计算机硬件基础第6章(总线与芯片组)

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、PCIExpress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：1.CPU送出控制信号，表示要读存储器；2.CPU送出地址信号，表示要读的存储器单元地址3.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总线CPU存储器接口电路1接口电路2接口2外设2接口1外设1……6.1总线——类型总线的类型•片总线（C-Bus，ChipBus）：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（InterIntegratedCircuit）：2线结构SPI（SerialPeripheralInterface）：4线结构•内总线（I-Bus，InternalBus）：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（FrontSideBus）：NetBurst和Core构架下的处理器总线；QPI（QuickPathInterconnect）：Nehalem构架下的处理器总线；PCI、PCIExpress：连接外部设备的I/O总线•外部总线（E-Bus，ExternalBus）：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。6.1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（IndustryStandardArchitecture）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）的双总线结构。•Pentium初期和中期FSB+PCI+ISA多总线模式。在Pentium4期间，ISA总线逐步淘汰。•PentiumD/EE开始FSB+PCIExpress+PCI的多总线模式。速度更快的PCIExpress的出现，成为PCI的更新换代的总线标准。•Corei7开始…QPI+PCIExpress+PCI的多总线模式。6.1总线——PCI总线•PCI（PeripheralComponentInterconnect）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（PCISpecialInterestGroup，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类型总线宽度（位）总线时钟（MHz）带宽MB/secPCI3233133PCI66M3266266PCI64位6433266PCI66M/64位6466533PCI-X1.032/6466~133266~1,066PCI-X2.032/6466~533266~4,267PCI-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：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。3.3V,32位PCI扩展槽5V,32位PCI扩展槽3.3V,64位PCI扩展槽5V,64位PCI扩展槽3.3V,32位PCI扩展卡5V,32位PCI扩展卡3.3/5V,32位通用扩展卡3.3V,64位PCI扩展卡5V,64位PCI扩展卡3.3/5V,64位通用扩展卡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——PCIExpress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、×32标准。X1X4X8X16PCI-E总线扩展槽6.1总线——PCIExpress总线PCI-E×4PCI-E×16PCI-E×1PCI-E×16PCI32位6.1总线——PCIExpress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版本版本差分对单向位速率GT/s差分对单向信息传输带宽MB/sPCI-E×16双向带宽GB/s发表日期1.02.525082002.71.12.525082005.32.05500162006.122.15500162009.33.08约1000322010.11PCI-E1.x、2.x单向数据速率=单向位速率×(8/10)/8PCI-E3.0单向数据速率=单向位速率×(128/130)/86.1总线——PCIExpress总线PCI-Express技术特点•双向串行差分传输：PCIExpress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PCIExpress设备都会支持热插拔；•纠错：PCIExpress具备循环冗余校验能力，可以实现传输纠错。6.1总线——PCIExpress总线应用在目前的PC机中，一般至少具有2个PCIExpress×和1个PCIExpress×16。×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-E×16。PCI-Express之前的主机板PCI-Express的主机板6.1总线——AGP标准技术规范等效时钟频率(MHz)数据传输速率(MB/s)信号电压AGP1.01996年AGP1×662663.3AGP2×1335333.3AGP2.01998年AGP4×26610661.5AGP3.02000年AGP8×53321330.8AGP（AcceleratedGraphicsPort）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——PCIExpress总线PC机显示适配器的发展过程显示卡标准传输速率PCI133MBpsAGP1×266MBpsAGP2×533MBpsAGP4×1066MBpsAGP8×2133MBpsPCI-E×16（1.0）4000MBps6.1总线——PCIExpress总线同时具有AGP和PCI-E×16的主机板32位PCIAGPPCI-E×1PCI-E×166.1总线——PCIExpress总线PCI-E扩展槽引脚：以PCI-E×4为例SMBus：系统控制、电源管理JTAG：测试电源：+12V、+3.3V、+3.3V备用通道0双向差分对通道1双向差分对通道2双向差分对通道3双向差分对PCI-E×4扩展槽6.1总线——PCIExpress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-E×4扩展槽6.1总线——笔记本专用总线PCMCIA（PersonalComputerMemoryCardInternationalAssociation，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PCCard（后称为CardBus）。早期的PCMCIA/PCCard基于ISA总线技术。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ExpressCard：基于PCI-E技术的笔记本专用扩展标准。ExpressCard1.0在连接器中包括PCI-E×11.0和USB2.0信号，可以实现PCI-E×1和USB工作模式，带宽分别可达2.5Gb/s和480Mb/s。ExpressCard2.0基于PCI-E2.0和USB3.0技术（2010年）。ExpressCard扩展卡：外形有34mm宽和54mm宽（L形）两种，其中34mm型兼容54mm插座。ExpressCard34mmUSB3.0扩展卡ExpressCard54mm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。Intel945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IBMPC计算机主机板CPUFPU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（Intel、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