深入剖析奔腾主机板

Author: 崔红杰 Date: 1997-01-01

  主机板无疑是电脑最核心的部件。目前,奔腾主机板市场空前繁荣,笔者在中关村电子市场上作了粗略的统计,奔腾主机板来自数十个生产厂家,有近百种之多,如何从这么多种类的主机板中选择呢?本文将从主机板的原理与结构方面出发,揭开主机板的神秘面纱,把鉴别主机板优劣的真正管用的绝招教给你。等你读完本文,对主机板有了清晰的认识,如何选择最优的主机板,自然就是成竹在胸了。
#1  一、奔腾主机板的结构
  为了叙述起来更清楚,笔者精心制作了3张图,请先看奔腾主机板的结构简图(依据PC CHIPS M520VX套片主机板绘制)。
  为了突出主要部分,图中把起耦合或信号整形作用的众多小集成电路、二极管、电阻、电容等元件省略了;另外,还有用于调整钟频、电压等参数的跳线器和连接扬声器等的接头也都没有画出来。虽然说所省略东西的品质也影响主机板的质量,但是主机板的性能与它们是没有关系的。我将在第三部分说明主机板的性能取决于哪些方面。
  由于图中空间有限,某些地方用了英文缩写,这里给予解释:
  FDC: 软驱控制器(接口)
  USB: 通用串行总线(接口)
  SIMM:72线内存条插槽
  DIMM:168线内存条插槽
  PS/2:PS/2鼠标接口
  BIOS:基本输入输出系统
  LPT: 并行接口(打印口)
  COM1、COM2:串行接口
  看完图,请默想一下,主机板上有什么主要部件?或者主机板是由什么元件组成的?
  显然,主机板主要由三类东西组成:集成电路、各种插槽插座、一大块多层电路板。
  在主机板上的众多集成电路中,是有重要程度之分的。图中有阴影的几个集成电路决定了主机板的性能,这几个集成电路称为“芯片组”或“套片”,包括PCMC芯片、LBX芯片、SIO芯片。套片的具体作用以及为什么说它们决定了主机板的性能,请看———
#1  二、奔腾主机板的工作原理
  PCI ISA总线奔腾主机板结构图调整中立体显示的几个元件就是套片(芯片组),从图中可以清楚地看出来,CPU只与套片直接打交道,套片作为CPU的全权代表,处理CPU与内存、高速缓存、PCI插卡、ISA插卡、硬盘等外部设备的交往。为了让你更清楚套片中每个芯片的作用,下面我来讲讲每个芯片的功能:
#2  1.PCI、内存、Cache控制器(PCMC)芯片
  PCMC是“PCI、Cache and Memory Controller”的缩写,从名字上就可以看出来,它的作用是:管理PCI总线、管理CACHE、管理内存。
  给486主机板安装过Cache的朋友可能都知道,安装的SRAM芯片一般是3片、5片或9片,有一片跟另外几片不一样,算算容量,这片特殊的SRAM的容量显然没有包含进去。这是为什么呢?原来这一片特殊的SRAM是用于记录Cache内的数据来自何处的(称为Cache Tag RAM)。如果你仔细观察使用Intel套片的奔腾主机板,就会发现没有Cache Tag RAM。WHY?原来PCMC内已经集成了二级Cache控制器和Cache Tag RAM。由于PCMC内的二级Cache控制器只支持256KB或512KB的二级Cache,于是采用Intel套片的主机板就没有提供其它容量Cache。如果你听到某个主机板声称自己支持1024KB的Cache,那就说明它用的肯定不是Intel的套片。
  另外,PCMC内还集成有DRAM控制器,负责DRAM的刷新、读写和被Cache。因此,主机板支持的内存种类、内存的最大容量也不是任意的,主机板生产商在这方面依然只能服从这些限制。
  由于DRAM是“动态RAM”(D表示动态,Dyanmic),需要周期性刷新才能保持数据不变(刷新周期多长呢?一般是2毫秒。想象一下,1秒钟内必须把内存全部刷新500遍,否则数据就有可能丢失,这是多么大的工作量啊!)。为了实现这些功能的时候相关电路不过分复杂,因此,现在的套片都从现实情况出发,对支持的内存总量做了折衷,比如Intel奔腾套片支持的内存总量就界于128MB到512MB之间,本文的第三部分列出了这方面很有意思的变化。
  要解释一个概念,为什么套片都有一个远远小于4096MB的最大内存限制?Intel的CPU从386时代起不是就支持4096MB的内存吗?其实那只是从386芯片具有的32根地址线上算出来的理论值,由于PC机中CPU并不直接和内存打交道,而要通过套片(下一部分会详细讲解这些情况。CPU当然可以和内存直接打交道,但是通过套片有诸多好处,否则省掉套片岂不是降低成本?)。其实即使套片支持高达4GB的内存,如果操作系统不能管理那么多内存,也只能浪费。目前PC机上支持内存量最大的操作系统WindowsNT最多也只能支持2048MB。不要以为2GB很大,10年后,您的PC的内存量就能达到甚至超过这个数目。
#2  2.局部总线加速器(LBX)芯片
