细说主板

细说主板

编译/Migi

本文将就主板结构进行细致考查，而对于主板上的ISA/PCI/AGP插槽、SIMM/DIMM内存插槽和处理器插槽（座）等显而易见的东西，则不打算详述。让我们将眼光投向主板上其他组件的电子器件，探讨一下主板的总体质量以及稳定性问题。

一、印制电路板(PCB) 0

PCB是所有组件赖以“生存”的基础。它实际是由几层树脂材料粘合在一起的，内部采用铜箔走线，名为“迹线”。一块典型的PCB共有四层，最上和最下的两层叫做“信号层”。中间两层则叫做“接地层”和“电源层”（见图1）。将接地和电源层放在中间，这样便可更容易地对信号线作出修正。

当需要安装双处理器，或者处理器引脚数量超过425根时，就要求主板达到六层。这是由于信号线必须相距足够远的距离，以防止“相互干扰”。六层板可能有三个或四个信号层、一个接地层、以及一个或两个电源层，以提供足够的电力供应为使系统正常工作，信号迹线的布局与长度是至关重要的因素。它的设计宗旨是尽量避免由于其它迹线的干扰，造成信号失真。一条迹线过长，或者信号频率过高，相互干扰的可能性便会大增，所以要求在相邻的两条迹线之间，留出足够大的间距。有些迹线必须限制它的最大长度，以确保信号的“完整性”，比如同处理器连接的那些迹线

。与同一个设备连接的迹线在长度上都必须接近(但不是所有的设备与迹线都有此要求)；或者说，长度的区别必须在一个容许的公差范围之内。

即便主板全部采用最高品质的电子元件制造，仍有可能不稳定，这正是由于迹线布局有误，使信号不易保持完整性。要想知道信号是否完整，普通的视波器没有任何帮助，只有使用一些更专业的设备对其进行测量。对超频者来说，这一点尤其重要。因为超频后，往往要求主板在标称的规格之外运行。若布局不佳，可靠性及稳定性便会大打折扣。

二、电压调节器

同主板连接的不同组件需要不同的电压。最常用的包括5V（BIOS芯片、实时钟芯片、键盘控制器等）和3V（二级缓存、芯片组、SDRAM芯片等）。而处理器要求的电压可以高达3.5V，也可以低于2V以下。电压调节器主要不是用来防止电压骤升，而是用来得到所期望的稳定电压。

主机电源直接向主板提供5V的电压所以只有部分设备，才需要更改这个电压。电压调节有两个办法，要么使用名为VRM的一种插入模块，要么使用一个电压调节电路（焊接到PCB上的一个集成电路）。如果是老式的奔腾处理器，通常都要用到两个电压调节器——一个用于提供I/O电压（3.3V），另一个用于提供处理器内核电压。

由于主板需要支持不同类型的处理器，所以必须支持一定范围内的电压输出。在老主板上，这可以通过跳线实现。通过不同的跳线组合，使电压调节器输出所期望的在允许范围内的电压。新主板则大多能自动侦测电压，不再需要用跳线来调节，在一定程度上保证了安全。

许多老用户可能对“双电压CPU”记忆犹新，因为它们的内核电压和I/O电压是不同的。而一些更老的CPU，比如老奔腾和一些比较新的IDT CPU，只要求3.3V或3.5V的电压，它们称作“单电压CPU”。

三、电容

电容其实是保证主板质量的关键环节。可惜的是，许多主板评测文章都没有提到这一点；最多也只提到电容的数量，以及使用的是钽电容，还是铝电容。

电容主要用于保证电压和电流的稳定。处理器的耗电量处于极不稳定的状态，可能突然增大，也可能突然减少，特别是在执行了一条HALT（待机）指令，或者恢复至正常工作状态的时候。而对电压调节器来说，无论如何都不可能立即对这些变化作出响应。这就好像一座拦江的水坝，尽管它能控制水流的速度，但仅凭它自身的力量是无法保证江水一直稳定流动的。所以，需要与水库配合，通过放水或蓄水，来稳定水的流速。

铝电容的缺点在于，随着使用年限的增加，它会快速呈“干涸”趋势，最终失去电容能力。此外，这种电容的准确度不高，易受高温的影响。而钽电容有效地解决了这些问题。

挑选电容时，另一个重要的因素是ESR（Equivalent Series Resistance，等效串联电阻）值。通常，需要将几个电容并行联置，以便有效地保护电路，并保持一个较低的电阻值。电阻越大，消耗的电压越高，发热就越厉害(发热不是主要的，CPU所要求的瞬间大电流才是最重要的。)，所以ESR值越低越好。设计电容时，各个电容的排列位置和ESR值是两项非常重要的因素，甚至比制造材料还来得重要。

四、时钟生成器

任何计算机设备都是以时钟的“滴答”为基本步调工作的。但是，并非每个设备都在“监听”相同的时钟。ISA、PCI、AGP、USB和系统总线分别以不同的速度运行，所以都要求专门的时钟信号。处理器也要求一个专门的时钟信号，同步内存芯片（比如用于L2缓存的SRAM和用于主内存的SDRAM）也要求自己的时钟。时钟生成器可以提供所有这些时钟信号。

每种主板芯片组都具备一定的“计时”能力，但却并不提供实际的时钟信号。时钟生成器芯片便是为具体的主板芯片组设计的，用于决定可选的系统时钟范围，以及相关的PCI总线速度。AGP总线的工作速度则不一定要由时钟生成器来决定，440BX芯片组便是这样的一个例子。ISA和USB时钟是固定的，要由时钟芯片来决定。

