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计算机组成原理——主板篇

ghosTM55 posted @ 2008年11月22日 05:24 in 计算机原理 , 3860 阅读

  微机(Micro Computer)是电子计算机中的一个分类,其他的还有巨型机、大型机、中型机和小型机。不同类型的电子计算机之间的差别主要在体积与运算速度和存储容量上划分。

  微机系统由硬件系统和软件系统组成,硬件(Hardware)系统主要有主机、存储设备、多媒体设备、网络设备、输入输出设备组成,软件(Software)系统主要由系统软件与应用软件组成。

  微机的一个显著的特点在于它的CPU的功能都由一块高度集成的超大规模集成电路芯片完成,本篇学习笔记要介绍的就是最重要的一块电路板——主板。

  主板是微机系统中最大的一块电路板,又叫主机板(Main Board)、系统板(System Board)或母板(Mother Board),几乎所有的部件都连接到主板上,通过主板把CPU等各种部件和外部设备有机地结合起来组成一台完整的微型计算机系统。

  CPU是与主板配套最紧密的部件,每出现一种新型的CPU,都会推出与之配套的主板控制芯片组。主板主要以支持CPU的类型、结构、逻辑控制芯片、集成度、生产厂商进行分类。

  主板的组成结构:

PCB(Printed Circuit Board,印制电路板)基板:
由几层树脂材料粘合在一起,每一层PCB上都密布着信号线,普通的PCB有4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。
CPU插座:
目前常见的CPU插座有两种,一种是采用ZIF标准的CPU针脚插座,另一种是采用Socket T标准的LGA775插座。
主板芯片组(Chipset):
芯片组是主板的核心部件,起着协调和控制数据在CPU、内存和各部件之间传输的作用。一块主板的功能、性能和技术特性都由主板芯片组的特性决定,芯片组总是与某种类型的CPU配套。
芯片组有单片、两片或多片结构。目前面向普通PC用户的芯片组通常由两片组成,分别为南桥和北桥。
靠近CPU的为北桥,北桥芯片主要负责CPU与内存之间的数据交换,它还承担着AGP总线或PCI-E x16的控制、管理和传输工作。总的来说,北桥芯片主要承担高速数据传输设备的连接。
靠近PCI槽的为南桥,南桥芯片负责低速设备之间的连接,如PCI、PCI-E x1、USB、LAN、SATA、RAID、键盘控制器等。南桥芯片本身无法独立实现如此多的功能,它需要和其他功能芯片协作,从而使各种低速设备正常运转。
南桥与北桥两片芯片之间的数据传递由专用总线完成。北桥芯片决定了芯片组的档次和性能。
扩展插槽(Slot):
扩展插槽是主板上用于固定扩展卡并将其连接到系统总线上的插槽,也叫扩展槽、I/O插槽,主板上一般有1~8个扩展槽。通过插入扩展卡可以添加或增强系统的特性及功能。
扩展槽按其发展历史和连接的总线类型分为许多种。总线是构成计算机系统的桥梁,是各个部件之间进行数据传输的公共通道。作为PC内部必不可少的I/O总线,经历了从最初的8位PC/XT、16位的ISA、32位的EISA和VL到PCI、PCI Express总线几个发展阶段。
内存插槽:
内存插槽的作用就是安装内存。
BIOS单元:
BIOS(Basic Input Output System)的全称是ROM BIOS,即只读存储器基本输入输出系统。BIOS程序是微机中最基础、最重要的程序,它为计算机提供最底层、最直接的硬件控制。这段程序保存在主板上的一个只读存储器(ROM)芯片中。
BIOS程序包括:基本输入输出程序、系统设置程序、开机上电自检程序和系统启动自举程序。BIOS程序是连接软件程序与硬件设备的接口程序,负责解决硬件的即时要求,并按软件对硬件的操作要求具体执行。简单的说,BIOS是连接计算机硬件与操作系统的桥梁。
用户在BIOS中设置的各项参数保存在南桥芯片中的RAM单元中。
电源插座:
主板、键盘和所有接口卡都通过电源插座供电。
电源供电单元:
主板的供电系统是指为CPU、内存和显卡供电的单元,其作用是对电源输送过来的电流进行电压的转换,将电压转换至CPU所能接受的电压值,保证CPU在高频、大电流工作状态下稳定运行。
硬盘、光驱接口:
IDE接口插槽:IDE接口为40针双排针插座,第一个IDE接口标注为IDE1或Primary IDE,第二个IDE接口标注为IDE2或Secondary IDE,最多可以连接4个IDE设备。
Serial ATA接口插座:Serial ATA仅用4根针脚就能完成所有的工作,分别用于连接电源线、连接地线、发送收据和接受数据。SATA接口差错带有防插错设计,SATA接口的设备与IDE的不同,没有主从之分。
声卡控制芯片:
板载声卡已经成为主板的标准配置,几乎所有的主板都己成了符合AC'97 Rev 2.3规范的音频编解码芯片Codec。大部分声卡都为6或8声道解码,支持5.1或7.1声道的环绕立体音频输出和立体声的输入。
网卡控制芯片:
随着网络的普及,许多主板上都集成了具备网卡功能的芯片,同时在后测的I/O面板中也有一个RJ-45网卡接口。
时钟发生器:
自从IBM发布第一台PC以来,主板上就开始使用一个频率为14.318MHz的石英晶体振荡器(简称晶振)来产生基准频率。用晶振与时钟发生器芯片 (PPL-IC)组合,构成系统时钟发生器。晶振负责产生非常稳定的脉冲信号,而后经时钟发生器整形和分频,把多种时钟信号分别传输给每个设备,使得每个芯片都能够正常工作,例如CPU的外频、内存总线频率、PCI总线频率等。现在很多主板都具有线性超频的功能,它就是由时钟芯片提供的。
时钟芯片位于AGP槽附近,因为时钟给CPU、北桥、内存等设备的时钟信号线要等长。
I/O及硬件监控芯片:
I/O芯片的功能主要是提供一系列输入输出的接口,如鼠标、键盘、COM口、USB口等,它们都是统一由I/O芯片控制。部分I/O芯片还能提供系统监控、检测功能,可以用来监控受监控对象的温度、转速、电压等。对于温度的监控要与温度传感元件配合使用,对风扇电动机转速的监控则需与CPU或显卡的散热风扇配合使用。主板上的I/O芯片又称Super I/O芯片。
跳线、DIP开关、插针:
跳线(Jumper)主要用来设定硬件的工作状态,例如CPU的电压、外频和倍频,主板的资源分配,以及启用或关闭某些主板功能等。跳线实际上就是一个短路小开关,它由两个部分组成:一部分固定在电路板上,由两根或两根以上金属跳针组成,另一部分是“跳线帽”,这是一个可以活动的部件,外层是绝缘塑料,内层是导电材料,可以插在跳线针上面,将两根跳线针连接起来。跳线帽扣在两根跳线针上时是接通状态,有电流通过,称为ON,反之称为OFF。
DIP开关与普通跳线一样,只是将跳线做成了开关,这样可以更为直观和容易地设置硬件的工作状态。跳线赋予了主板更为灵活的设置方式,但是随着大量硬件参数逐渐在BIOS中设置,主板中的跳线已经越来越少了。
外部接口(I/O接口背板):
随着主板技术的增加,主板上集成的接口越来越多。主流的外部接口有键盘鼠标PS/2接口、串口、并口、USB接口、IEEE 1394接口、RJ-45接口、声卡接口、VGA接口、S端子、E-SATA接口等。

txi@ghosTunix.org:~> date
Wed Oct 22 20:13:05 CST 2008


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