主板的工作原理

第二章主板的工作原理2.1主板的工作原理概述2.1.1主板的硬启动过程主板的硬启动过程如下：①主板插入ATX电源插头，主板加载SVSB。②按下主机上的电源开关(POWERBUTTON)，通知南桥，然后南桥发出信号经过转换后产生PS_ON#信号。③POWER（ATX电源）输出SV、3.3V、12V等各路供电。④电源输出稳定后，发出POWERGOOD信号通知主板。⑤主板上产生各芯片和设备需要的电压，如1.5V、2.5V等。同时CPU也得到一个供电，拉低VRM芯片（CPU供电管理芯片）的VID信号。⑥VRM芯片控制产生VCORE（CPU核心供电，部分资料也称为VCCP）给CPU。⑦稳定的VCORE电压反馈给VRM控制芯片。VRM产生PWRGD信号，部分资料也称为VRM_GD、VCORE_GD等，专指CPU供电电源就绪。⑧同时VCORE经转换后，产生CLK-EN送给主板CLK（时钟芯片）电路，时钟电路开始工作，产生各设备所需的时钟。⑨南桥收到VRM产生的PWEGD和CLK电路送达的时钟信号后产生PCIRST#。⑩PCIRST#送达ACPI控制器或门电路，经转化后分别送出，送达北桥的PCIRST#（新款主板为PLTRST#），送达北桥后，北桥送出CPURST#。○11CPU收到CPURST#后，发出一个地址信号，这个地址信号固定为FFFFFFFOH，指向BIOS的入口地址，通过CPU到北桥的前端总线到北桥，北桥将该地址信号，经过HUB-LINK（新款Intel芯片组叫做DMI总线，不同厂家、不同产品的叫法不同）送达南桥。○12南桥收到地址信号后，将地址发送给BIOS，然后取得该地址存储的命令，并通过数据线将取得的BIOS命令送到北桥，再至CPU，CPU执行接收到的指令，执行运算和控制，发出一系列指令。至此，硬件启动过程完成。部分主板的设计会有所区别，在细节部分会有些不同，以上描述符合绝大部分主板硬件启动的框架。2.1.2主板的软启动过程主板的软启动过程如下：了解软启动过程，最重要的是了解POST过程。了解此过程，有助于理解在维修中POST代码的应用。硬件启动完成后，CPU开始执行一系列的从BIOS取得的命令，进入软启动流程。软件启动过程分别由BIOS的POST程序、CMOS设置程序、系统自举过程控制。(1)软件启动最开始的是POST程序。①初始化各个芯片和各个端口。②设置中断向量。开机后，BIOS在内存的开始地址建立一个向量终端表，每个中断服务程序的入口地址都存于中断向量表中。BIOS通过中断向量的设置和中断服务程序建立起硬件与软件之间的联系。③检测系统配置、中断号的分配、DMA通道号的分配等。④检测系统资源。POST检测过程包括CPU、PCI-E设备、ROM、MB、CMOSRAM、SIO、PIO、AGP卡、键盘、HDD、CD/DVD等。在POST过程中，出现致命故障将死机，不给出任何提示，非致命故障会有提示，如键盘未就绪、FDD错误、HDD错误等。(2)上电自检完毕，计算机会给出一个CMOS设置界面。CMOS设置程序是BIOS程序中的一个模块，包含了对硬件参数的一些设置，如CPU、内存的工作参数、启动顺序等。这个设置的结果保存于南桥中的CMOSRAM中，所以，把这个设置称为CMOS设置，也称为BIOS设置，意思是一样的。切记不要混淆的是，BIOS芯片是ROM，为只读存储器，保存后的结果不可能存在BIOS芯片中的，而是存在南桥中的CMOSRAM中。RAM掉电即丢失存储的内容。(3)若用户不需要对硬件参数做任何修改，BIOS则按照默认参数，跳过CMOS设置，执行系统自举程序。BIOS将按照CMOS中存储的驱动器启动顺序，搜寻启动驱动器，从启动驱动器的磁盘中读入引导记录(MasterBootRecord)，然后由引导记录将系统控制权交由操作系统（如Windows）。至引导记录前一步，软启动过程就完成了。整个软启动过程，也是系统初始化过程，都是由BIOS程序来控制的。