L2CacheI/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)器鍵盤鼠標(biāo)適配器等CPU4.1總線5.微機(jī)總線之間的關(guān)系總線位寬

總線寬度指的是可以同時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)位數(shù)。位寬越寬則總線每秒數(shù)據(jù)傳輸率越大?？偩€時(shí)鐘頻率

總線的工作時(shí)鐘頻率以MHz為單位，工作頻率越高則總線工作速度越快?？偩€帶寬

帶寬實(shí)質(zhì)上指的是給定時(shí)間內(nèi)可以發(fā)送的最大數(shù)據(jù)量，即我們常說(shuō)的每秒鐘傳送多少M(fèi)B的最大穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸率。

總線帶寬=總線的位寬×總線的工作時(shí)鐘頻率4.1總線6.總線的主要參數(shù)系統(tǒng)總線——又稱前端總線(FSB:FrontSideBus)，目前用于連接CPU與RAM(一般是L2-Cache)。在主板上系統(tǒng)總線是主干，其它總線是其支干。系統(tǒng)總線的時(shí)鐘頻率系統(tǒng)總線的設(shè)計(jì)頻率一般取決于當(dāng)時(shí)RAM的速度。例：以400M的PentiumII為例：當(dāng)時(shí)的存儲(chǔ)器采用的是PC100的SDRAM，使用Intel440芯片組：4.1總線PentiumII400MHzX4100MHz時(shí)鐘總線接口Intel440芯片組(北橋)PC100SDRAM100MHz系統(tǒng)總線7.系統(tǒng)總線4.1總線Intel38632位16~25Intel48632位25~100Pentium64位77~20016~2525~5060~66PentiumII64位233~45066~100PentiumIII64位450~733100~133CPU系統(tǒng)總線位寬CPU主頻系統(tǒng)總線頻率

由于CPU速度的發(fā)展高于存儲(chǔ)器速度的發(fā)展,從Intel80486開始，CPU采用倍頻技術(shù)。Pentium4之前系統(tǒng)總線頻率和CPU外頻相同。

從Pentium4開始，系統(tǒng)總線頻率高于CPU外頻。早期CPU的系統(tǒng)總線I/O總線的作用：I/O總線用于CPU與存儲(chǔ)器之外的其它部件的連接，微機(jī)主要I/O設(shè)備如顯卡、硬盤/光盤存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)卡與主機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換都是通過(guò)I/O總線完成的。I/O總線的特點(diǎn)：I/O總線在傳輸速度上要比系統(tǒng)總線低得多，與CPU速度、系統(tǒng)總線速度無(wú)關(guān)。I/O總線擴(kuò)展槽：I/O總線還連接到一些特定的插槽上去對(duì)外開放，以便于外部的各種擴(kuò)展電路板連入系統(tǒng)。這些插座被稱為系統(tǒng)I/O總線擴(kuò)展插槽（SystemInput/OutputBusExpandedSlot）。

4.1總線PCI總線擴(kuò)展槽 ISA總線擴(kuò)展槽8.I/O總線

4.1總線I/O總線的邏輯結(jié)構(gòu)4.1總線ISA總線標(biāo)準(zhǔn)來(lái)源于IBMPC/AT機(jī)主板使用的系統(tǒng)I/O總線和擴(kuò)展插槽，所以也稱為AT總線(ATBus)，87年成為國(guó)際通用總線標(biāo)準(zhǔn)ISA(IndustryStandardArchitecture)即工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線。

8位ISA(8086PC/XT)→16位ISA(80286PC/AT)

ISA總線的主要性能指標(biāo)如下:20/24位地址線可直接尋址的內(nèi)存容量為1MB/16MB。

8/16位數(shù)據(jù)線。

62/62+36引腳。最高時(shí)鐘頻率8MHz。最大傳輸速率16MB/s。9.ISA總線

PCI(PeripheralComponentInterconnect)

