1、第12章 芯片組性能特點(diǎn)與微型機(jī)體系結(jié)構(gòu),80 x86系列微型計(jì)算機(jī),12. 1 芯片組的性能特點(diǎn),早期的主板： 布滿了分立元器件和芯片（能耗大、可靠性低）。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展： 從 386/486 微型機(jī)開(kāi)始 ，大部分芯片的功能集成到 24 塊芯片中，這一組芯片就稱(chēng)為 芯片組 ( Chipset )。 芯片組 是構(gòu)成主板控制電路的核心， 芯片組與主板的關(guān)系就像 CPU 與 整機(jī) 的關(guān)系一樣， 它提供主板上的核心控制邏輯。 除了 CPU 以外，主板上的所有控制功能幾乎都集成在芯片組內(nèi)。 采用芯片組的類(lèi)型直接影響到主板甚至整機(jī)的性能。,12.1.1 芯片組的功能,(1) 提供對(duì) CPU 的支

2、持 (2) 提供對(duì)內(nèi)存的管理 (3) 提供對(duì) Cache 的管理與控制 (4) 提供標(biāo)準(zhǔn)機(jī)用 IO 控制, 如: 中斷控制器、定時(shí)器、 DMAC、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、 鍵盤(pán)接口芯片（KBC）等 。 (5) 提供對(duì)各種標(biāo)準(zhǔn)總線的 IO 擴(kuò)展槽的控制。,12.1.2 芯片組的廠商,主要有兩大系列產(chǎn)品陣營(yíng)針?shù)h相對(duì)， 一方是世界首屈一指的主流芯片組生產(chǎn)廠商 Intel. 另一方則是后起之秀非 Intel 的兼容芯片生產(chǎn)廠商 VIA (威盛)、SiS (矽統(tǒng))、Ali (揚(yáng)智) 以及 AMD 公司。 VIA，SiS，ALi 三家同為中國(guó)臺(tái)灣廠商， 目前 VIA 已跨入了主流芯片組生產(chǎn)廠商的行列，可以 與

3、 Intel 芯片組平分天下。,1.Intel系列芯片組,Pentium ( 或 586 ) 級(jí)： 主板芯片 430 系列芯片組。 Pentium PRO 和 Pentium以上級(jí)別： 主板芯片 440 系列芯片組 和 810、820、815、840、850 系列芯片組。,2.非 Intel 系列芯片組簡(jiǎn)介,非 Intel 系列的芯片組生產(chǎn)廠商主要有： VIA、SiS 和 Ali 以及 AMD 公司， 其芯片組產(chǎn)品可以支持到目前為止所出現(xiàn)的各種檔次、各個(gè)系列的 586 以上的各種 CPU ( 包括 Intel 的 P54C、P55C、Celeron、Pentium；AMD的 K5、K6、K62

4、、K6、K7 等全系列的 CPU )。,1.基于 Socket7 接口的芯片組,（1）Intel 430HX 芯片組 包括：北橋（82439HX），系統(tǒng)控制器 南橋（82371SB），PCI 及 I/O 接口 （2）Intel 430TX 芯片組,Socket7：使應(yīng)用程序能夠讀寫(xiě)與收發(fā)通訊協(xié)定 與資料的程序。,注,2.基于Slot1接口的芯片組,(1) Intel 440LX芯片組 Intel 440LX 是第一款成熟的基于 Slot1 平臺(tái)的芯片組，專(zhuān)門(mén)為 Pentium設(shè)計(jì)。 改進(jìn)： 為大流量數(shù)據(jù)傳輸 和 并行操作提供了嶄新 的解決方案。 第一次把 AGP 技術(shù)帶到了 Intel 的 S

5、lot1 平臺(tái)中，為 PC 圖形處理的發(fā)展開(kāi)辟出了一條可行之路。,加速圖形接口,Intel 440LX 芯片組包括：, 北橋芯片 82443LX（492引腳、BGA封裝） 功能：提供了總線接口、 AGP（加速圖形）接口、 內(nèi)存管理等功能。 南橋芯片 82371AB（324腳 、BGA封裝）。 功能：提供了PCI - ISA 橋接器、 DMA 控制器、 即插即用等功能。,2.基于 Slot1 接口的芯片組,(2) Intel 440BX 芯片組 過(guò)低的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率降低了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率，限制了CPU 主頻的提升，對(duì)系統(tǒng)性能有很大的影響。 Intel 于 1998 年 4 月推出了440BX 芯片

