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IBM－PC及其兼容机主板电路分析

【论文摘要】触发电路、供电电路、时钟电路、复位电路是主板上最主要的电路。通过学习和了解四大电路的基本工作原理，逐步分析其电路特性，提高对主板电路的认识和分析能力。

　

随着个人计算机（PC－Personal Computer）在各领域的普及，它的内部结构已被人们广泛的认识和了解。作为构成计算机的重要部件——主板，更成为了人们关注的焦点。主板是一台PC的基石，是连接计算机各部件的桥梁，它的稳定性往往决定了一台整机的稳定性。研究和分析主板电路是认识和了解主板功能特性如何实现的重要途径。 下面通过对主板的架构、触发电路、供电电路、时钟电路和复位电路来研究和分析主板电路。 主板架构原理 了解主板架构是掌握主板布局的重要方法，也是分析主板各部分单元电路的基础。分析主板架构的重要依据是主板所采用的芯片组，芯片组是主板的灵魂，是CPU与周边设备联系的桥梁，它决定了主板的速度、性能。早期芯片组由二至四枚芯片组成，现在基本上由两枚芯片组成（一体化芯片主板除外），分别由北桥（South Bridge）和南桥（North Bridge）组成。目前主板芯片组的主要生产厂商有英特尔（Intel）、威盛（VIA）、矽统（SIS）、扬智（ALI）等。下面分别以几款较为典型的芯片组来分析主板的架构。 Intel 440LX、440BX与VIA 693、693A系列芯片组主板架构   图1 此系列芯片组由北桥作为控制芯片，控制和管理高速传输设备，负责内存、图形加速接口（AGP）与CPU的通讯，同时控制位于北桥与南桥之间的PCI总线。由南桥作为系统输入/输出芯片，控制和管理低速设备，如IDE、USB、ISA等外部设备，并通过I/O芯片间接控制键盘、鼠标、串口、并口等外部设备。 Intel 810系列芯片组主板架构   图2 Intel 810系列芯片组增加了图形和内存控制中心（GMCH－Graphics & Memory Controller Hub）、I/O控制中心（ICH－I/O Controller Hub）及固件中心（FWH－Firmware Hub）三个部件。从图1与图2的比较可以看出， Intel 810系列芯片组主板在对PCI总线的控制上发生了变化，GMCH与ICH之间采用了加速中心总线（AHA）进行通讯，其带宽是PCI总线带宽的两倍，ISA总线在这里已不在使用。 Intel 845系列芯片组主板架构   图3 Intel 845系列芯片组，承袭了Intel 8xx系列芯片组的架构，它由内存控制单元（MCH－Intel Memory Controller Hub）以及I/O控制中心（ICH2－Intel I/O Controller Hub 2）组成。MCH和ICH2之间通过Hub Link总线接口进行数据传输。由此芯片组架构的硬件平台搭配Intel Pentium4处理器可实现AGP4X、PC133 SDRAM/DDRAM、Ultra ATA/100 IDE、LAN、USB等功能。 主板触发电路 主板触发电路即开机电路，它的触发方式与电源供应器（简称电源）的结构密切相关。因此，有必要对电源的供电方式进行了解。电源可分为AT和ATX两种结构，目前普遍采用的是ATX结构电源。ATX结构电源有20条引脚，引脚定义与颜色、电压的对应关系见图4：   图4 其中，8引脚为PG（Power Good）信号。9引脚为待机供电。14引脚为PW-ON（Power-On）信号，14引脚与GND（Ground）短接后即可触发电源工作，未触发前9、14引脚输出电压均为+5V，其它引脚无输出电压。 根据电源的两种结构，主板触发也采用两种方式。AT结构电源采用硬开机方式（触发后PW-ON为常闭状态），ATX结构电源采用软开机方式（触发后PW-ON为常开状态）。由于软开机是目前绝大多数主板采用的触发方式，因此我们主要针对这种触发方式进行分析。 触发原理与目的分析： 通过PW-ON触发主板开机电路，开机电路将触发信号进行处理，最终发出低电位信号，将电源14引脚（绿）高电位拉低，触发电源工作，使电源各引脚输出相应电压，为其它设备提供正常供电。 尽管在主板各部分电路的设计与应用中元件及芯片的组合布局方式不完全相同，但是实现的原理与目的始终是一致的。因此，分析典型的电路原理是掌握主板各部分电路知识的重要手段与途径。 触发电路分析： 1． 