笔记本硬件结构终极教程02.doc

笔记本硬件结构终极教程中第1页：北桥：显示单元是区分855GM/GME和855PM的好办法 所所开篇：大家好，今天是周末了。相信大家在看本周一关于笔记本硬件结构终极教程上篇后，已经都兴奋的不行了。所以这次在周末期间提前推出本文的中篇。让大家可以将热情继续下去，而下篇也会在下周的时候发出。到时候三篇连着读起来，一定爽的不行啊。闲话就不多说了，大家开始上课吧，安静哦 各位好，很高兴又与大家见面了。在上次发表了本文的上篇后一直忙于工作，昨天晚上终于抽空写完了这次的中篇。这次的内容有大家比较关心的PCI Express总线和传统的PCI总线的区别，以及SATA/PATA技术的一些分析。 而对于IBM 的FANS来说，或许通过本文，您甚至可以自己升级BMDC模块（这很令人兴奋哦！）另外USB也会再谈论一下，对DIYER有点帮助，也许使用IBM Thinkpad 600E的朋友可以扩展您第二个USB口。好吧，闲话少说，我们正式开始！ AGP是加速图形接口的简称。对于我们常说的集成显卡的855GM/GME来说，在设计的时候是涉及不到AGP接口的，因为其北桥能直接支持VGA输出，LVDS输出（到TFT Panel），以及S-VIDEO输出。设计者只需要把这些信号延伸到主板的各个接口即可。 855GM的系统架构如图是采用855GM芯片的系统图，我们看到在显示部分，已经直接由北桥来负责输出。下图是某笔记本的整体写真，我们看到除了CPU，北桥，南桥外，没有显示卡芯片。 集成显卡的主板而对于独立显卡的设计（855PM芯片），则会相对麻烦一些。因为设计者需要通过855PM的AGP通道连接显卡，并通过显卡输出需要的数据，如VGA，LVDS等等。 855PM的系统架构我们看到，在采用855PM的芯片组时，北桥只负责输出AGP到显卡，然后由显卡负责输出各种显示信号（VGA，LVDS.） 如图是台式机的AGP显卡，在笔记本中不过是把这张卡也集成到主板上了而已（当然是选用移动版的GPU啦！）下图是含有独立显卡的IBM T42和三星X30，分别采用ATI 7500和NVIDIA 5200的GPU。 而一些台湾公司的北桥，如VIA和SIS的北桥不直接支持Panel，它们需要一个Transmitter来转换才能输出VGA、LVDS等信号，比如最新的PN800（PT800的移动版本）和K8N800（K8T800的移动版本），如果有需要更多信息的话可跟笔者联系，在这里就不做介绍了。 最新的MXM技术也已经初具雏形，笔者当前有幸接触到MXM的设计，核心是比较新的NV43。至于什么是MXM，笔者简单说一下：MXM是相对当前的笔记本电脑无法更换显示卡而提出的一个规范，其通过一个特定的接口能实现显示卡和主机分离，使得用户可方便的升级笔记本电脑的显示卡，如同台式机能方便更换AGP显示卡一样。其接口的详细规范，就不再多说， 第2页：北桥：HUB-LINK 你了解多少？ HUB-LINK，这是Intel的规范，其作用是提供南北桥的高速数据连接。其运作频率是66MHZ，速度为266MB/s。Hub-Link有12根的数据线，以及2根差分的时钟线，以及数根的控制线。 以往的南北桥连接都是直接套用PCI总线，速度慢不说，还有一堆的信号线要你排。 在这种情况下，INTEL提出了Hub-Link以改变这种情况。而HUB-LINK对布线的简化确实有相当的帮助，当然对提升速度也有很多的好处（相对应的也有VIA提出的V-LINK，ALI提出的A-LINK等）。对于最新的915平台，这部分称为DMI（Direct Media Interface）连接，以最大2GB/s的数据传速率远远超过266MB/s的Hub Link。 