IBM－PC及其兼容机主板电路分析_主板_电路

IBM－PC及其兼容机主板电路分析

2004/11/23 15:03:00

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。 Abstract: Trigger circuit, power supply circuit, clocking circuit and reset circuit are the main circuits on the main board. We learn the basic working principles and analyze the characteristics of the circuits, which enhanced our ability to realize and analyze the circuits of the main board. 关键词：主板电路架构触发供电时钟复位 Key words: main board circuit structure trigger power supply clock reset 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。