在此过程中BIOS每检测一个部件或者执行一个动作遇到错误，都有一个对应的错误代码(ERRORCODE)出现。利用DEBUG卡，也就是所说的主板诊断卡可观测到这个错误代码。我们可依照此代码进行主板故障诊断和处理。2.2主板架构图在掌握了主板维修的基础知识后，有必要对市面上各类主板的结构作一个了解。现在市面上销量比较大并且有代表性的主板，莫过于Intel的945系列、G3X系列、P3X系列芯片组主板，VIA的PT890、PT800，nVIDIA的nForce4、nMCPxx系列芯片组主板，分别为Intel、VIA、nVIDIA几个大的芯片组厂商的代表性产品。接下来就分别讲解它们的架构图。2.2.1Intel945芯片组架构Intel945芯片组架构如图2-1所示。Intel945芯片组主板主要由以下几个部分组成。图2-1Intel945芯片组架构图（1）CPU(LGA775)●支持FSB800/533MHz的外频；●支持Intel的EIST省电技术；●支持Intel的超线程技术(HyperThreading)；●支持Intel的双核心CPU技术。(2)北桥(NorthBridgeIntel945PL)●支持FSB800/533MHz的外频；●支持PCIExpressx16的传输界面（此处的传输界面与接口是两个不同的概念，接口指的是物理层面，即主板的接插槽，而传输界面定义的是一种技术标准，即数据传输的形式）：●支持双通道DDR2400/533内存（最大支持2GB）。(3)南桥(SouthBridgeIntelICH7)●整合SATA2控制器，可以支持4个SATA设备，传输速率达到3GB/s；●整合高速USB2.0控制器，480Mbit/s，可以支持8个USB2.0接口，并向下兼容；●1个ATA100IDE控制器，可以支持两个IDE设备；●PCIMasterV2.3，I/OAPIC；●符合ACPI2.0标准。(4)内存(MemoryDDR2)●支持240脚/1.8VDDR2DIMM内存插槽；●支持双通道DDR2400/533/667内存；●最高可以支持2GB的内存容量。(5)BIOS●提供“即插即用”功能，能自动侦测主板上的周边设备和扩展卡；●提供桌面管理界面(DMI)功能，能记录主板的规格。(6)网络芯片(Realtek8110SB)●支持lOOMbit/s传输速度；●符合PCI2.2规范；●支持APCI电源管理。(7)音效芯片●符合AC'972.3规格；●符合PC2001音效要求。(8)Superl/0(WinbondW83627EHG)●支持LPCDMA和SerialIRQ;●完善的硬件监控功能；●可支持设备电源管理；●可支持4个3.5英寸或5.25英寸软驱控制器；●可支持红外端口(UART)、并口(ParallelPort)、游戏控制器（GamePort）和MIDI端口；●支持KB/MS控制器、I/O端口和8MbitFlashROM。(9)电源管理芯片（MS-7G）●支持DDR、AGP等工作电压的调整；●支持5VDUAL电压作为USB和KB/MS工作电压（5VDUAL为主板上供电的一个专业术语，意思为5V双路供电）；●支持9VSB额外扩展电压；●支持3VSB等待机电压；●提供一些电路的时序电压信号。(10)时钟芯片(ClockGen)●可编程的输出频率；●可编程的扩展百分比作为EMI控制；●有可编程的看门狗式可靠频率；●使用外部14.318MH晶振进行频率调整。(11)时钟缓冲器(CLOCKBUFFER)●高性能、低抖动，无延迟缓冲；●使用I2C作为功能输出控制；●双Bank1～6个差分时钟分配（因主板设计不同，所以可以设计成为1～6个不同的时钟，其数值不是固定的）；●每个Bank有两个独立的反馈作为同步输入和输出：●可支持4个DDRDIMM;●支持333MHzDDR2输出频率。(12)PWM三相供电为CPU提供Vcore电压。