经过南桥的触发电路（见图5-1、图5-2）   图5-1 分析：在触发电路中凡是参加开机的元件均由电源9引脚（紫）提供+5V供电。+5V高电位经电阻R1、R2，在PW-ON非接地端形成+3.3V高电位。当PW-ON被触发（即闭合）瞬间，+3.3V高电位信号被拉低，变为低电位，南桥接收到低电位信号向电源14引脚（绿）发出低电位信号，将POWER（14）+5V高电位拉低，触发电源工作，实现开机。   图5-2 分析：当PW-ON被触发（即闭合）瞬间，+3.3V高电位信号经反向器（如7404等）转换为低电位，南桥接收到低电位信号向电源14引脚（绿）发出低电位信号，将POWER（14）+5V高电位拉低，触发电源工作，实现开机。 2． 经过I/O芯片的触发电路（如图5）   图6 分析：过程与经过南桥相似，只是由南桥控制I/O芯片，通过I/O芯片发出低电位信号将POWER（14）+5V高电位拉低，触发电源工作。 虽然各主板厂商采用的触发方式不尽相同，但最终实现的目的却是一致的。通过分析上述几种触发方式，可以用触类旁通的方法对采用其它方式触发开机的主板进行剖析。此外，还有部分品牌的主板有自己专门的开机复位芯片，如华硕（ASUS）。 主板供电电路 这里所指的主板供电是指为CPU供电，最终目的是为CPU电源输入端提供CPU正常运行时所需的电压和电流，是通过ATX电源输出电压经DC→DC（直流→直流）降压转换后实现的。 随着CPU性能的不断提升，CPU对供电的要求也越来越高，高频率、大电流的供电要求已成为CPU供电的基本趋势。这样也使这部分电路成为主板上信号强度较强的区域，为了避免对主板中其它信号较弱的数字电路产生串扰效应（Cross Talk），这就对CPU供电电路提出了更高的设计和制造要求。观察和分析CPU供电电路的设计方法与制造工艺也是我们判断一款主板品质优劣的重要依据。 图7为单相CPU供电电路示意图，也是主板供电电路的基本原理图。   图7 基本供电原理分析： 获得ATX电源输出的+5V或+12供电后，为CPU提供供电（此时未达到CPU核心供电要求），CPU电压自动识别引脚发出电压识别信号（VID－Voltage Identification Code）给电源控制器（PMW control），电源控制器通过控制两个场效应管（MOSFET）导通的顺序和频率，使其输出的电压与电流达到CPU核心供电要求，实现为CPU供电的目的。 从图7可以看出，单相供电需要两个场效应管，此外还需要两只电解电容。在电源输入端使用大容量电解电容进行退耦，在输出端使用大容量电解电容进行滤波就可以得到比较平滑稳定的电压曲线，使输出端达到CPU供电电压要求， 电源控制器是CPU供电的核心，其功能特性也是我们研究的重点。在CPU供电电路中最为常见的是Intersil公司设计的电源控制器芯片（PMW Control IC），其中以HIP630x最为典型。现以HIP6302为例分析CPU供电电路。 HIP6302是一款多相电源控制器芯片（multi-phase PMW Control IC）,其引脚功能描述如图8。     图8 引脚1－5为电压自动识别引脚，信号由CPU根据电压识别原理提供，是CPU获得核心供电的依据和基础。电压识别信号一般由4-5位数字编码组成，位数越多识别精度越高。 电压识别信号遵循VRM规范，VRM（Voltage Reference Model）是Intel公司设计的供电标准。目前应用较多的供电标准为VRM 9.0，支持电压范围为1.1V-1.85V。VRM 9.0对应的电压识别信号编码组合见附表1。 图9是利用HIP6302为CPU提供供电的简易方框图描述。   图9 从图9中可以看出这是一款两相供电电路，其基本工作原理与单相供电电路原理相似，可以看作由两个单相供电电路并联构成。图10给出了两相供电电路图。   图10 从图10中可以发现为主控芯片（HIP6302）专门搭配的两个从属驱动芯片（HIP6601），其引脚功能描述如图11。   图11 驱动芯片的作用是在获得电源控制器相位控制信号的同时向场效应管发出脉冲信号，各场效应管再遵循一定的顺序进行轮流导通截止，最终经滤波输出核心电压。 现在，多数主板的供电电路都采用了两相甚至多相设计，用以满足CPU高功耗的需求，使功率达到80W，工作电流达到50A。采用多相供电不仅可以为CPU提供足够可靠的电能，还可以通过分流作用使每相场效应管的负载减少，从而使供电电路的热损耗降低，为主板的稳定运行创造一个良好的环境。   图12 图12为三相供电电路图，它采用了Intersil公司设计的HIP6301芯片作为电源控制器。