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细说主板
作者:老于

主板作为电脑系统的核心架构产品,一直以来承担着系统的设备连接及数据传输功能。从早期的386、486主板到如今最新的采用i820、AMD 750等芯片组的Pentium Ⅲ、K7主板,主板产品的发展经历了一个由简单到复杂,由低级到高级的趋势。
因此,从主板的制造厂商来看,早期的主板制造商的产品性能技术都大同小异,且市面上有UMC联华、SIS矽统、VIA威胜、ALI扬志等不少芯片组厂商的产品流行,它们的市场份额都差不多,而到了586时代以后,Intel的芯片组开始独霸芯片组市场,并把这种优势保持到了Pentium II时代。不过目前由于Intel技术上的失误和产品生产线的问题,VIA、SIS等厂商的产品逐渐赶了上来。
从主板的结构体系来看:传统的芯片组结构采用南北桥的分控体系,南桥芯片上的各种设备都要通过北桥芯片才能和CPU、内存等交换信息,可是目前主板PCI总线已不能满足系统信息进行高速有效的传输,于是发展新一代的芯片组架构即成为各大厂商所面临的问题。Intel自i810芯片组开始引入加速集线器结构,取代了原有的PCI总线,并采用专用总线以连接各设备和CPU,以达到高速处理的目的。而最新i820芯片组则采用了替代北桥芯片的内存控制集线器和替代南桥芯片的I/O控制集线器,其带宽比传统的PCI总线速度增加了一倍。这些新型的芯片组采用的专线控制技术缓解了各种设备传输数据时的紧张需求。同时也减小了瓶颈效应,提高了系统的整体传输速度。其他一些新型的控制器还有固件集线器、图形存储控制集线器、音频解码控制器AC97。此外,在最新的i810和i820芯片组中,ISA总线插槽被取消了,这无疑是一种技术上的进步,PCI插槽将作为基本插槽单位存在于今后的电脑主板产品中。
从主板的技术特色来看,原来的主板采用的技术特色不多,目前的主板产品多采用以下技术。
首先我们先看一看主板的核心芯片组技术。记得几年以前,386、486还是主流产品时,市场上主板的芯片组真是数不胜数,其中包括VIA(威盛)、UMC(联华)、SIS(矽统)、ALi(扬智)等,当初的386用的是MX(茂讯)的芯片组,而后来的486则用的是OPTI的芯片组。以后的586市场上,由于各芯片组制造商对奔腾技术的不熟悉,使早期的586主板对奔腾的支持不是很好。于是,Intel开始自己设计芯片组,使其更好地支持奔腾。“行家一出手,便知有没有。”作为生产CPU的龙头老大,Intel果然拥有不同凡响的雄厚实力。在它加入芯片组竞争的短短两年中,其他厂商被杀得零七八落,有很多都转向其他领域的生产去了。Intel的芯片组逐渐“一统江湖”,市场份额占到了近90%。
1.Intel
Intel 的产品经历了430 VX、430 HX、430 TX、440 FX几代,由于年代久远且以上产品现已停产,因此就不再赘述了。 我们从440 LX谈起。440LX以后的芯片组都支持AGP图形卡专用接口。真正支持Pentium II,支持DIMM内存,支持UDMA 33硬盘。 经过440 EX 、440BX两代终于推出新的810和820芯片组主板。
下面我们来看一看这两款芯片组。
i810:
Intel终于在低端芯片组市场露一手了。长久以来,人们一直想去尝试生产一种高度整合型芯片组,但不幸的是,过去的这种芯片组在3D性能上总是不尽人意。大部分的整合型芯片组能够胜任商用软件的需求(如文字处理、家庭财经管理、Internet浏览等),但是当用户把他们心爱的3D游戏光碟放进CD-ROM时,就会发现这些游戏画面的效果看起来像是在看幻灯片而不是像动画片一样的流畅自然。3D性能差的原因源于芯片组的视频工作方式,大部分这类芯片组使用UMA(统一内存结构)技术,集成的视频处理单元利用系统主存来作帧缓存。这样,视频存取的速度就将被限制在66MHz的系统主存存取速度上。较慢的显存存取速度再加上这些芯片上集成的很简陋的3D图像处理单元,就造成了很差的3D游戏效果。现在,终于有了Intel的810芯片组,它可以用极低的价格来满足用户的需求,同时还能满足3D游戏的较高要求。