即外部設(shè)備互聯(lián)總線，PCI是專門為IntelPentium處理器設(shè)計(jì)的。有32位和64位2個(gè)版本。

32位PCI：工作時(shí)鐘是33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率為133MB/S。

64位PCI：工作時(shí)鐘提高到66MHz，數(shù)據(jù)傳輸率528MB/S。

PCI的高速性能使之能支持各種高速設(shè)備，特別是3D圖形加速卡。目前PCI擴(kuò)展卡已成為微機(jī)高速擴(kuò)展卡的主流，包括顯示卡、聲卡、Modem卡、網(wǎng)卡、視頻卡等。

4.1總線10.PCI總線PCI總線的特點(diǎn)：支持PnP：(PlugandPlay即插即用)功能?？梢酝ㄟ^(guò)PCI總線設(shè)置中斷號(hào)、端口地址等。支持線性突發(fā)數(shù)據(jù)傳送方式：對(duì)存儲(chǔ)器的連續(xù)區(qū)域的訪問(wèn)時(shí)大大提高了總線的數(shù)據(jù)傳輸率。支持總線主控和同步操作：可以由外設(shè)接管總線，CPU在這時(shí)可同步操作。數(shù)據(jù)和地址線復(fù)用：地址和數(shù)據(jù)采用同一組線，分時(shí)復(fù)用傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)，以降低成本。PCI時(shí)鐘獨(dú)立于CPU的主頻：提高使用的靈活性，PCI設(shè)備也不影響CPU。4.1總線

AGP(AcceleratedGraphicsPort)是Intel公司開發(fā)的新一代圖形總線標(biāo)準(zhǔn)。它是建立在PCI基礎(chǔ)上專門針對(duì)3D圖形處理而開發(fā)的高性能顯示專用接口?；続GP采用32位位寬，基本AGP時(shí)鐘為66MHz時(shí)鐘。傳輸帶寬為266MB/s。后相繼發(fā)展到AGP2X、AGP4X、AGP8X，其傳輸帶寬分別為533MB/s、1.066GB/s、2.133GB/s。4.1總線11.AGPPCIExpress是一種串行總線，設(shè)備和設(shè)備采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，也就是說(shuō)連接在PCIExpress總線上的各個(gè)設(shè)備單獨(dú)享有一條總線的所有帶寬，這樣就避免了各個(gè)設(shè)備之間為爭(zhēng)奪總線帶寬所導(dǎo)致的系統(tǒng)性能下降。PCIExpress——下一代總線標(biāo)準(zhǔn)4.1總線模式雙向傳輸模式數(shù)據(jù)傳輸模式PCIExpressx1500MB/s250MB/sPCIExpressx21GB/s500MB/sPCIExpressx12GB/s1GB/sPCIExpressx14GB/s2GB/sPCIExpressx18GB/s4GB/sPCIExpressx116GB/s8GB/s4.2主板的控制芯片組

芯片組(Chipset)就是與對(duì)應(yīng)的CPU相配合的一組系統(tǒng)控制集成電路，它們集成了早期主板上的幾十片Intel專用集成電路的功能和不斷增加的新功能。它集成了：

系統(tǒng)總線接口，用于連接CPU和存儲(chǔ)器；

PC機(jī)必須的通用接口和專用接口；中斷控制、定時(shí)器、DMA控制等計(jì)算機(jī)必須的控制電路；常用的外部設(shè)備，網(wǎng)卡、聲卡等；

I/O總線。

典型的芯片組是由南橋和北橋兩個(gè)IC構(gòu)成，北橋芯片連接著主機(jī)(CPU和內(nèi)存等)，南橋芯片連接著各種接口(驅(qū)動(dòng)器、串并口和總線接口等)。芯片組確定計(jì)算機(jī)的各方面的性能：