HIP6301可支持二、三、四各相供电，支持VRM 9.0规范，被许多主板生产厂商所采用。 对于多相供电电路每相之间是有相位差的，相位差的大小为360度除以活动脉冲控制端数。有多少相供电就有多少个脉冲控制端，相应的也就有多少路电流反馈（ISEN）。在多相供电电路中要对电流进行均衡处理，将各通道的电流反馈与总电流除以相数的平均值之差送入电源控制器的比较器中，经过调整后使各通道的电流值等于电流平均值，最终实现各相电流及场效应管负载的均衡。在电压调整方面，通过与电压反馈（VSEN）信号的比较对电压进行调整，实现过欠电压保护和过流保护。 主板时钟电路 主板上多数部件的时钟信号由时钟发生器提供，它是通过晶振产生振荡，然后分频为各部件提供不同时钟频率。时钟发生器是主板时钟电路的核心，如同主板的心脏。   图13 图13为时钟电路方框图，从图中可以看出时钟发生器直接或间接为各总线及部件提供不同的时钟信号，即时钟频率。例如，时钟发生器通过PCI总线为周边元件扩展接口（PCI）部件提供33MHz的时钟信号。其中，前端总线（FSB）与图形加速接口（AGP）总线的时钟频率是经北桥时钟倍频后间接获得。 我们经常提到的数据传输速率与时钟频率有着密切的关系。它们的关系式为： 数据传输速率＝时钟频率×带宽÷8 常见总线参数比较见附表2。 主板复位电路 主板复位的主要目的是使主板及其它部件进入初始化状态，对主板进行复位的过程就是对主板及其它部件进行初始化的过程。它是在供电、时钟正常时才开始工作的。其基本工作原理图，如图14。   图14 从图14可以看出复位电路与触发电路较为相似。在复位电路中由电源（红）提供+5V供电，在进行复位之前南桥必须收到时钟（Clock）信号以及由电源8引脚（灰）发送的PG信号才能进行复位。当RESET被触发（即闭合）瞬间，+3.3V高电位信号被拉低，经门电路芯片向南桥发出复位信号，最终再由南桥向各部件发出复位信号，使各部件进行复位。   图15 由于各部件的复位引脚并联相接（如图15），当某一部件的复位线路出现问题，就很容易造成其它部件的复位信号出现故障。例如，当PCI复位引脚接地时，会造成整个复位线路接地，使其它部件无法进行复位。这种情况在复位电路故障中较为常见。 前面所述的触发电路、供电电路、时钟电路、复位电路是主板上最主要的电路，同时这个顺序也是整个主板电路的启动工作顺序，其中供电、时钟、复位是主板上各部件正常工作时所必须获得的信号。我们必须从了解四大电路的工作原理开始，通过逐步分析来掌握主板电路。理论结果有时对于实际应用来说只是一种理想状态，在主板设计时通常要考虑现实中元件的电能转换效率及热稳定性等因素，不同的主板厂商会采用不同的元件、方式及布局等手段来解决上述问题。因此，结合实践多观察多分析是我们解决主板电路问题的重要方法。 附表1 电压识别信号编码 VID4 VID3 VID2 VID1 VID0 VDAC 1 1 1 1 1 Off 1 1 1 1 0 1.100 1 1 1 0 1 1.125 1 1 1 0 0 1.150 1 1 0 1 1 1.175 1 1 0 1 0 1.200 1 1 0 0 1 1.225 1 1 0 0 0 1.250 1 0 1 1 1 1.275 1 0 1 1 0 1.300 1 0 1 0 1 1.325 1 0 1 0 0 1.350 1 0 0 1 1 1.375 1 0 0 1 0 1.400 1 0 0 0 1 1.425 1 0 0 0 0 1.450 0 1 1 1 1 1.475 0 1 1 1 0 1.500 0 1 1 0 1 1.525 0 1 1 0 0 1.550 0 1 0 1 1 1.575 0 1 0 1 0 1.600 0 1 0 0 1 1.625 0 1 0 0 0 1.650 0 0 1 1 1 1.675 0 0 1 1 0 1.700 0 0 1 0 1 1.725 0 0 1 0 0 1.750 0 0 0 1 1 1.775 0 0 0 1 0 1.800 0 0 0 0 1 1.825 0 0 0 0 0 1.850 注：“0”代表低电位，“1”代表高电位。 附表2 常见总线参数比较 类型 ISA PCI AGP 总线带宽（bit） 16 32 64 时钟频率（MHz） 8 33 66 传输速率（MB/s） 16 133 ≥266

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