超越过去优秀的“南桥”、“北桥”架构,Intel又“发明”了新的“加速中心架构”。老实说到现在我还没真正明白主板上“南桥”和“北桥”的含义,如果你像穆斯林朝拜圣地一样根据南北方向调整你的主板,对我来说那绝对是一个新闻。然而更深的含义在于为什么Intel不用这样的名字而改为使用“中心架构”。其中最主要的原因在于在这种架构中,两块芯片不是通过PCI总线进行连接,而是利用能提供两倍于PCI总线带宽的专用总线。这样,每种设备包括PCI总线都可以与CPU直接通讯,Intel 810芯片组中的内存控制器和图形控制器也可以使用一条8bit的133MHz“2X模式”总线,使得数据带宽达到266Mb/s。代号为Camino的Intel 820芯片组也将采用这种架构。
Intel 810芯片又称为GMCH(Graphics & Memory Controller Hub,图形和内存控制中心)。它的名字就说明了它包含内存控制器和2D/3D图形引擎。GMCH有三条外置总线和一条内置总线。
下面我们就分别来看一看这些技术。
1. 内存总线
令人吃惊的是,810芯片组中的内存总线工作频率为100MHz,虽然现在CPU总线只有66MHz。这意味着使用810芯片组的主板要求安装PC100内存,即使你只装配一个66MHz的CPU。内存总线相当快速,具有64bit 100MHz的时钟频率,因而能够提供800Mb/s的带宽,比CPU总线533Mb/s的带宽大得多。笔者猜想这应该是PC历史上第一次内存比CPU跑得更快吧,谁知道强大的Intel是怎么想的?一块CPU使用与CPU时钟同频且最高达466MHz的L2 Cache,用它来缓存只有66MHz的CPU总线数据,同时内存可以使用更快达100MHz的总线来传送数据。
2. GMCH和ICH之间的连接总线—133MHz
我们已经谈过它了,图形和内存控制中心使用一条带宽达266Mb/s的专用总线与ICH(I/O Controller Hub,I/O控制中心)连接,这确实很酷。
3. 内置“直连AGP”—100MHz
这一点你可以想像得到,810芯片组并没有一个外置AGP连接,因为图形控制器已经内置在芯片组中了。现在图形控制器从主存中使用纹理数据或从CPU接收几何数据都不成问题,因为内存控制器也是同一个芯片。这样它可以用800Mb/s的带宽来全速访问主存,比AGP 2x的533Mb/s带宽更快。然而,我们不应当忘记810图形的帧缓冲也在主存中,这样800Mb/s的带宽与当今超过3200Mb/s甚至更大显存带宽的3D图形卡相比就小得相当可怜了。
4. 显示缓存总线—100MHz
810芯片组可选配备4MB大小的显示缓存,这个缓存只能用于3D应用中的Z缓冲。现在让我奇怪的是为什么这条总线的带宽只有400Mb/s。通常3D图形卡的Z缓冲都在显存中,带宽超过3.2Gb/s。400Mb/s甚至比内存带宽还小,所以我在想810芯片组如何才能使用400Mb/s带宽显示缓存,比没有显示缓存而使用带宽为800Mb/s的主存作Z缓冲来运行3D游戏更快。
ICH
在“GMCH”下面你会发现801芯片—“ICH”(I/O Controller Hub,I/O控制中心)。这个芯片与PCI总线上的所有PCI设备,包括UDMA/33或UDMA/66接口的EIDE硬盘、USB外设、通过“AC97”连接的MODEM/音频多媒体数字信号处理器设备及“FWH”(Firmware Hub,固件中心)连接。ICH是所有通往内存、CPU或内置图形控制器的通路,这些设备将共享266Mb/s的总线带宽。
FWH
“FWH”( Firmware Hub,固件中心)是一块不少于4Mbit的EEPROM。它包含了主板和图形控制器的BIOS,还是一个随机数发生器。Intel对这个随机数发生器没有作任何表示,因为目前还没有一个软件能用得上它。