(13)电源驱动IC(ICMOSFETDriver)●可驱动6个N沟道的MOSFET作为3相PWM控制：●支持高速切换频率；●较短的输出上升／下降时间；●信号延迟40ns;●可进行直接短路保护；●符合ROHS标准。(14)电源控制lC(ICPWM)●支持自动定相选择；●输出电压可由外部参考电压监控；●提供精准的核心电压调节；●可进行过电流保护和过电压保护。了解了Intel945芯片组主板的组成后，结合图2-1来分析一下各主要部件所负责的功能。其中北桥主要负责CPU数据的交换、PCIExpressx16总线以及DDR2内存的数据读/写；南桥负责控制主板加电部分的信号、ACPI功能的实现、PCI设备的控制、USB、SATA、IDE、集成网卡、音效芯片的功能实现。南北桥之间由DMI界面来进行传输数据；I/O则负责KB/MS电路、加电电路、LPT、COM、游戏口、软驱等I/O端口和BIOS的读／写等；时钟芯片则负责为主板上所有设备提供所需要的工作时钟，以使不同的设备有一个统一的标准来进行工作。Intel的8xx系列芯片组，如845、865等，也与945系列芯片组采用相同的设计，学习时可以参照945芯片组的架构来进行分析。2.2.2IntelP35芯片组架构IntelP35芯片组架构如图2-2所示。在CPU支持方面，P35MCH正式支持1333MHzFSB的E6x50系列，并以VRM11主板供电设计支持未来的45nm工艺新一代处理器。P35MCH内置的内存控制器支持DDR3和DDR2两种类型的内存模组，其中DDR3最高支持至DDR31333、DDR2支持至DDR2800。当然这些只是官方公布的规格，按照IntelP965MCH的频率延展能力推断，P35MCH实际可达到的频率远高于此。P35MCH的理想搭档是IntelCore2系列处理器，但它也支持早先的Pentium系列处理器，一点限制是它只能使用800MHzFSB以上规格的型号。根据主板厂商不同，不同的P35主板将支持DDR2或者DDR3内存。有的P35主板集成4个内存插槽，最大支持8GB内存容量；有的P35主板集成1个PCIExpressx16插槽、1个PCIExpressxl插槽、1个PCIExpressx4插槽、2～3个PCI插槽。P35主板中的高档产品一般采用P35(Bearlake-P)北桥芯片搭配ICH9/R南桥芯片的模式。ICH9/R南桥芯片最大支持6个SATAII接口，支持RAID0、RAID1、RAID5、RAID10。P35主板可提供12个USB2.0，6个由芯片组提供，6个由主板附加的UBS2.0控制芯片提供。图2-2IntelP35芯片组架构图2.2.3VIAPT890芯片组架构VIAPT890芯片组架构如图2-3所示。VIAPT890芯组主板主要由以下几个部分组成。(1)CPU(LGA775)●支持FSB800/1066MH的外频；●支持Intel的EIST省电技术；●支持Intel的超线程技术(Hyper-Threading)；●支持Intel的双核心CPU技术。图2-3VIAPT890芯片组架构图(2)北桥(NorthBridgeVAPT890)●支持全系列Intel处理器，包括1066MHz前端总线的Conroe核心IntelCore2Duo/Extreme;●高带宽V-Link总线，使芯片组北桥与南桥之间的传输速率达到1066MB/s；●采用STEPUP技术，可以同时支持DDR266/333/400，以及DDR2400/533/667内存；●高性能的优化内存控制DualStream64技术；●支持PCIExpressx16的传输界面。(3)南桥(SouthBridgeVIA8237RPlus)●支持4个原生SATA硬盘以及RAID阵列；●支持6或8声道24/96采样音频输出和VinylHD音频解码；●成熟、高效、稳定的网络模块；●集成高速USB2.0控制器，480Mbit/s，可以支持8个USB2.0接口，并向下兼容；●内置KB/MS控制器。(4)内存（Memo