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发表于 2005-3-4 01:43 | 只看该作者

权威揭密笔记本硬件结构终极教程·上

权威揭密笔记本硬件结构终极教程·上
发布日期：2005年1月24日作者：ericman 编辑：suosuo

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第1页：作者序：您真的是笔记本电脑高手吗？
所所开篇：各位早上好，都打起精神来，按惯例我们又给大家带爆料来了。经过上几期的笔记本低价猫腻、Nvdia MXM技术、揭密笔记本散热误区等三篇“权威揭密”系列文章后，接下来该为大家带来什么呢？
从本周开始，我们将带领大家全面认知笔记本的硬件架构设计，由于篇幅十分浩瀚，为了不让大家感到恐惧，我们将整个文章分为上、中、下三篇分别发出，每篇均有自己的主题，独立成章。相信当你看完所有篇幅后，你一定可以成为真正的笔记本发烧友了。
从2004年跨入2005年，笔记本的信息可谓一落千丈，笔记本电脑也不再是身份地位的象征，它更是一个工具，帮助我们从纷繁的事务中解脱出来。

自己升级CPU？太easy了～都不好意思说出来
也正因为笔记本信息的滑落，我们身边多了很多笔记本的高手。他们对其硬件技术兴趣近乎痴迷，他们升级所有能升级的硬件，从MMC2接口的PII升级到PIII已经不再是新闻，而自己扩展USB口也不是什么新鲜事，至于为无网卡的机器打造内建网卡，为无蓝牙的机器打造内建的蓝牙也一直在论坛上看到，还有为IBM ThinkPad 600X制作内建的MINI-PCI无线网卡，用的天线居然是原来Modem的线……
笔者不否认这些强人的动手能力和他们的创意，甚至他们对硬件的了解程度超越了在开发第一线的RD工程师。但尽管如此，我相信他们对笔记本的整体架构，内部总线的了解还有欠缺。
比如，我们都知道如何CPU会自动降频以减低自身功耗，但你是否知道他们具体物理动作？
又如，我们常说的BIOS，我相信高手对BIOS的设定几乎可以闭着眼睛来，但你是否能回答这BIOS究竟是谁在运行？毕竟，软件是要靠硬件来运行的吧？！
再如，或许某些DIYER对台式机的开机过程了如指掌，听报警声就知道机器挂在哪里，但你是否清楚笔记本电脑的开机过程？是否也能仅仅凭报警声就能明白？
还有，大家都晓得CPU过热会引起保护性关机。那你是否知道这个过热保护系统是如何工作的呢？那AC97呢？笔记本中的MODEM都独立出来了，他们到底是怎么工作的？如果你是IBM的Fans，你肯定知道BMDC吧？那BMDC到底是如何实现的呢？

拆拆装装，简直就是家常便饭
实际上，随着对很多简单问题的深入，我们会发现其实这些问题并不简单。虽然对于业余的DIYER，他们不知道这些已经无关紧要，他们仍然已经是很“高手”的了。但我相信，一个真正的DIYER对技术的渴望会超乎想像，又有什么能够阻止他们向更高的技术领域进军呢？
或许，也有读者说，我只要用好我的电脑就好，他怎么运作关我什么事？！那么在此我将很遗憾的对你说，您真的并不适合看本文。

偶尔还会拿个台式机P4 CPU代替迅驰CPU搞怪一下，当然是开不了机的
撰写本文，其实是希望那些DIYER 能对笔记本电脑有一个系统的了解。在本文中，您会看到我对以上的问题做详尽的解释，相信在你读完本文之后，对笔记本的整个体系有了完整的概念。而对于真正的那么些DIY高手来说，或许有些知识您已了然于胸，但对于一些你知其然，而不知其所以然的问题，或许你能在读完本文后能找到答案。
另外作为比较，本文也会以最新的Sonoma平台和Centrino平台做一些比较。好吧，闲话少说，我们正式开始吧！
第2页：从架构开始学习让我们认识更多
当前笔记本虽然是品牌众多，且外观、功能各有千秋，但究其原理还是一样，都是基于IBM PC/AT的老架构（当然Apple的除外）。这里值得注意的是，虽然台式机和笔记本外形差别很大，但其基本的架构和原理都是一样的，都是兼容IBM PC/AT架构的。

那么我们先来说说笔记本电脑的主要框架。

一台很方便拆卸的华硕M5N作为客串嘉宾
系统的主要构成主要分为如下几个部分：North Bridge（北桥），South Bridge（南桥），显示卡，EC（嵌入式控制器），这几个部分一般都是集成到主板上的，配合CPU，内存就可以开机进入BIOS。以上的部分是必须的，因为这属于PC/AT架构的基本构成。其他诸如硬盘，Wireless Card（无线网卡），Card Bus（PCMCIA控制器）等等都是次要的，并不影响整机的工作，或者说，不影响机器的开机。