我们中大多数人都认为810将是“440ZX整合i740”,但现在看来不是这样。在前面我已经解释了810芯片组独特的加速中心架构,现在再谈谈它的2D/3D图形性能。810芯片组配置了Intel新发布的中低端图形芯片i752芯片的内核,它是迟到了许久的i740芯片的后续者,其最高的3D分辨率是1024×768,而且采用了两条着色流水线。这些特点也许并不太让人兴奋,但810芯片组的确是第一块能在较低价位上提供不错3D性能的2D/3D图形芯片组。笔者想说,不是任何一个3D游戏玩家都会对这块芯片满意,但对于需要一个低价的系统,只是偶尔玩玩3D游戏的用户则是一个不错的选择。
i820:
1999年上半年Intel虽连续发布了i810主板芯片组和Pentium Ⅲ处理器,但于i810针对低端市场,它内置3D芯片的图形处理功能逊于主流的3D显示芯片,加上它和Pentium Ⅲ处理器存在不兼容问题,因而一直不为人看好。而随着AMD的600MHz主频的K7处理器的面世,VIA又推出支持133MHz前端总线的主板芯片组,非Intel厂商首次在频率时钟上全面超过Intel的中央处理器和芯片组。其间Intel计划推出性能强劲的支持133MHz外频的i820芯片组和新Pentium Ⅲ处理器,由于种种原因,不断推迟发布日期。尽管最近Intel已锁定发布日期,但“跳票”现象继续发生。不过好在不少厂商已推出基于i820芯片组的主板,已有机会让我们一睹i820芯片组的真实面孔。
开发代号为“Camino”的新一代主板支持芯片组i820,这个被Intel寄予厚望的芯片组已经几度推迟了发布日期,它的出现将全面替代从440BX芯片组为主导的主流PC市场。i820将在技术规格上完全超越现有的i440BX和i810芯片组,在芯片组结构上采用了Intel自行开发的加速中心结构(Accelerated Hub Architecture),在内存结构上则提供对Intel定制的新一代内存体系—RAMBUS 的支持。下面我们来看一看i820芯片组的主要技术特征。
1.支持DRDRAM
DRDRAM是由Rambus和Intel合作开发的一种新型内存,它采用184针接口模组,与芯片组之间的接口宽度为16bit,如果带ECC校验其接口宽度将为18bit。DRDRAM的接口工作频率为400MHz,由于DRDRAM能在时钟信号的上升沿和下降沿各传输一次数据,因此数据传输的频率实际上为800MHz,这样DRDRAM的峰值传输速率可以达到1.6Gb/s。由于DRDRAM的核心工作电压为2.5V或1.8V,很多内存芯片制造商在试制800MHz的DRDRAM(即PC800 DRDRAM)时发现,如果要达到DRDRAM技术规范的要求,就必须使用0.18微米甚至更高精度的制造技术,这意味着要投入大量的资金来改造生产线。在这种情况下,Intel与Rambus公司一起制定了600MHz和700MHz的DRDRAM规范,准备让低档PC使用PC600 DRDRAM,高档PC使用PC700 DRDRAM,工作站使用PC800 DRDRAM,以降低厂商的生产成本和用户的使用成本。不过即便如此,PC600 DRDRAM的市场价格也比现有的PC100 SDRAM贵许多。因而i820芯片组最后提供了MTH桥接芯片,同时提供对DRDRAM与PC100或PC133规范的SDRAM的支持。
2.支持AGP 4×
i820是Intel第一个支持该标准的芯片组。在66MHz的标准工作频率下,AGP 1×和AGP 2×的峰值传输速率分别为266Mb/s和533Mb/s,而AGP 4×是AGP 2×的两倍,达到了1064Mb/s,这个数值是PCI总线传输速率的8倍。峰值传输速率的大幅度提高意味着显卡制造商可以推出速度更快功能更强的3D显卡,软件开发商可以开发出更具真实感和实时性的3D软件,如游戏、虚拟现实场景等。为了充分发挥AGP 4×的优点,内存的峰值传输速率应该大于AGP 4×的峰值传输速率,PC600、PC700和PC800的DRDRAM都满足这个要求,PC133 SDRAM的最高传输速率为1064Mb/s,也可满足要求。看来内存速度对整机性能的影响将会越来越大。内存速度也许将会成为提高PC性能的瓶颈。
3.总线不再支持66MHz