6、組，這是第一款支持 1OOMHz 外頻的基于Slot1結(jié)構(gòu)的芯片組。,北橋芯片主要功能,北橋芯片( 或主橋芯片，Host Bridge) 82443 BX 的功能主要包括： 最多支持最多 4 個(gè) Pentium 處理器， 也可以支持各種 Celeron 處理器（賽揚(yáng)） ( 包括最新的 Celeron 370)。,北橋芯片主要功能, 64 位總線接口，最大總線工作頻率為 100MHz， 133 MHz 數(shù)據(jù)傳輸?shù)?AGP 接口。 64 位主內(nèi)存接口，為 SDRAM 優(yōu)化。 82443BX 芯片內(nèi)集成的 內(nèi)存控制器，支持： 內(nèi)存類(lèi)型：SDRAM或 EDO DRAM (筆記本電腦專(zhuān)用)； 內(nèi)存容量：

7、最高可達(dá)1GB； 尋址類(lèi)型：對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)尋址； 支持 ECC 內(nèi)存。,同步突發(fā)內(nèi)存 （采用多體存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和突法發(fā)模式）,擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出動(dòng)態(tài)隨機(jī)內(nèi)存,北橋芯片主要功能, 32 位主 PCI（局部總線）接口，集成了 PCI 仲裁器 ( Arbiter )。 支持 突發(fā)讀寫(xiě) 和 并發(fā)工作方式，支持多主控設(shè)備（與 CPU 時(shí)鐘 無(wú)關(guān) ）。 133MHz 數(shù)據(jù)傳送能力的 AGP 接口，AGP 規(guī)格 1.0 版本。 支持同步 AGP 接口， 理論上可達(dá)到 533MBs 的數(shù)據(jù)傳輸速率 ( 即 AGP2X 方式 )。 在所有接口之間都具有數(shù)據(jù)緩沖器， 以適應(yīng) 高數(shù)據(jù)流量 和 并發(fā)操作 的需要。 支持深綠電源管

8、理功能。,為支持Pentium 微處理器的資源聯(lián)合制定的總線標(biāo)準(zhǔn),將總線分為不同檔次： CPU 與主存之間粗度最快；可連接快速卡（圖形加速卡）、通過(guò)IDE、SCSI控制器連接高速硬盤(pán)通過(guò)PCI 橋與 ISA 總線設(shè)備相連。,南橋芯片主要功能,南橋芯片 82371EB ( IO芯片 ) 功能： PCI-ISA 橋接器，PCI 2.1 版本，支持 3.3V 和 5V、總線時(shí)鐘頻率為 33MHz PCI設(shè)備。 支持綠色電源管理功能。 增強(qiáng)的 DMA 控制器、中斷控制器和計(jì)時(shí)器。,外部設(shè)備互連總線,早期 PC 機(jī)系統(tǒng)總線（8位、16位）,南橋芯片主要功能, 集成的 IDE 控制器， 支持 Ultra

9、DMA-33 高速硬盤(pán)接口。 通用串行總線 USB 控制器， 支持兩個(gè) USB 端口。 系統(tǒng)管理總線，支持 DIMM 內(nèi)存條插槽。 支持外部 IO APIC (Advanced Programmable Interrupt Controller）， （高級(jí)可編程中斷控制器)部件。 支持即插即用 ( Plug and Play)。,8088體系,3.基于Socket 370接口的芯片組,（1）Intel 440ZX芯片組 （2）Intel 810芯片組,810芯片組的種類(lèi), i810-L：這是810系列芯片組中最低檔的一種。不支持Ultra DMA-66，只支持Ultra DMA-33，不帶 4

10、MB 顯存。 i810：這是810系列芯片組中的標(biāo)準(zhǔn)版本。支持Ultra DMA-66， 也不帶4MB顯存。 i810-BCl00：目前最常用的一種。支持Ultra DMA-66，并帶有 4MB顯存，但是只有A3版本才支持Intel的基于 Slot1平臺(tái)的各種CPU。 以上三種 810芯片組，是Intel較早發(fā)布的幾款產(chǎn)品，支持的外頻 均為100MHz，芯片組內(nèi)都集成i752圖形加速芯片。 i810E：810系列芯片組中最高檔的一種產(chǎn)品，于1999年9月 上市。它除了支持UltraDMA-66，并帶有4MB顯存外， 還支持Intel最新的133MHz外頻的Pentium處理器。,（3）i815