  LBX是“Local Bus Accelerator”的缩写,它具有下列主要功能:
  ·提供64位的DRAM界面,支持猝发式读写。支持的内存读写方式和读写周期也会影响主机板的性能。
  ·提供32位的PCI界面。LBX与PCMC一起作为CPU总线到PCI总线的桥梁,提供了PCI总线。
  ·提供CPU与内存、CPU与PCI总线、内存与PCI总线之间的读写缓冲,提高数据传输速度。这些缓冲的大小将影响主机板的性能。FX套片性能不如HX、VX套片,部分原因就在这里。我将在第三部分介绍Intel生产的各种套片的时候,给出FX套片与HX套片的对比表。
  ·某些版本的LBX还支持内存校验和纠错。
#2  3.系统I/O(SIO)芯片
  SIO是“System I/O”的缩写,具有下列主要功能:
  ·作为PCI总线到ISA总线的桥梁,提供ISA总线,并且负责ISA设备的仲裁。
  ·集成82C54实时钟,用于系统时钟、内存刷新、扬声器发声。
  ·支持X工具总线。X工具总线的作用是连接多功能I/O芯片、键盘、实时钟和BIOS片选。多功能I/O芯片提供了双串口、一并口、软驱接口。有的I/O芯片还提供了游戏杆接口。
  ·集成2个82C59中断控制器
  ·支持CPU的系统管理模式,用于绿色功能,能让CPU进入省电的休眠状态或者在需要的时候唤醒CPU。
  ·提供2个增强型DMA控制器,支持多种DMA功能。
  ·最新的SIO还支持USB总线
#2  4.补充说明
  套片的主要功能介绍完了,对不起,这不是100%真实的!
  因为Intel到目前为止已经生产了5种奔腾套片,因此这里的功能归类不是绝对准确的,比如HX套片就只包含2个芯片,但是功能却是5种套片中最多的。
  也希望你认真体会“套片”的含义,它们本来就是在一起工作的,相互之间有很紧密的联系,而不是象我上面所说的那样泾渭分明。      
#1  三、INTEL奔腾套片介绍
  根据上一部分的内容,我们知道了使用的套片不同,主机板所具有的基本功能也不同,为了让您选择的时候心中有数,且听我讲讲它们的来龙去脉。
  到现在为止,INTEL总共生产过5种奔腾套片,分别是:
  1.用于早期奔腾60/66的82430LX套片
  2.用于奔腾75/90/100的82430NX套片,代号为Nepture(海王星)。支持最多512MB内存,支持多CPU。NX套片有4片。
  3.为了支持2倍频的奔腾120/133,也为了提高速度,Intel推出了第三代套片,即用于奔腾75~133的82430FX套片,代号Triton(三,表示第三代)。不支持多CPU,支持的内存也降为128MB。FX套片是4片。
  4.由于FX套片没有内存校验等功能被业界诟病,同时也为了支持奔腾150以上的新型奔腾CPU,Intel研制了HX套片。HX套片不仅支持奇偶校验内存,也支持ECC纠错内存、USB接口,还提高了读写内存、访问PCI总线的速度,因而同样的CPU在HX套片的支持下能达到比FX套片更高的速度。另外,HX套片支持的内存总量也提高到了512MB,支持的CPU钟频也提高到了200MHz,还支持多CPU和未来的P55C多媒体CPU。HX套片也被称为“Triton II”。HX套片之所以比FX套片的速度快,原因如下:
#3  套片种类:430FX
  DRAM读写序列:7222/7222
  猝发式读写周期:x3333
  CPU到内存的缓:4QW
  PCI总线到内存的写缓冲:12DW
  PCI总线到内存的读缓冲:无
#3  套片种类:430HX
  DRAM读写序列:4222/5222
  猝发式读写周期:x3333
  CPU到内存的缓:8QW
  PCI总线到内存的写缓冲:20DW
  PCI总线到内存的读缓冲:22DW
  HX套片只有2片,一片称为“PSC”(PCI 系统控制器),另一片称为“IB”(ISA 桥)。实现的功能当然还是第二部分介绍的那些,这是不可能有什么本质变化的。
  5.由于HX套片中的支持ECC纠错内存等功能对服务器之外的个人电脑来说意义不大,为了降低成本并且也为了更好地支持即将上市的P55C多媒体CPU,Intel公司又开发了VX套片,精简了ECC等冷门功能,支持的内存总量也降为256MB,但是新增了对168线SDRAM(同步内存)的支持。如果搭配168线SDRAM内存或P55C多媒体CPU,则VX套片性能超过HX套片。VX套片也被称为“Triton III”,使用VX套片的主机板比相应的HX主机板价格低100元左右。由于这些原因,采用VX套片的主机板被某些公司称为“家用型”,而采用HX套片的主机板被称为“商用型”,其实,从上面的分析可以知道,HX套片更适合于对数据可靠性要求较高、对内存总量要求大的服务器,而VX则适合于更广大的办公、家用电脑。不同于HX套片,VX套片又恢复了原来的4片式结构。
#1   四、谁的主机板性能好?
