元件和主板架構(gòu)

1常用電子元器件介紹封裝電子元器件和主板架構(gòu)介紹總線結(jié)構(gòu)CPU芯片組BIOS傳統(tǒng)I/O接口音頻與網(wǎng)絡(luò)概述電阻電容電感二極管三極管MOSFET晶體振蕩器21.

常見電子

元件簡介概述電子元件是一個(gè)最基本的電子部分，它通常以離散的形式封裝，并引出兩個(gè)或多個(gè)引腳，通過焊接在PCB板上，來實(shí)現(xiàn)電氣連接，從而實(shí)現(xiàn)特殊的電路功能。3各種不同的元件電阻4普通電阻排阻電阻(Resistor)是一個(gè)雙極電子元件，它兩端會產(chǎn)生一個(gè)與電流成正比的電壓降從而用來阻礙電流。主板上最常用的是普通電阻和排阻。電解電容貼片電容電容(Capacitor)是個(gè)由兩個(gè)導(dǎo)體和介于兩導(dǎo)體之間的絕緣層組成的電子元件。當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體上加有電壓時(shí)，絕緣層會產(chǎn)生一個(gè)電場。這個(gè)電場能用來儲存能量和發(fā)生信號震蕩。電容5線圈(Choke)鐵氧體磁珠(Bead)電感6電感(Inductor)是一種特殊的電子元件，當(dāng)有電流流過的時(shí)候，電感上會產(chǎn)生磁場，該磁場可以儲存能量。二極管二極管是一種雙極的器件，因其單向?qū)щ娞匦远粡V泛使用。7肖特基二極管兩個(gè)二極管集成在一起發(fā)光二極管三極管常用的三極管，又稱雙極結(jié)型晶體管(BipolarJunctionTransistor)，它是一種很重要的電子元件。三極管有作為開關(guān)和放大信號兩個(gè)基本作用。8MOSFETMOSFET全稱是Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管），它也是一個(gè)可以作為開關(guān)或放大信號的重要器件。。9晶體振蕩器(CrystalOscillator)是一個(gè)能夠產(chǎn)生精確頻率電子信號的電路，它利用石英的壓電效應(yīng)從而產(chǎn)生機(jī)械共振。晶體振蕩器102.

封裝概述TOSOTSIPDIPSOPLCC11QFPQFNPGALGABGACSPMCM概述封裝，就是指把硅片上的電路管腳，用導(dǎo)線接引到外部接頭處，以便與其它器件連接。封裝形式是指安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼。它不僅起著安裝、固定、密封、保護(hù)芯片及增強(qiáng)電熱性能等方面的作用，而且還通過芯片上的接點(diǎn)用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印刷電路板上的導(dǎo)線與其他器件相連接，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部芯片與外部電路的連接。因?yàn)樾酒仨毰c外界隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。另一方面，封裝后的芯片也更便于安裝和運(yùn)輸。由于封裝技術(shù)的好壞還直接影響到芯片自身性能的發(fā)揮和與之連接的PCB(印制電路板)的設(shè)計(jì)和制造，因此它是至關(guān)重要的。

12TOTO（TransistorOutline）是晶體管外形封裝，主要用在高可靠性的為電路應(yīng)用中。單邊設(shè)計(jì)易于電路安裝、檢查、測試。其外觀包裝以罐裝為主。13TO-247TO-220SuperTO-220/247TO-252/D-PAKTO-263/D2PAKSOT

SOT（SmallOutlineTransistor）是小外形晶體管封裝。此封裝形式的特點(diǎn)是引腳全部在兩邊，而且引腳的數(shù)量不算多。它的封裝形式比較多，根據(jù)它的尺寸可以分為幾種封裝，諸如SOT113,SOT223,SOT323,SOT23,SOT26,SOT25,SOT89等等。14SOT23SOT23SOT323SOT89SIP

SIP（

SingleIn-linePackage，單列直插式封裝），將多種功能芯片，包括處理器、存儲器等功能芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本完整的功能。其并不如雙列直插式封裝來的普遍，主要是用在RAM芯片的封裝和擁有普通pin的多重電阻器。15DIP

DIP（DualIn-linePackage），也叫雙列直插式封裝，是一種最簡單的封裝方式。指采用雙列直插形式封裝的集成電路芯片，絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路均采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般不超過100。DIP封裝的CPU芯片有兩排引腳，需要插入到具有DIP結(jié)構(gòu)的芯片插座上。DIP封裝的芯片在從芯片插座上插拔時(shí)應(yīng)特別小心，以免損壞管腳。16SOPSOP（SmallOutlinePackage，小外形封裝）也是一種很常見的元件封裝形式，始于70年代末期。SOP封裝的應(yīng)用范圍很廣，而且以后逐漸派生出SOJ（J型引腳小外形封裝）、TSOP（薄小外形封裝）、VSOP（甚小外形封裝）、SSOP（縮小型SOP）、TSSOP（薄的縮小型SOP）及SOT（小外形晶體管）、SOIC（小外形集成電路）等在集成電路中都起到了舉足輕重的作用。像主板的頻率發(fā)生器就是采用的SOP封裝。17比較18ItemSIPDIPSOPPin腳較少較多較多封裝針腳針腳SMT外形單邊雙邊雙邊組裝不方便不方便方便電路走線不方便不方便方便性能低低高成本高高低LCC