下图是Hub-Link的连接示意图。 Hub-Link的布线一般要求并不是太强，可参考以下的表格。 我们可以看到其最大允许的长度为6 inch，宽度需要至少4mils，间隔8mils等等 第3页：南桥：IDE接口 说难不难说简单也不简单 南桥是外围（I/O）设备的中转站，一般来说主要的接口有HUB-LINK，IDE，PCI，AC97，USB，PM（Power Management，电源管理）等，对于最新的ICH6，更有SATA，DMI等。 HUB-LINK的定义见上文。 IDE是大家比较熟悉的接口，硬盘一般都通过IDE通道与南桥建立连接。在ICH4上，有两个IDE接口，所以我们一般硬盘用IDE0，光驱用IDE1。而在在最新的915平台上只有一个IDE，另外还有4个SATA。当然这是Intel在积极推行SATA的结果。IDE通道有16根0.15 数据线，还有一些相关的控制信号。如图是硬盘和南桥通过IDE来连接HDD的示意图： 下图是实际的IDE接口，共有44PIN，当然，有些也是空PIN，有些则是接地： 跟台式机不一样的是，笔记本中光区的接口和硬盘不一样，这也可能是一个行业标准吧。笔记本光区的接口如下图，共有50PIN，比硬盘的PIN数多是因为CD-ROM上需要引出音频信号以及一些控制信号： 虽然光区和硬盘的接口并不一样，但其本质上其实是相同的，都属于IDE范畴。第4页：南桥：PATA，SATA之争 在只有一个IDE接口的时候，副硬盘只能通过主IDE设备来实现中断（IRQ），比如现在有些厂商需要在915平台上使用IDE的硬盘，以降低成本。如此一来，势必要使硬盘和光区使用一个IDE通道，如果从光盘拷贝大量数据到硬盘的话，速度会有明显的下降。 而有些时候，RD为了提高性能，甚至需要用转换芯片将SATA转成PATA（没听说过吧？呵呵，用Marvell 88SA8040这颗IC就行了。 下图是ICH6M的硬盘部分的功能块，有四组SATA和一组的PATA接口。 SATA和PATA（IDE）相对PATA来说，SATA的设计就显得简单的多，只需4根/2组差分信号和一个电源即可搞定。但由于其数据的高速性，设计者对布线，以及控制EMI/EMC来说却需要投入更多的精力。最新的ICH6提供了4个通道的SATA，看来Intel把SATA尽快的推到笔记本上信心实足。 下图是SATA和PATA的笔记本硬盘 接口比较。我们看到实际上SATA的PIN脚还是有很多，但其实很大一部分都是地线，用来保证信号质量用的，当然，也有一部分是空PIN来做保留。 在这里笔者多说两句，其实早在2002年富士通就以桥接方式推出了串行笔记本硬盘。根据国外硬件网站TomHardware的测试报告，这款4200转的SATA硬盘，数据传输速率和存储时间都与PATA（IDE）产品差不多。也就是说，单纯更换接口，对速度的提升尚未显示出太大的帮助，笔记本硬盘的瓶颈并不是在接口上。它主要的好处是使用方便、接口简单而且支持热插拔。 现在，日立和富士通都跟随Sonoma的步伐发布了新一代的SATA硬盘，有测试报告称速度达到了30MB/s。然而在其昂贵的价格面前，SATA笔记本硬盘的优势还很微弱，甚至没有。但我们必须得承认，笔记本全面进入串行时代，是无法扭转的历史进程。SATA硬盘的普及，也会是必然。 第5页：南桥：从PCI到PCI-EXPRESS PCI是外设的最主要通道，几乎所有的外围设备都能通过PCI来实现其功能。对笔记本通常而言，主要挂有CARDBUS、MINI PCI、网卡，或者电视卡。而对于这些设备的物理连接，我们也将在下篇中具体谈到。 由于PCI只是跑在33MHZ上，所以它的布线比较宽松，并不需要严格的控制。 