尽管总线不再支持66MHz,不过主板厂商一般会提供支持。另外,440BX会通过检查CPU金手指的B21引脚来判断总线频率是66MHz还是100MHz。与此情况类似,i820将通过检查CPU的B21和A14引脚来判断总线频率是100MHz还是133MHz。
4.其他
i820的I/O控制芯片支持AC97(Audio Codec 97)和MC97(Modem Codec 97)标准,通过主板上提供的AMR(Audio/Modem Riser)插槽,加入一块集成了音频、Modem 解码器的插卡,就可以使主板支持声卡或Modem。
在芯片组结构上,i820和i810芯片组一样,把芯片组分成了内存控制器和I/O控制器两块主要的控制芯片。但是,这两块芯片不像南桥北桥芯片那样,通过PCI总线相互连接,而是通过一条两倍于PCI带宽的专用总线连接在一起。在加速中心结构下,包括PCI总线在内的多种设备直接连接在I/O控制器上,现在这些设备可以与CPU直接交换数据,从而提高了系统的整体工作效率。
MCH(Memory Controller Hub,内存控制中心)相当于原来芯片组结构的北桥芯片,它采用了324针引脚的BGA封装方式,通过Hub Interface(加速中心接口)提供的加速总线结构与其他设备相连。MCH的功能也和北桥芯片相似:提供100MHz/133MHz系统总线,支持最大1GB的内存容量,提供AGP 4×设备支持。由于i820芯片组的加速中心结构的带宽达到了266Mb/s,内存工作频率可以不再依赖于系统频率。这样前端系统总线频率为133MHz的处理器仍然可以使用PC100 SDRAM,当然总线频率为100MHz的处理器也可以使用PC600、PC700或PC800的DRDRAM。同时因为AGP可提供1064Mb/s 的数据交流传输率,3D加速卡可以把大容量的纹理数据直接放到系统内存里处理,可以为游戏提供更多更逼真的3D场景。
MTH桥接芯片是为第三方厂商考虑,提供RIMM与DIMM内存槽的转换接口,通过此芯片的桥接功能,可使i820芯片组支持符合PC100或PC133规范的SDRAM,从而降低整套系统的成本。MTH芯片可以做在SDRAM的内存条上,也可以用BGA封装的方式直接内置在主板上,在MCH和DIMM内存插槽间起转换作用(直接将SDRAM转换至DRDRAM的接口形式),由于i820芯片组不支持SDRAM和DRDRAM两种内存的混插,因而DIMM和RIMM插槽不能同时使用。
Intel原打算用i820替代440BX,加上“Coppermine”的新 Pentium Ⅲ来主攻高端PC市场,用i810系列加赛扬的组合来主攻低端PC市场。但同时配备DRDRAM和Coppermine处理器的i820系统的价格将会异常昂贵。在目前存在着更多组合的配置解决方案的情况下,早已接受了低价PC概念的广大用户恐怕不会像Intel期待的那样迅速转向i820系统。另外,在RAMBUS规范的支持上,以往一呼百应的Intel这次却遭遇到了一些厂商强有力的反对。部分厂商不顾Intel多次表示的不支持态度,转而开发PC133 SDRAM、DDRDRAM等新型内存,他们都不需要对现有DRAM生产线进行大规模改造。由于生产成本增加有限,因此受到了很多厂商的欢迎。同时兼容芯片组厂商威盛率先开发的Apollo Pro 133芯片组,支持PC 133 SDRAM和VCM SDRAM,这些都给现有主流市场注入新的活力,给Intel造成了不小的压力,因而对于i820芯片组的前景仍是难以预料。
i840:
1999年中以后,英特尔的日子越来越不好过。先是被Athlon夺取了CPU速度之王的称号,接着是i820芯片组的内存问题,然后再加上0.18微米芯片的难产。其中RAMBUS是最引人注目的,它关系到新型内存和i820的推广,如果此问题得不到解决,则会严重阻碍着芯片巨人的前进步伐。
由于i820芯片组本身设计的问题,它不能支持三条RIMM槽,厂商们准备把第三条槽从主板上去掉。虽然RAMBUS的速度比SDRAM快不少,但总体性能并没有提高太多,而推广i820还会受制于另一个因素即RAMBUS的价格,你愿意花7到8倍的价钱买同样容量的内存吗?