LCC（LeadedChipCarrier）是一種pin腳延伸出芯片表面的芯片封裝技術(shù)。通常有兩種類型的LCC封裝：PLCC和CLCC。PLCC（PlasticLeadedChipCarrier）為帶引線的塑料芯片載體，它是貼片封裝的一種，這種封裝的引腳在芯片底部向內(nèi)彎曲，因此在芯片的俯視圖中是看不見芯片引腳的。PLCC封裝適合用SMT表面安裝技術(shù)在PCB上安裝布線,具有外形尺寸小、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。CLCC（CeramicLeadedChipCarrier）是帶引線的陶瓷芯片載體，表面貼裝型封裝之一，引腳從封裝的四個(gè)側(cè)面引出，呈丁字形。19PLCCCLCCQFPQFP（PlasticQuadFlatPackage）這種技術(shù)的中文含義叫方型扁平式封裝技術(shù)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的CPU芯片引腳之間距離很小，管腳很細(xì)，一般大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般都在100以上。QFP為四側(cè)引腳扁平封裝，是表面貼裝型封裝之一，引腳從四個(gè)側(cè)面引出呈海鷗翼(L)型?；挠刑沾?、金屬和塑料三種。20LQFPTQFPQFN

QFN

(QuadFlatNo-leads)是四側(cè)無引腳扁平封裝。表面貼裝型封裝之一?，F(xiàn)在多稱為LCC。QFN是日本電子機(jī)械工業(yè)會規(guī)定的名稱。封裝四側(cè)配置有電極觸點(diǎn)，由于無引腳，貼裝占有面積比QFP小，高度比QFP低。但是，當(dāng)印刷基板與封裝之間產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，在電極接觸處就不能得到緩解。因此電極觸點(diǎn)難于作到QFP的引腳那樣多，一般從14到100左右。

21QFN芯片錫PCBQFN芯片手焊比較22ItemLCCQFPQFNPin腳少非常多多封裝SMTSMTSMT外觀四邊，較厚四邊四邊，較薄組裝方便方便方便電路走線方便方便方便性能低高高成本低低高PGA(1)PGA（PinGridArray）技術(shù)也叫插針網(wǎng)格陣列封裝技術(shù)（CeramicPinGridArrauPackage），由這種技術(shù)封裝的芯片內(nèi)外有多個(gè)方陣形的插針，每個(gè)方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列，根據(jù)管腳數(shù)目的多少，可以圍成2～5圈。安裝時(shí)，將芯片插入專門的PGA插座。為了使得CPU能夠更方便的安裝和拆卸，從486芯片開始，出現(xiàn)了一種ZIFCPU插座，專門用來滿足PGA封裝的CPU在安裝和拆卸上的要求。該技術(shù)一般用于插拔操作比較頻繁的場合之下。

23ICandSubstratePinPGA(2)24PPGA塑膠針狀矩陣封裝CPGA陶瓷針型柵格陣列FC-PGA反轉(zhuǎn)芯片針腳柵格陣列mPGA微型PGA封裝LGALGA（LandGridArray），直譯過來就是柵格陣列封裝，與英特爾處理器之前的封裝技術(shù)Socket478相對應(yīng)，它也被稱為SocketT。它用金屬觸點(diǎn)式封裝取代了以往的針狀插腳。而LGA775，顧名思義，就是有775個(gè)觸點(diǎn)。因?yàn)閺尼樐_變成了觸點(diǎn)，所以采用LGA775接口的處理器在安裝方式上也與現(xiàn)在的產(chǎn)品不同，它并不能利用針腳固定接觸，而是需要一個(gè)安裝扣架固定，讓CPU可以正確地壓在Socket露出來的具有彈性的觸須上，其原理就像BGA封裝一樣，只不過BGA是用錫焊死，而LGA則是可以隨時(shí)解開扣架更換芯片。25IntelLGA775CPUIntelLGA1366CPUBGA(1)BGA(BallGridArray)－球狀引腳柵格陣列封裝技術(shù)，高密度表面裝配封裝技術(shù)。在封裝的底部，引腳都成球狀并排列成一個(gè)類似于格子的圖案，由此命名為BGA。目前的主板控制芯片組多采用此類封裝技術(shù)，材料多為陶瓷。BGA封裝器件具有如下特點(diǎn)：1)I/O數(shù)較多2)提高了貼裝成品率，潛在地降低了成本。3)BGA的陣列焊球與基板的接觸面大、短，有利于散熱。