Intel Centrino架构
为了方便讨论并具有一定的代表性，我们取当前比较流行的Centrino架构来说明。上图便是标准的Centrino平台，按照这个平台搭建的笔记本，可以打上Intel Centrino漂亮的蝴蝶标志。而如果在Pentium+ 855GM/PM/GME+ ICH4+ Intel PRO Wireless的搭配中有一项不符合，就不能用Centrino的标志，就不能使用INTEL的免费广告咯，呵呵~~这也是Intel聪明的经商策略：）
第3页：笔记本硬件结构各部分功能简介
为了照顾一下入门级的朋友，我们首先非常简单的介绍一下系统各个功能块的作用。CPU嘛，笔者就不多说了，我相信大家都清楚哦~（什么，你不知道CPU？！我$#!@%^&!）
北桥的功能主要是连接CPU和内存，如果是独立显卡的话，会提供与显卡的AGP接口，并用HUB-LINK与南桥通信。北桥常被成为MCH或者GMCH，也就是Memory Control Hub或者Graphic Memory Control Hub的意思。

用三星X30作为案例，点击上面图片可以获得更多解释
南桥的功能主要是连接一些外围设备，比如PCI界面的网卡，PC卡控制器等等，另外诸如USB接口、IDE接口也是由南桥来提供的，南桥提供LPC总线与EC通信。南桥也常被称为ICH，其意思是I/O Control Hub的意思。
至于INTEL为什么用Hub-Link这个词，我想是因为南北桥都是两个HUB（Memory Control Hub和I/O Control Hub）的原因吧。
EC（Embed Controller，嵌入式控制器）虽然和我们常说的BIOS有点像，不过其实EC是BIOS的物理控制器和载体，它通过LPC与南桥通信。
如果看不懂本页，请参考这张图，我相信很容易就明白了。文中的我们提到了各种接口，比如FSB，AGP，LPC I/F等等，这些接口我们会在下面具体的谈。
第4页：正确认知CPU前端总线信号抗干扰是头等大事
从这里开始是本文的重点，将详细介绍各部分的连接和规范。
系统中最高速、最复杂的连接莫过于CPU和北桥的连接，我们称之为FSB(Front Side Bus，前端总线)或者HOSTBUS。

Dothan CPU
FSB有64位的数据线和32位的地址线。正是通过FSB，CPU和北桥才能完成通信。
虽然实际上CPU与北桥的连接都是点到点的，但由于其高速性，在实际的布线中还是需要非常非常小心。而EMI/EMC工程师在这方面也将是不遗余力的帮助硬件工程师解决问题（解决不好就不能通过有关方面的认证，也就是不能卖啦！）。
那么什么是EMI/EMC呢？具体的含义是EMI（Electro Magnetic Interference，电磁干扰），EMC（Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性）。
所以我们可以这样认为：FSB对其他信号的干扰非常严重（EMI很严重），而且其本身也比较容易受到干扰（EMC很弱）。很明显，如果FSB被干扰并出现误判，机器是必死无疑的。
在考虑了EMI/EMC的影响后，在实际的布线中，通常将这部分线路放在内层（一般笔记本电脑主板都有6~8层，6层在Centrino平台勉强可以，到了Sonoma平台就几乎不可能了），以防止高速信号对其他信号造成的串绕。所以一般情况下，我们在主板上是看不到FSB的。
下面的图片是INTEL的设计指南里的建议，我们看一下。

FSB总线
图中，DATA是FSB的64位数据线，ADDRESS则是32位的地址线。左上脚的L3代表的是第三层PCB。由于在同一层中不可能把数据线和地址线全部走完，所以其实第三层仅仅走了一部分的FSB，余下的在第六层中。

FSB总线
同样，L6代表的是第六层的PCB。
第5页：头疼的布线让你深入芯片内部！
由于FSB是绝对的高速信号，所以在布线的时候，我们需要考虑到信号线长度的一致性。
比如，INTEL要求每一根的FSB的长度需要一致，所以，在PCB步线的时候，就免不了要走“Z”字型的线路来满足长度的一致性。在这里，我想大家可能没想到一点，那就是关于芯片内部走线的长度的考虑（也就是说，为了满足长度的一致性，我们必须要考虑到CPU内部的线路长度），然后加上外部走线（即在PCB上的走线）的长度，才是整个一个信号线的长度哦！当然这个长度是由INTEL提供给各个OEM/ODM厂商的。
下图是DDR那边的走线示意图，其中MCH Pkg Route就代表着北桥芯片内部的走线长度。