11、芯片組,Intel后來(lái)推出i815芯片組，它是主流微機(jī)配備的系統(tǒng)支持芯片組，是在i810E的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，支持PCI33同步內(nèi)存，但其內(nèi)建的圖形芯片還是i752，但支持AGP4X，可另插所需的3D顯示卡。Intel815系列芯片組有兩個(gè)品種，815E和815EP。815E內(nèi)部集成成圖形顯示部件，815EP去掉了不受歡迎的內(nèi)部圖形顯示部件。,(4)i820芯片組,820芯片組是繼440BX芯片組推出一年半以后的第一個(gè)換代產(chǎn)品，而且是定位在高檔的主流PC市場(chǎng)。820芯片組側(cè)重的是性能，價(jià)格因素并未做太多的考慮，而810芯片組側(cè)重的是價(jià)格。 由于820芯片組的定位太高，與之配套的Rambus內(nèi)存

12、價(jià)格太高，加之一些其他方面的原因，使得820芯片組沒(méi)有推開(kāi)而退出市場(chǎng)。,（5）i840芯片組,這是Intel繼440GX(專(zhuān)為服務(wù)器市場(chǎng)研制的芯片組，裝機(jī)市場(chǎng)用得很少)之后發(fā)布的又一款用于服務(wù)器和高檔工作站的高檔芯片組。它由MCH芯片F(xiàn)W82840、ICH芯片 FW82801AA、FWH芯片82802AB和P64H芯片F(xiàn)W82806AA組成。除具有i820芯片組的功能外，還支持雙通道Rambus DRAM和對(duì)稱(chēng)多處理器，通過(guò)附加的MFH芯片，可以支持SDRAM。,4. i850芯片組,Inteli850芯片組是由Intel公司專(zhuān)門(mén)為Pentium4 CPU設(shè)計(jì)的。主要是為了適應(yīng)RAMBUS內(nèi)存

13、構(gòu)架推出的Intel i850芯片組。該芯片組仍然使用了Intel的HUB結(jié)構(gòu)，包括850MCH(MemoryControllerHub)、ICH2(IO Controller Hub)和FWH(Pirmware Hub)三部分。850MCH(Intel 82850)全稱(chēng)內(nèi)存控制器中心，在Pentium 4主板上占據(jù)相當(dāng)于北橋芯片的位置，Intel對(duì)它的功能重新進(jìn)行了定義，同時(shí)也采用了最新的FC-BGA封裝技術(shù)，使它看上去像一顆小型CPU。ICH2(Intel82801BA)是輸入輸出控制中心，而FWH是固件控制器，用于存放BIOS，并且整合了隨機(jī)數(shù)生成器功能。,12.2 微型機(jī)基本體系結(jié)構(gòu),

14、12.2.1 8088 PC/XT結(jié)構(gòu) 12.2.2 PC/AT總線結(jié)構(gòu) 分立元件型體系結(jié)構(gòu),分立元件型,駐存管理程序 （上電自撿、體系結(jié)構(gòu)引導(dǎo)、日時(shí)鐘管理、基本I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）,1體系結(jié)構(gòu)支持芯片,數(shù)值運(yùn)算協(xié)處理器 80287； 時(shí)鐘發(fā)生器 8284 ； 兩個(gè)級(jí)連的中斷控制器 8259； 一個(gè)定時(shí)控制器 8254； 兩個(gè)級(jí)連的 DMA 控制器 8237； 總線控制器采用 8288 DMA 頁(yè)面寄存器 74LS612,12.2.3 386/486 體系結(jié)構(gòu),芯片組型 它的體系結(jié)構(gòu)支持芯片用幾個(gè)多功能芯片組成的芯片組來(lái)替代 PCXT 機(jī)中的多個(gè)單功能芯片。 比如，在 80386 微機(jī)中采用了