而对于最新的ICH6已经开始支持PCI-Express，相对PCI原来的近60pin，PCI-Express的引脚只有区区四根。这对于硬件的设计来说是个绝对的好消息，PIN脚越少，越不容易出错啊！更重要的是，PCI EXPRESS并不需要像PCI那样指定PCI设备的中断和中断响应，对于BIOS和硬件工程师来说就少了需要共同协商的部分，加快了开发的进程。 笔记本上我们看不到PCI-E，我们来看看台式机吧，反正通道的原理是一样的。 由上到下分别是：PCI-Express 16X，PCI-E *2，PCI总线*3。可以看到PCI-E比传统的PCI总线的PIN数要少太多了。下图是PCI和PCI-E的对照表，大家可以看到两者的区别： PCI和PCI-ExpressICH6提供了4组PCI-Express接口，理论上至少可接4个PCI-Express设备（我是没碰到过，实在是因为用不了那么多，呵呵）。 第6页：AC97 Modem BMDC 您又了解多少？ AC97是Audio Codec97的缩写，它所定义的是一种在主流PC中实现音频特性的方法，后来又扩展了实现Modem的功能。AC97利用核心芯片组的功能和外围的模拟设备共同实现音频卡/Modem的功能。下图AC97接口是示意图： 我们看到南桥输出7个信号，从上到下分别是复位、输出、同步、时钟，以及三个输出信号。按图中的意思，AC97接口至少可以接3个设备，共用复位、输出、同步、时钟四个信号，但输入信号各自独用。一般情况下，我们常接入的是D/A转换（SDATA_IN0，数字信号转成模拟的音频信号）和Modem（SDATA_IN1）两个设备，保留了第三个设备接入的能力。 下图是笔记本上AC97的接口，如今已经是通用的接口了。 笔记本上的Modem(AC97)接口AC97单元在主板的设计上并不困难。但由于音频是模拟信号，而且由我们的耳朵直接聆听，所以如果走线不合理的话，就有可能引发干扰声。另外，如果处理不好干扰的话，也会影响Modem的拨号速度。所以一般在做PCB布线的时候，会在音频解码器的范围内禁止走高速的信号，比如网卡，USB等等。并且需要严格把AC97的解码器的数字和模拟部分分开，最后，在解码器的下方的一般都会加上一大块的铜作为模拟地以将干扰减小到最低。 至于如IBM的高档机型上用的Modem/BlueTooth的Combo卡（炒的比较热的BMDC卡），其实是利用在AC97的接插件上空余的pin，接上了USB的线路（2根而已），然后通过USB总线来连接BLUETOOTH，这根我们常用的USB蓝牙其实是一样的，可见其成本并不高。笔者参与设计的几个项目都是用AC97来扩展蓝牙的。 IBM的Modem/蓝牙Combo卡下图是AC97接口的PIN脚功能图，我们看到左边部分的PIN是连接到南桥的AC97接口，而右边则是蓝牙的功能块。除此之外还有很多空余的PIN脚，BMDC正是通过这些空余的PIN实现Modem、蓝牙二合一的。 BMDC接口的线路图如果要利用MINI-PCI的空余PIN来做的话也是可行的，这样的话也就是Wireless/Bluetooth Combo卡了，而且理论上来说，做成Wireless/Bluetooth Combo更方便，不仅是因为MINI-PCI的空PIN更多，而且其空间也越大。不过由于迅驰技术的限制，如果不使用Intel的无线网卡，就不能打上迅驰的标签。而Intel的无线网卡是不大可能集成蓝牙功能的，所以现在Wireless/Bluetooth Combo卡并不多见。 MINI PCI的无线网卡。看看，是不是空间更大？