  很多朋友向我咨询哪一款奔腾电脑主机板性能好,是啊,谁不想买一块速度快的主机板呢?那么,既然已经看完了前面三部分,我问你,一个主机板的性能取决于哪些方面?是取决于它的生产厂家还是取决于它的售价?是取决于它的广告宣传还是取决于它的外包装?不是不是,这些当然跟性能没有关系,您应该早已明白,主机板的性能主要取决于它采用的套片!
  不相信吗?您不相信那个廉价的P牌VX套片主机板速度能比得上著名的A牌VX套片主机板?请听我解释。
  96年7月台湾著名的电脑杂志《旗标资讯月刊》刊登了他们对台湾众多采用VX套片的奔腾主机板的评测结果(使用Winstone96测试),最快的仅仅比最慢的快了2%左右。想不到这个结果竟然被人用来在广告中说明他们的主机板性能比别人的好,真是滑天下之大稽。
  我认为,这个测试恰恰证明了:采用相同套片的主机板,性能方面基本上没有区别!你说2%的差别不能被忽略吗?喔,我没有要忽略的意思。你可知道,在软硬件都相同的情况下,还是有一些因素能造成这些差别。BIOS!不要忘了,主机板的性能虽然取决于套片,但是套片有多种工作模式的,管理套片处于何种工作模式的是BIOS!老实说,BIOS控制的读写内存、读写Cache、读写PCI总线等方面一个很小的改动就足以造成这个性能差别。目前奔腾主机板大部分使用的是AWARD公司开发的BIOS,BIOS随时都有新的版本出台,如果这些主机板采用的BIOS的版本不完全一样或者干脆用的是不同公司研制的BIOS(这是很有可能的,AMI、Phoenix等都有很好的BIOS),那么BIOS的自动配置功能会存在一些差别,这时候即使是相同的配件,在不同的主机板上所处的工作模式也有可能不完全一样,这当然会造成性能上的差别(使用手工设置方式可以消除这些差别。如果今后有机会,我会和朋友们讨论如何手工调整BIOS的设置,让主机板发挥出最高的性能)。
  由于不清楚《旗标资讯月刊》测试不同类型主机板的时候具体采用的测试步骤,因而这里无法对它提供的测试结果进行更深入的分析。其实,在这个测试中某名牌主机板的得分并不高,而一个在中关村几乎是最廉价的VX主机板的得分却处于中游。
  “到了二十世纪末,制造一种优秀的商品只能算完成了整个经营过程的十分之二三,把产品以‘优秀’的方式销售出去才算完成了后面的更大部分的工作”,Intel公司总裁葛鲁夫先生早就说过:制造优秀的东西不难,难的是把它卖出去。看看性能规格甚至元件布局都日益相同的主机板,我想给您讲讲社会化分工极细的台湾主机板制造业的一些情况。
  台湾是全世界最大的主机板生产基地。虽然无缘亲眼目睹,好在笔者的一个朋友经常出入这些地方,从他口中我了解到在那里有人专门设计主机板(不同公司生产的主机板完全一样的原因),有人专门生产多层电路板(主机板完全一样的又一个原因)……散热片、风扇、插座等不起眼的小东西也都有专门的供应商。如果你想生产主机板,确实可以采购到所需要的任何东西,但是如果你的产量不够大,那可就赚不到钱。
#1  五、如何选购主机板?