15、由 85C310 Cache存儲(chǔ)器控制器、85C320 AT總線信號(hào)控制器、85C330數(shù)據(jù)緩沖器和 82C206 集成外圍控制器組成的芯片組。其中，82C206 提供和 8088 體系結(jié)構(gòu)兼容的 7個(gè)DMA通道、13個(gè)中斷請(qǐng)求、2個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器、一個(gè)實(shí)時(shí)鐘和一個(gè)存儲(chǔ)器映像器 .,芯片組型,12.2.4 80486 EISA總線微型機(jī)體系結(jié)構(gòu),在Intel公司， 繼ISA后推出EISA(擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu))總線標(biāo)準(zhǔn)， 特點(diǎn)：支持突發(fā)式 DMA 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議， 總線時(shí)鐘為 8MHz， 總線寬度為 32 位。 其最高總線傳輸率為 33MBs。 在功能上、電氣連接上及物理上保持與PCXT、 PCAT

16、ISA總線的兼容性。,以 80286 為 CPU,用于32位機(jī)中 （支持?jǐn)?shù)據(jù)猝發(fā)式數(shù)據(jù)傳送、32位尋址、與ISA兼容）,12.2.5 Pentium微型機(jī)的體系結(jié)構(gòu),微機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了革命性的變化： 改變了主板總線結(jié)構(gòu)。為了提高微機(jī)體系結(jié)構(gòu)的整體性能，規(guī)范體系結(jié)構(gòu)的接口標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)各部件處理或傳輸信息的速度快慢， 采用了更加明顯的三級(jí)總線結(jié)構(gòu)： CPU總線(Host Bus)、 局部總線(PCI總線) 體系結(jié)構(gòu)總線(一般是ISA)。,三級(jí)總線結(jié)構(gòu),CPU總線為64位數(shù)據(jù)線、32位地址線的同步總線，66MHz或100MHz總線時(shí)鐘頻率； PCI總線為32位或64位數(shù)據(jù)地址分時(shí)復(fù)用同步總線。PCI局

17、部總線作為高速的外圍總線不僅能夠直接連接高速的外圍設(shè)備，而且通過(guò)橋芯片和更高速的CPU總線與體系結(jié)構(gòu)總線相連。 體系結(jié)構(gòu)總線仍為16位數(shù)據(jù)線、20位地址線。 外圍總線由低速總線發(fā)展到高速的PCI總線，這一結(jié)構(gòu)的改變，微型機(jī)性能的提高起了很重要的作用。,南北橋結(jié)構(gòu),三級(jí)總線之間由更高集成度的多功能橋路芯片組成的芯片組相連，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體。 橋路芯片起到信號(hào)速度緩沖、電平轉(zhuǎn)換和控制協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用。,通用串行總線,12.2.6 Pentium微型機(jī)體系結(jié)構(gòu),圖12.6所示的是由Intel公司南北橋結(jié)構(gòu)的芯片組440BX所組成的Pentium微機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。440BX芯片組主要由兩塊多功能芯片組成

18、。其中，北橋芯片82443BX集成有CPU總線接口，支持單、雙處理器，雙處理器可以組成對(duì)稱(chēng)多處理機(jī)(SMP)結(jié)構(gòu)；同時(shí)82443BX還集成了主存控制器、PCI總線接口、PCI仲裁器及AGP接口，并支持體系結(jié)構(gòu)管理模式(SMM)和電源管理功能。它作為CPU總線與PCI總線的橋梁。,南橋芯片是82371EB芯片。該芯片組集成了PCI-ISA連接器、IDE控制器、兩個(gè)增強(qiáng)的DMA控制器、兩個(gè)8259中斷控制器、82538254時(shí)鐘發(fā)生器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等多個(gè)部件；另外還集成了一些新的功能，如USB控制器、電源管理邏輯及支持可選的FOAPIC等。通過(guò)USB接口，可以連接很多外部設(shè)備，比如擁有USB接口的掃描

19、儀。打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和攝像頭等等。82371EB作為PCI總線和ISA總線的橋梁。,AGP總線 (1)采用雙重驅(qū)動(dòng)技術(shù)。由于采用新的低電壓規(guī)范，允許在一個(gè)66MHz的總線時(shí)鐘 內(nèi)傳輸一次或兩次數(shù)據(jù)，即在AGP時(shí)鐘信號(hào)的上沿和下沿都進(jìn)行32位數(shù)據(jù)傳輸，從而將有效帶寬提高4倍而達(dá)到512MBs甚至1GBs。 (2)采用帶邊信號(hào)傳送技術(shù)。在總線上調(diào)制地址與數(shù)據(jù)的多路復(fù)用，在這種方法中控 制信號(hào)不通過(guò)數(shù)據(jù)總線而是通過(guò)單獨(dú)的總線來(lái)傳輸，從而把整個(gè)32位PCI總線留出來(lái)給圖形加速器，這也是對(duì)PCI總線的一種改進(jìn)。 (3)采用內(nèi)存請(qǐng)求流水線技術(shù)。采用深度流水線讀、寫(xiě)操作，隱含了對(duì)存儲(chǔ)器訪問(wèn)造成的延遲。這種方