：）随着ICH6M的推出，最新的Azalia（Intel称之为High Definition Audio）相信大家也听说过。以其多声道，高保真的效果正在逐步替代传统的AC97。最新的音频解码器（AZALIA）目前量产的就我知道的也就两家，一家是Retelk的ALC880，另一家是C-Media的CMI9880。下面是两者的图片： Azalia音效芯片最大的特色在于能够进行自动设备检测和接口定义功能，可以自行判断哪个端口有何种设备插入；还能为接口定义属性，利用这个功能，我们可以重新分配音频插孔的定义，之后就可以播放不同的音频、视频文件，听不同的歌曲了！呵呵 第7页：南桥：USB口 没想像中那么简单 USB，Universal Serial Bus（通用串行总线）。我们知道，我们现在用的USB口上有4个引脚。其中中间两根是从南桥引过来的信号线。另外两个边上的则是一个正5V，一个接地。下面是USB口的接口具体定义： 其中供电的时候一般由一颗IC来控制电流的大小，当超过预定的电流时候（USB1.0为500MA，2.0则是720MA），改IC会给出一个OC#（OVER CURRENT，过流）信号给南桥，南桥切断USB口的信号，从而保护南桥内部的寄存器和整机的安全。INTEL推荐使用专门的IC来切断电压，这样能更好的保证机器的稳定性。图中的5V Switch就是供电IC： USB的保护电路具体的电路，参考权威揭密 从成本分析看低价笔记本猫腻第六页。 仔细看一下USB口，其中间两根信号线比较短，而电源线则比较长。这样的设计是使UBS口在插入的时候先接通电源，后接通信号。个人以为这样的设计是为能保护南桥内部的寄存器不会受到冲击电流的影响。 由于USB的高速性，特别是USB2.0的发布，更加剧了这部分布线的难度。对EMI工程师来说，为了通过EMC验证，必定是线越短越好。而对硬件和机构工程师来说，有时候这点并不能满足所以冲突是难免的。 下图是为解决USB的EMI/EMC问题设计的电路，也是INTEL的建议线路。其中USB+/-是直接从南桥引出来的，通过一个共模电感输出到USB口，提高整机线路的EMI/EMC性能。 USB的EMI保护所以说我们常看到一些网络上的高手直接从南桥引出USB信号线来实现USB扩展其实是比较不规范的哦，至少EMI/EMC肯定过不了，呵呵。当然，能直接从南桥引出USB的信号线对于业余者来说已经是非常不简单了，而且对于个人用户来说，EMI/EMC的需求就并非那么强烈了，所以这样做是完全可行的。 上图是某些发烧友为IBM THINKPAD 600X加装第二个USB口的图，图中他们已经标出了南桥引出的USB信号线。 第8页：小结及下期预告 限于篇幅，从硬件研发的角度看笔记本中篇在这里就结束了。在这里，我们谈到了现今笔记本的基本架构以及在设计时候的方方面面，对一些简单问题的深入了解等等。我相信各位读者仍然意犹未尽，而在下篇中，我们会讨论一些更深层次的技术问题，主要包括如下几个方面： 1，系统总线，SMBUS/I2C 总线。正是它实现了对内存的SPD数据的读取。 2，BIOS的物理载体EC。 3，PCI设备，包括网卡，MINI-PCI，PCMCIA的物理连接。 4，时钟信号以及理论上的笔记本超频实现方法。 5，CPU的核心电压控制，频率控制等。 6，CPU的热保护系统，具体分析其各个状态下的工作情况。 7，电源部分的冲放电分析，这部分会比较简单。 8，超详细的整机逻辑开机/待机/关机过程，我相信这部分内容你到任何一个网站都不可能看到哦。 相信各位读者对这些也会比较有兴趣，如果有需要知道其他方面的，可以在下面的评论中写出来，如果我也懂的话会加到下篇中去，如果我也不懂，那就没办法了。最后，下篇的推出时间会是在下周一，敬请期待！