  如果你同意笔者的观点的话,这时候,选择主机板的依据自然就是套片。按照使用的套片分类,目前市场上常见的奔腾主机板如下所示。
#3  主板类型:AT主机板
#3  HX套片:华硕P55T2P4
       微星5128
       联讯8561L
       联想P51430HX
       精英P51430HX
       中凌ATC2000
       技佳656HXA
       大众 PT2200等
#3  VX套片:华硕P55TVP4
             微星5129
       联讯8661
       联想P51430VX
             精英P5VX-B
       中凌ATC1020
       技佳656VXA
       皇朝AI5TV
       PCCHIPSM520(板皇)等
#3  主板类型:ATX主机板
#3  HX套片:华硕XP55T2P4
       微星5135
       精英P5HX-A等
#3  VX套片:微星5136
             精英P5VX-A等
  既然大家的性能都一样,那就胡乱去买一块吧!停!千万不能这样。性能都一样,那只能说选购的时候,性能作为一个评价指标应该放到比较靠后的位置,要优先考虑不同厂商、销售商之间存在很大差别的保修、售后服务等项目。
  无论多好的产品,都不能保证不出任何问题,关键是出现问题之后要有解决的渠道。根据国内当前的情况,我认为选择主机板的时候,是不是名牌不是最重要的,有没有可靠、方便的保换保修服务才是要重点考虑的。如果没有其它方面的原因,我认为最好在自己的所在地购买,一旦出现问题容易解决。如果万里迢迢到某个大城市购买,或许少花了一点钱,但是一旦出现问题,付出的代价更昂贵。
  说完了主机板的选择问题,趁此机会在这里答复某些读者的询问:使用Intel套片主机板性能是不是最好的?或者说Intel的套片是不是所有套片中性能最好的?
  不一定!比如新版本大众PA2005主板使用的新型VIA Apollo V80P套片和DFI(友通)支持6X86 P200+芯片的主机板所使用的VLSI Lynx套片,性能都非常好,并且都突破了Intel套片66MHz的最高工作速度,达到了75MHz。这两款套片都支持Cyrix 6X86P200+,目前,大众和友通已经与Cyrix合作推出了主机板和6X86P200+的捆绑销售方案,大陆用户可以与Cyrix公司中国总代理AVT公司联系订购。
#1  六、什么是ATX主板
  表格2中提到“ATX”,这是Intel制定的新的主机板结构标准。“ATX”自然是“AT Extend”的缩写,那么95年Intel制定的ATX标准在哪些方面不同于84年IBM制定的已经成为工业标准的AT标准呢?其实,对于软件来说,AT主机板和ATX主机板是没有区别的,ATX相对于AT改进的主要方面是主机板上各个元件的相对位置,因为随着CPU等元件的进步和电脑向多媒体、网络化方面发展,AT主机板元件位置的不合理,越来越影响电脑的扩充能力和可靠性。ATX解决了这些问题,必将成为下一代电脑内部结构的标准。目前,很多整机生产厂家都采用了ATX标准。欲知ATX的详细情况,且听笔者慢慢道来。
#2  1.AT主机板的缺陷
  AT主机板的缺陷主要体现在下列四个方面:
  (1)CPU位置不合理,造成了两方面的影响。
  首先,由于CPU所处位置散热通风条件不好,造成现在的高功耗CPU都需要一个专门的小风扇散热。在整个电脑中,这个小风扇的可靠性是最差的,往往因为小风扇的停转造成CPU的散热不良,从而导致频繁死机甚至CPU被烧毁。
  其次,由于戴“高帽子”的CPU位于扩充槽的方向上(参看图1),造成全长的扩充卡无法插入,直接影响了电脑的扩充能力。从图1还可以看出,CPU旁边用于给CPU提供33V直流电源的稳压电路所用的散热片也影响了全长扩充卡的使用。由于这两方面因素的影响,某些奔腾主机板竟然无法插入一块全长扩充卡。
  全长扩充卡现在还是很常见的,特别是多媒体方面,比如创通的所有SB声卡、VB视卡都是全长的。其它公司生产的电视卡、多媒体卡、影象捕捉卡大部分也是全长的。
  (2)内存位置不合理,造成内存升级困难,也造成内存条散热不良。