系統(tǒng)總線速度；

存儲(chǔ)器標(biāo)準(zhǔn)、最大容量和速度；各種通用接口和專用接口的功能、性能指標(biāo)；嵌入的聲音、顯示、網(wǎng)絡(luò)等電路；其他集成功能，如電源管理、防病毒等。主流芯片組是Intel的i系列：

PentiumMMXi430芯片組

PentiumⅡi440芯片組

PentiumⅢi810/i815/i820芯片組

Pentium4i845/i850/i848/i865/i875芯片組

Pentium4i915/i920/i925芯片組

PentiumDi945/955芯片組4.2主板的控制芯片組前端總線頻率：CPU與芯片組之間的傳送頻率，一般為CPU的外頻。存儲(chǔ)器支持：

SDRAM：同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，64位，PC100，PC133DDRSDRAM：雙倍速SDRAM，速度一般比SDRAM快一倍RDRAM：RambusDRAM，成本較高硬盤接口：

UDMA/33：DMA方式傳送時(shí)速率為33MB/sUDMA/66：DMA方式傳送時(shí)速率為66MB/sATA-100：DMA方式傳送時(shí)速率為100MB/sSerial-ATA：最新的串行ATA接口RAID：(RedundantArrayofIndependentDisks:容錯(cuò)式獨(dú)立磁盤陣列)通過(guò)多個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器的協(xié)同來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能或高安全性的技術(shù)。有多個(gè)版本，RAID0/1/2一般用于PC，RAID3/4/5通常用于服務(wù)器。有IDERAID和SATARAID。芯片組主要技術(shù)術(shù)語(yǔ)AGP：支持的AGP端口的速率。目前有AGP、AGP2X、AGP4X和AGP8X幾種，其中AGP8X最新。AC’97規(guī)范：Intel于1996年發(fā)布了AC’97標(biāo)準(zhǔn)，它把聲卡中成本最高的DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)給去掉了，而通過(guò)特別編寫驅(qū)動(dòng)程序讓CPU來(lái)負(fù)責(zé)信號(hào)處理，它工作時(shí)需要占用一部分CPU資源。目前大多數(shù)芯片組支持AC’97。USB支持：通用串行接口。目前芯片組都支持USB，提供2-8個(gè)USB接口，有1.1和2.0兩個(gè)版本。I/O總線：早期的P4微機(jī)一般是PCI和ISA共存，目前大多數(shù)主板沒有ISA總線，最新的總線標(biāo)準(zhǔn)是PCIExpress，將取代PCI和AGP。CSA（通信流架構(gòu):CommunicationStreamingArchitecture）千兆以太網(wǎng)（GbE）芯片組主要技術(shù)術(shù)語(yǔ)應(yīng)用于Pentium4的intel系列芯片組

i845E i848P i865PE i875PCPU P4 P4 P4 P4超線程

X Y Y Y前端總線

533M 800M 800M 800M 存儲(chǔ)器

2GB 2GB 2GB 4GB DDR266 DDR400 DDR400X2 DDR400X2ATA接口

ATA100 ATA100 ATA100 ATA100SerialATA X 2 2 2AGP AGP4X AGP8X AGP8X AGP8XAC’97 6通道 6通道 6通道 6通道USB 6X2.0 8X2.0 8X2.0 8X2.0I/O總線

133MPCI 133MPCI 133MPCI 133MPCI目前使用的芯片組主要指標(biāo)Intel865芯片組結(jié)構(gòu)HDAudio（HighDefinitionAudio，高保真音頻）AC’97：基本指標(biāo)是16bit/48KHz的信號(hào)質(zhì)量，6聲道。因此，AC’97電腦音頻與一般家用音響的CD相當(dāng)。Intel芯片組——i915/i925HDAudio：基本指標(biāo)是24bit/96KHz或24bit/192KHz，8聲道，指標(biāo)高于目前最高音質(zhì)水平的DVD-Audio純音樂光盤（6聲道，每聲道24bit/96KHz）。

PCI-E總線的主機(jī)板→

主板（MainB