布线其实需要考虑的比你想像的更多
接下来，我们来放大一下前面的图，看一下所谓的“Z”字型走线。

“Z”字型的走线是为了满足信号线长度的一致性
图中方框内的线路都是“Z”字型的走线。由于这些线路都是在PCB的内层，一般来说我们是看不到的。不过基于同样的原理，在一些其他地方的设计上，也要考虑走线的长度，比如显卡，显存，北桥到DDR的走线等。

显卡和显存颗粒的布线
上图是某笔记本显卡和显存部分的走线，我们看到，也是大量采用了“Z”字型的走线方法，其原因就如上文所说。下面是北桥到DDR的走线，道理是一样的。

北桥到DDR的走线
在FBS总线上有个小知识，对与FSB来说，虽然地址线应该有32根，也就是ADD[0…31]，但实际上地址线只用到了ADD[3…31]，而不是ADD[0…31]，为什么呢？其实很简单，因为现在的CPU读取数据都是8位连读的，所以CPU只需要知道一个数据的首地址，其后的7个bit就会自动被读取。所以不需要ADD[0…2]这三位。如果对这点感到难以理解的读者，建议去看一下《微型机计算机原理与应用》，我想你很容易会找到答案。
第6页：想了解CPU为何自动降频？不知道VID怎么行！
从移动版的PIII开始，INTEL的CPU就多了一个输出VID的功能。其作用是实现CPU都具有自动降频的，在必要时，甚至会进入深睡眠、关闭内部时钟等情况。其具体流程是：CPU根据自身的状态输出VID到电源IC，电源IC接到VID后解码，并输出一个跟VID对应的CPU工作电压。而对于CPU的各种状态及其切换过程，我们会在《下篇》具体讨论到。

INTEL CPU的VID列表
我们看到，CPU的工作电压可以一直从1.708V一直降到其最低的0.700V。在系统最先开机的时候，也就是在电源IC未接到VID的时候，其输出是其最低电压，即0.7V。
下图是IBM配合迅驰技术使用的电源管理软件。我们看到CPU的速度有高/自适应/慢/很慢四档可以调节。实际上，如果有必要，可以做成更多的调节，就像上面的那张VID表一样。

迅驰CPU的各种工作状态
这里要说的是，INTEL对于其VID的一致性做的比较好，其各种CPU一般都支持相同的VID—电压对应表；而对于AMD就不大一样，一般它的不同的CPU都会有不相同的VID表与之对应。这在研发上也增加了一点点的小麻烦。：）
第7页：北桥：DDR内存的走线密如蛛丝
北桥是信息的中转站。根据上文所说的功能，它有4个接口，分别是FSB ，DDR，AGP以及HUB-LINK。

北桥近照
FSB是和CPU的接口，参见上文，这里不再多说。
DDR是对内存的接口，现在的855GM/PM支持到266MHZ，这部分线路和FSB那边的连接将影响到主板的格局，因为他们都是高速的，大量的信号线的集合。在布线的时候最先考虑的就是它们。
如图是Intel建议的布线图，这里仅仅是DDR的信号线，并不包括地址线。

北桥到DDR的信号线
地址线则在另外一层，如下图：

北桥到DDR的地址线
我们看到，这与数据线并不在同一层。而图中我们看到的Series Dampening resistors和Parallel Termination on both layers则是在DDR RAM那边特有的。其意思分别是串行衰减电阻和终端并行电阻。
第8页：衰减电阻和终端电阻之惑
我们先来解释一下串行衰减电阻和终端并行电阻。前者的意思是从北桥出发的每一根数据线，必须与一个电阻串联再到达DDR RAM部分。而后者的意思则是，在数据线到达DIMM1和DIMM2后，必须有一个在串联一个电阻后上拉到1.25V，也就是下图中的VTT。
具体的示意图：

衰减电阻和终端电阻的示意图
其中的RS就是所谓的串行衰减电阻（Resister Serial），而RT则是终端电阻（Resister Termination），而SO_DIMM0 PAD则是指DIMM的PIN脚。至于什么是DIMM？Dual In line Memory Module，字面翻译就是双列内存模块。
那为什么需要终端电阻呢？在进入DDR时代，DDR内存对工作环境提出更高的要求，如果先前发出的信号不能被电路终端完全吸收掉而在电路上形成反射现象，就会对后面信号的影响从而造成运算出错。因此目前支持DDR主板都是通过采用终结电阻来解决这个问题。
由于每根数据线至少需要一个终结电阻，这意味着每块DDR主板需要大量的终结电阻，这也无形中增加了主板的生产成本,而且由于不同的内存模组对终结电阻的要求不可能完全一样，也造成了所谓的“内存兼容性问题”。这点在DDR II上得到了比较完美的解决，我们在下面具体谈。