  由于原来的AT标准中没有规定内存的位置(当时AT的内存还是一个一个插在主机板上的芯片),因此,造成现在主机板上内存被安置在一个狭小而又不通风的角落里,影响了内存的升级。特别是现代电脑的内存量越来越大,内存条上采用的内存芯片也越来越多,散热问题也越发重要。
  (3)主机板的横向宽度太窄,使得直接从主机板上引出接口的空间太小。目前由于多媒体化及网络化,电脑上安插的扩充卡越来越多,为了缓解这种需求,可以把某些扩充卡的功能集成到主机板上,就象现在的主机板都具有多功能卡的功能一样。但是问题出来了,虽然目前的技术已经可以在主机板上集成更多的功能,但是由于输入输出信号线无法从主机板上直接引出,必须使用特制线缆转到机箱的后部,占用扩充卡的位置转接出来(现在转接串并口所采用的方法)。线缆的增多提高了成本,增加了电脑内的混乱程度,降低了可靠性。
  (4)没有规定软硬盘接口及软硬盘支架的位置。
  组装电脑的时候,如果使用的是大型立式机箱,我想您恐怕要在软硬盘的线缆上大费周折,因为大部分主机板提供的线缆都是针对中小型机箱的,长度不够。其实从另一方面看,软硬盘的线缆还可以缩短,只要在设计主机板和机箱的时候,把软硬盘接口安置到靠近软硬盘支架的位置。软硬盘线缆过长,不仅也增加了电脑内连线的混乱,甚至还会因为硬盘线缆过长,造成某些高速硬盘无法发挥其特长,制约了电脑整体性能的提高。
#2  2.ATX主板的改进
  还是亲眼看看ATX主机板的结构图比较清楚(参见图3),这是我根据使用HX套片的华硕XP55T2P4型ATX奔腾主机板绘制的。
  从图中可以明显看出来AT与ATX的区别,基本上是把AT(Baby AT)主机板上的组件旋转了90度。当然这只是表面现象,ATX具体的改进是:
  (1)把CPU的位置放在靠近主机电源的第二风扇的位置,让主机电源的散热风扇直接吹CPU,因此CPU上只需要一个散热片即可,甩掉了直接扣在CPU上性能不可靠的小散热风扇。从图中也可以明显看出来,CPU和稳压电路的散热片再也不会影响全长扩充卡了。
  (2)内存条位于主机板的中央,使得升级很方便。同时,从主机电源第二风扇吹来的气流也使得内存条的散热情况大大好转。
  (3)ATX主机板的边缘还直接提供了2个串口、1个并口、1个PS/2键盘和1个PS/2鼠标的接口。减少了主机内部线缆的数目,提高了可靠性,降低了电磁辐射。
  (4)软硬盘接口现在放到了距软硬盘支架最近的地方,缩短了线缆的长度,有利于顺利使用今后的高速硬盘(Intel和昆腾已经制定了Ultra IDE接口标准,比现在的EIDE速度快一倍以上)。
  (5)ATX主机板提供了33V直流电源。为了降低功耗,主机板上使用33V低电压的设备越来越多,比如CPU,还有最近的168线SDRAM内存。由于原来AT标准的电源只提供了±5V、±12V的电压,因此不得不在主机板上安放DC-DC电源变换器。采用ATX标准以后,由于主机电源直接提供了33V电压,因此减少了主机板上采用的元件,不仅降低了主机板的成本,同时也有利于提高可靠性。
  (6)ATX标准的机箱在电源关闭的时候仍然可以提供5V、100mA的直流电流,可以维持电脑内部一小部分电路在关机的情况下依然保持工作状态,便于实现遥控开启电脑和定时关闭电脑的功能。比如接到遥控开机信号或者电话呼叫信号之后,自动打开电脑电源进行处理。这个特征使电脑更象消费类电器。
#2  3.ATX主板对机箱的要求
  ATX主机板必须使用ATX机箱,ATX机箱也只能安装ATX主机板。这大概是ATX规格方面唯一的限制。各种扩充卡,无论是全长的ISA、EISA卡,还是PCI卡、键盘、串并口插头都完全通用。由于ATX主机板上的键盘和鼠标接口是PS/2,因此需要有这样的转换插头才能用现在的AT键盘。
#2  4.目前买ATX是否合适
  显然,目前买ATX机箱、主机板是不合适的,因为暂时销量少(这只是国内的情况),因此价格高昂。主机板也存在这个问题。其实生产成本是一样的,甚至综合起来,ATX的成本还要低一些,关键是量太少。不过我相信随着销量的增加,ATX机箱和主机板的价格会迅速下降。
  现在,很多大的电脑厂商都有采用ATX标准的电脑,比如国内的长城、海信等公司。