主板厂商会根据选用的是什么芯片组，配备多少个PCI/SDRAM插槽，以及要支持多大范围内的系统总线速度，以此来决定时钟生成器芯片的设计。即使芯片组本身允许不同的PCI分频（1/4，1/2等），时钟生成器芯片也有可能不允许，而且主板厂商也不会采用这种时钟生成器芯片。许多人都奇怪系统和PCI总线速度在不同的主板上为何有不同的实现方法，答案便在于时钟生成器芯片的能力有别。

五、BIOS和RTC

计算机要想运行一种操作系统，必须使用一个“引导”或“自举”程序。这个程序从一个已知的内存位置载入，并提供访问关键设备的一些信息，以完成操作系统的载入。例如，这个程序必须载入软驱和硬盘的设备信息，以及基本的显示信息。这样一来，等接力棒交到操作系统手中时，才有足够的前提完成后续的装载。

在PC上，这些引导信息保存在一片快闪内存(Flash Merory)芯片中，名为BIOS（基本输入/输出系统），可保存256KB～4MB的数据，在主板出厂时预先录好。以后想升级这些信息，便必须使用专门的程序，用新数据覆盖老数据，我们称之为“BIOS升级”，或者BIOS的“烧录”。

PC加电后，首先经历的一个名为“加电自检”（POST）的过程，它可识别出安装了什么处理器、多大内存以及BIOS上定义的各个设备是否都能正常工作。完成后，引导程序会在每个可引导设备的特定位置寻找一系列特定的指令。满足条件的第一套指令会载入内存，并加以执行。如一切通过，这些指令便会完成引导过程，并开始装载操作系统。

要想使BIOS知道自己需要支持哪些设备，必须提供一片特殊的CMOS集成电路，其中包含了由用户指定的参数，在识别出处理器之后读入。这个电路实际是集成到“实时钟”（RTC）芯片内的，后者负责对具体的日期和时间进行跟踪。要想显示出CMOS中的参数，可在加电自检过程中进入一个特殊的菜单。通常按DEL键，便可唤出这个菜单，然后人工修改或输入。作出的改动必须保存下来，以便下次启动时生效。

倘若设备设置有误，便可能无法装载操作系统，或者在进入操作系统后，无法访问设备。RTC和CMOS只有在有供电的前提下，才能维持由用户定义的参数。这个电力是由主板上的一个小电池提供的。如电池失效，或断开，CMOS中的数据便会丢失，必须在下次引导的时候重新输入。

六、其他组件

芯片组集成的控制器越来越多。不知大家是否还记得，早期的IDE和软盘控制器是各自独立的。但今天的新芯片组已包括了大多数必要的控制器，以支持常用的一系列设备，比如键盘、PS/2鼠标和USB设备等等。

当然，这样做会增加芯片组的成本，所以除非极其常用的东西，否则仍然需要独立出去,如SCSI控制器等。

假如主板厂家想支持一种芯片组本身不支持的设备，便必须增加一个独立的控制器芯片。例如，有些厂家试图提早提供对UDMA/66硬盘的支持，所以在板上集成了一个单独的IDE控制器。这样一来，便可多支持四个通道和八个设备。比如升技的BE6-Ⅱ。

七、主板制造规格

现在的主板大多采用ATX规格。这是1995年由Intel颁布的一项标准，取代流行了许久、但缺点甚多的AT结构。ATX的新增特性包括：

●集成I/O连接器——ATX要求将I/O端口集成到主板上，不再从上面“引出”，从而减轻了安装的难度，也提高了可靠性；

●集成PS/2鼠标接口；

●驱动器不易挡住主板——ATX主板看起来就像AT主板旋转了90度，所以将整个板子都展现出来了，操作更方便；

●处理器不再和扩展卡的安装发生冲突——处理器从主板靠近扩展槽的前方位置移到主板的后上部，接近电源。这样一来，用户可以轻松地安装一张全长的扩展卡，不必担心会碰到CPU；

●电源进行了重大改进——主板集成一个20针电源插座，而AT主板是两个插座靠在一起；

●散热更佳；

●3.3V供电——大部分主板不采用ATX电源提供的3.3V电压，而通过电压调节器提供，因为市面上许多ATX电源提供的3.3V不符合规格的要求。

八、芯片组

主板上最重要的组件恐怕就是芯片组。前面说过，芯片组决定了能够支持哪些处理器、可使用什么内存以及主板具有的其它大量功能。

直到最近，Intel仍是芯片组市场的龙头老大，但威盛（VIA）、矽统（SiS）和扬智（ALi）的芯片组出货量也在逐渐增加，终于形成了对Intel的真正威胁。1999年初，Intel授权这些厂家开发Slot 1芯片组，为厂家和用户提供了更多的选择。有关主板芯片组的其它知识，请参阅本刊2000年第5期的相关文章。

附录：与芯片组有关的术语

AGP(加速图形端口)：一种额定工作频率66MHz的图形总线，将显卡直接与内存连接，获得更快的数据传输速度。

USB(统一串行总线)：以12Mbps的速度，连接USB设备；USB 2.0更高达480Mbps。

SMP(对称多处理)：支持多个CPU协同工作，加快多线程应用的速度。

PCI 2.1：最流行的PCI规范；新版PCI 2.2更具有热插拔等新特性。