为了突破以上难关,取得高端市场的领导地位,英特尔终于拿出了它的新型RAMBUS芯片组,即我们期待己久的i840。与旧式芯片组相比,它有几个特点:两个RAMBUS通道(i820只有一个);理论峰值带宽3.2Gb/s(PC100和PC133体系分别为0.8Gb/s和1Gb/s);133MHz外频,它只提供1.06Gb/秒的带宽给主内存,真不知道它怎么会这么少,尽管AGP 4×总线可以减少内存带宽的需求,但DMA驱动程序和UMA(Unified Memory Architecture,统一内存架构)都是十分耗费资源的。i840的定位可是服务器市场啊,难道英特尔不怕内存带宽不足而造成的性能瓶颈吗?也许在较低级的工作站市场没有什么问题,不过在使用SMP(Symmetric Multi-Processing,对称式多重处理架构)的多处理器系统中,共享MCH的情况下,CPU仍然会抢用内存存取空间,即使是运用两个RDRAM通道同时读/写的方式也对之帮助不大,除非英特尔在后期制作时给MCH加入两个内存端口,才有可能避免此类内存带宽大于CPU带宽的浪费。
虽然i840提供了不少新技术,但真正让我们得益的并不是太多,你不要期望它能为你带来质变,把i840作了BX的升级版本比较合适。除非等到今年第一季度,IA-32结构的Willamette芯片上市,只有这类提供200MHz外频的处理器,才能充分发挥2Gb/s内存带宽的优势,使其总体性能好于PC200/PC266 DDR SDRAM(Double Date Rate,双数据率SDRAM)。
2.AMD
第一个支持AMD K7的主板芯片组就是AMD自己研制的750。但由于750研制的时间比较早,一些现在已经非常成熟的技术它并不支持。因此我们希望AMD能够赶快推出一种技术更新的芯片组来满足大家的要求。
我们希望像VIA一样的公司能开发专门支持AMD K7的芯片组。除和第三方芯片组制造商合作以外,AMD自己也正在改造750芯片组:750芯片组的北桥芯片增加了一个叫做Super Pass的功能。
Super Pass减少了主存和CPU之间的一些不必要的内存延迟。Super Pass能减少多少内存延迟?AMD自己宣称Super Pass能减少不小于25%的延迟。对一个芯片组的设计师来说最主要的一个目标之一就是研发一种对于每次处理都能用最小的延迟时间在不同的内部总线中进行数据的交换。
AMD的北桥芯片751负责处理CPU、内存、AGP总线和PCI总线之间的数据交换。在其他方面,751芯片包括内存请求处理器(MRO)。MRO包括CPU、内存、AGP和PCI总线之间的联系。如果没有Super Pass,MRO就得在从主内存发出和得到数据之前进行无数次请求才可以。如果包含了Super Pass,MRO就可以减少部分步骤。为实现Super Pass的功能,其对AGP和PCI总线还有一定的要求。据说在正常的系统运转中,Super Pass在90%~95%的时间里都可以工作。
也许有人会问为什么AMD直到现在才把这项新功能加上。实际上从最开始,750芯片组就将包含Super Pass,但由于一些技术上的原因并没有实现。
综上所述,包含Super Pass 的AMD 750芯片组的功能将会有质的飞跃,我们希望AMD能加快其投入市场的脚步,以便我们可以尽早地享受到其优秀的性能。
3.VIA
VIA的APOLLO芯片为SOCKET 7生命的延续做出了巨大的贡献,它打破了Intel利用CPU对主板芯片组的垄断。更是在Intel抛弃SOCKET 7之后一举成为全球第二大的主板芯片组生产商。
Apollo VPX:早期支持PENTIUM的芯片组。
Apollo VP3:此时Intel已经放弃SOCKET 7,并推出AGP,迎合这种潮流VP3推出。首次SOCKET 7平台开始支持AGP。
Apollo MVP3:随着AMD发布K6-2,SUPER 7(SOCKET 7 + 100MHz + AGP)正悄然兴起。MVP3就是VP3的升级版,基本内核不变,支持100MHz。为SOCKET 7平台填上划时代的一笔。
Apollo MVP4:由于Intel不断降低SLOT 1的系统价格,对SOCKET 7市场发起新的冲击。为了维系SOCKET 7的最后生命,VIA 于去年8月份正式发布了Appllo MVP4芯片组。MVP4的北桥芯片采用492脚BGA封装,用0.25微米技术生产,最大特点是集成一片符合AGP 1.0标准的2D/3D图形处理器,并且该处理器还内建DVD硬件解码引擎(就是现在市场上的TRIDENT 9880)。 南桥芯片采用352脚BGA封装,用0.35微米工艺制造。在南桥芯片中集成了一片符合PC97 2.0音效芯片,和SUPER I/O接口界面,而且支持DMA/66。并且南桥芯片可以完全移植到SLOT 1的系统中。
Apollo PRO:VIA第一款支持SLOT 1系统的芯片组。完全兼容Intel 440 BX。并且支持4分频技术。
Apollo PRO 133:是APOLLO PRO的升级板。并且真正支持133MHz。以上两种芯片配合MVP4的南桥芯片可以支持DMA/66的硬盘。

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