20、法允許體系結(jié)構(gòu)處理圖形控制器對(duì)內(nèi)存進(jìn)行的多次請(qǐng)求。如果一個(gè)先前的內(nèi)存請(qǐng)求處于掛起狀態(tài)，PCI總線將迫使圖形控制器暫停對(duì)內(nèi)存的請(qǐng)求，這種暫停訪問(wèn)內(nèi)存的方法會(huì)使本來(lái)已經(jīng)存在的內(nèi)存請(qǐng)求延時(shí)變得更長(zhǎng)。通過(guò)內(nèi)存的流水線策略，對(duì)各種內(nèi)存請(qǐng)求進(jìn)行排隊(duì)來(lái)減少延時(shí)，一個(gè)典型的排隊(duì)可處理12個(gè)以上的請(qǐng)求。從而大大加快了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?(4)減少對(duì)PCI總線的傳輸壓力。,12.2.7 中心結(jié)構(gòu)的PentiumIII微型機(jī)體系結(jié)構(gòu),南北橋結(jié)構(gòu)盡管能夠?yàn)橥鈬O(shè)備提供高速的外圍總線，但是南北橋芯片之間也是通過(guò) PCI總線連接的，南北橋芯片之間的頻繁數(shù)據(jù)交換必然使得PCI總線信息通路依然呈現(xiàn)一定的擁擠，也使得南北橋芯片之

21、間的信息交換受到一定的影響。為了克服這個(gè)問(wèn)題，同時(shí)也為了進(jìn)一步加強(qiáng)PCI總線的作用，Intel公司從810芯片組開(kāi)始，就放棄了傳統(tǒng)的南北橋結(jié)構(gòu)， 而采用中心結(jié)構(gòu).,中心結(jié)構(gòu),中心結(jié)構(gòu),構(gòu)成這種結(jié)構(gòu)的芯片組主要由三個(gè)芯片組成： 存儲(chǔ)控制中心MCH (Memory Controller Hub) ； 提供高速的AGP接口、動(dòng)態(tài)顯示管理、電源管理和內(nèi)存管理功能。 IO控制中心 ICH (IO Controller Hub)： 提供音頻編碼和調(diào)制解調(diào)器編碼接口、IDE控制器提供高速磁盤(pán)接口、2個(gè)或者4個(gè)USB接口、局域網(wǎng)絡(luò)接口以及和PCI插卡之間的連接。 固件中心FWH(Firm ware Hub)

22、包含了主板BIOS和顯示BIOS以及一個(gè)可用于數(shù)字加密、安全認(rèn)證等領(lǐng)域的硬件隨機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)生器。,MCH的用途是提供高速的AGP接口、動(dòng)態(tài)顯示管理、電源管理和內(nèi)存管理功能。 MCH與CPU總線相連，負(fù)責(zé)處理CPU與體系結(jié)構(gòu)其他部件之間的數(shù)據(jù)交換。 在某些類(lèi)型的芯片組中，MCH還內(nèi)置圖形顯示子體系結(jié)構(gòu)，既可以直接支持圖形顯示又可以采用AGP顯示部件，稱(chēng)其為圖形存儲(chǔ)控制中心(GMCH)。,ICH含有內(nèi)置AC97控制器提供音頻編碼和調(diào)制解調(diào)器編碼接口、IDE控制器提供高速磁盤(pán)接口、2個(gè)或者4個(gè)USB接口、局域網(wǎng)絡(luò)接口以及和PCI插卡之間的連接。此外，ICH和Super IO控制器相連接，而SuperIO控制器主要為體系結(jié)構(gòu)中的慢速設(shè)備提供與體系結(jié)構(gòu)通信的數(shù)據(jù)交換接口，比如串行口、并行口、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)等。,固件中心包含了主板BIOS和