衰减电阻和终端电阻的实物图
上图中，蓝色框是北桥，红色框内是衰减电阻，而黄色框内则是终端电阻（看到框框边上一大块绿色的铜皮了吗？这是VTT 1.25V哦！）。我们看到，其走线的顺序也是跟上面示意图一致（从北桥经过衰减电阻到DIMM的PIN脚，然后接终端电阻到VTT）。
第9页：北桥：DDR单/双通道区别到底在哪里？
而DDR SDRAM的接法有双通道和单通道之分。
相对于传统的单通道而言，双通道DDR 技术是一种新的内存控制技术，它和双通道RDRAM 技术非常相类似，是在现有的DDR 内存技术上，通过扩展内存子系统位宽使得内存子系统的带宽在频率不变的情况提高了一倍：即通过两个64bit 内存控制器来获得128bit 内存总线所达到的带宽。双通道体系包含了两个独立的、具备互补性的智能内存控制器，两个内存控制器都能够在彼此间零等待时间的情况下同时运作。当控制器B准备进行下一次存取内存的时候，控制器A就在读/写主内存，反之亦然，这样的内存控制模式可以让等待时间缩减50%。
双通道技术显然需要北桥的支持，INTEL的855芯片组并不支持双通道DDR I，比较搞笑的是在CENTRIO平台的时候，VIA的一些芯片组能支持双通道内存技术而INTEL不能，呵呵。
下图是单通道DDR-I内存的示意图，左边的信号来自北桥。如果是双通道的话要加上另一组DDR与北桥的接口。双通道对于单通道来说能显著加快内存数据和CPU的交换速度，但是出于PCB布线的考虑，双通道明显增加了线的数目，增大了布线的难度，并由此产生的成本问题对企业来说更为敏感。

单通道DDR RAM的物理连接
这里也有RS和RTT，其意义和上文所说的串行衰减电阻和终端并行电阻一致。
第10页：转换思路问题迎刃而解 DDR II的新创意
在最新的DDR II上，主板设计上已经取消了部分信号的衰减电阻和终端电阻，而将其集成于内存上。
我们称这DDR II的新特性为ODT功能，即On Die Terminator（内建终端电阻器）。当在DRAM模块工作时把终结电阻器关掉，而对于不工作的DRAM模块则进行终结操作，起到减少信号反射的作用（注：ODT的开启与禁止由北桥芯片控制，ODT所终结的信号包括DQS、RDQS、DQ等等，可参考单通道DDR-I内存的示意图）。
这样可以产生更干净的信号品质，从而产生更高的内存时钟频率速度。而将终端电阻设计在内存芯片之上还可以简化了主板的设计，降低了主板的成本，而且终端电阻可以和内存颗粒的"特性"相符，从而减少内存与主板的兼容问题的出现。

已经砍掉部分终端电阻的DDR II的主板
如图，DDR II的插槽边上已经没有了终端电阻，这样在设计上将更为简便，布局也会更加合理。
第11页：本文小结与中篇预告
由于篇幅关系，本文的上篇就先写到这里。在这里我们首先讨论了当前笔记本的基本架构以及在FSB和DDR走线方面的一些设计技巧，另外还有一些技术性比较强的知识，比如衰减电阻，终端电阻等等。
我相信很多朋友都意犹未尽，让我们在中篇中继续我们的话题。在中篇中，我们会谈到一些问题，比如：
1，当前笔记本的显示单元，以及MXM技术
2，HUB-LINK技术
3，IDE接口，并比较详细的讨论SATA和PATA的区别和性能情况
4，PCI总线和最新的PCI-E总线的区别
5，AC97规范，在这里我们会谈到AC97上的声卡，MODEM，BMDC（如果你是IBM的FANS，我相信你一定知道这是什么东西哦！）的实现，这个非常有趣。
6，USB口的实现，将涉及到其硬件部分的设计。这也许对DIYER有比较大的帮助。
所所结束语：好啦，今天的教学课就上到这里，打铃了，同学们都可以去吃饭了，一定要记好笔记哦。有不明白的问题可以在文章后面的读者评论中提出，老师会随时答疑的。

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发表于 2005-3-5 20:01 | 只看该作者