26襯底錫球銅點(diǎn)PCB晶片復(fù)合模具BGA(2)27PBGA塑料焊球陣列封裝SBGA特殊焊球陣列封裝CBGA陶瓷焊球陣列封裝TinyBGA微形焊球陣列封裝CSPCSP（ChipScalePackage）就是芯片尺寸封裝，它是新一代的芯片封裝技術(shù)，是繼TSOP、BGA之后的又一種新的技術(shù)。CSP封裝的產(chǎn)品面積，大約是芯片面積的1.2倍或者更小。這樣的封裝形式大大提高了PCB上的集成度，減小了電子器件的體積和重量，提高了產(chǎn)品的性能。

28CSP(FBGA)GDDRMCMMCM(Multi-ChipModule)是多芯片組件。將多塊半導(dǎo)體裸芯片組裝在一塊布線基板上的一種封裝技術(shù)。CM是在混合集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)微電子技術(shù)，其與混合集成電路產(chǎn)品并沒有本質(zhì)的區(qū)別，只不過MCM具有更高的性能、更多的功能和更小的體積，可以說MCM屬于高級混合集成電路產(chǎn)品。29IBMPOWER5MCM一個(gè)陶瓷芯片上擁有4個(gè)處理器和4個(gè)36MBL3外部緩存錫球銅墊PCB模型組合Die1Die22層管芯MCM封裝芯片

3.

總線結(jié)構(gòu)概述Intel平臺

AMD平臺FSBDMIHTMemoryBusAGPPCIPCIExpressLPCSPISMBus30概述在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，總線(BUS)是一組用來在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)部件之間傳輸數(shù)據(jù)的線路?？偩€實(shí)質(zhì)上是連接系統(tǒng)不同部分的一個(gè)共享的高速公路——包括中央處理器(CPU)、磁盤驅(qū)動控制器、內(nèi)存和輸入輸出端口——并且使它們能夠通信。引入總線的目的是在一個(gè)通道上傳輸所有通信，從而減少各個(gè)部件之間通信所需要的的路徑，這就是有時(shí)候總線被比喻為“數(shù)據(jù)公路”的原因。31設(shè)備A設(shè)備F設(shè)備E設(shè)備D設(shè)備C設(shè)備B總線Intel平臺32NorthBridgeSouthBridgeMemoryAGPSlotPCIDMILPCMemoryBusAGPFSBLPCBIOSPCISlotIntelCPUIDESATALANAudioUSBSuperI/OKeyboard/MouseFloppySerialPortLPTPortPCIHDAudioAMD平臺33NorthBridgeMemoryMemoryBusHTPCI-EX16SlotPCI-EX16AMDCPULPCSPIHTSPIBIOSIDESATAUSBLANAudioPCI-EX1SlotPCIPCISlotSouthBridgePCI-EX1PCI-EX1HDAudioKeyboard/MouseFloppySerialPortLPTPortSuperI/OFSB(前端總線)前端總線FSB(FrontSideBus)是連接CPU和其他關(guān)鍵部件如北橋的通路。前端總線也被稱為數(shù)據(jù)總線、處理器端總線。前端總線速度可以達(dá)到66MHz、133MHz、100MHz、266MHz,400MHz甚至更高。前端總線速度一般可以通過BIOS或者主板上的跳線來設(shè)置。CPU主頻=前端總線頻率×倍頻34NorthBridgeFSBIntelCPUDMI(DirectMediaInterface)DMI(DirectMediaInterface)是Intel平臺主板上南北橋互聯(lián)的點(diǎn)對點(diǎn)的總線。它工作在100MHz，能提供了2GB/s的單向傳輸速率，發(fā)布于2004年，第一次用于ICH6。它是一個(gè)基于PCI-EX4v1.1的接口。自從2004年開始，所有芯片組(Intel平臺)都用這個(gè)版本的接口。35NorthBridgeSouthBridgeDMIHT(HyperTransport)HyperTransport技術(shù)，以前曾被稱作“閃電數(shù)據(jù)傳輸”(LightningDataTransport,LDT)，是一種高速、雙向、低延時(shí)、點(diǎn)對點(diǎn)的、串/并行的高帶寬連接，于2001年4月2日開始投入使用。這種技術(shù)被用在AMD平臺上連接CPU和橋。最新版本HT3.1支持2.8G/3.0/3.2GHz。如果它工作在32bit/3.2GHz的DDR模式下，最大傳輸速率可高達(dá)51.2GB/s。36AMDplatformMemoryBus內(nèi)存總線(MemoryBus)用來在CPU和主內(nèi)存即RAM之間傳輸信息。該總線一般常常連接到主板上的北橋芯片或或者直接連接到CPU。在Intel平臺上，內(nèi)存總線連接到北橋，但是在AMD平臺上，它直接連到CPU。37NorthBridgeMemoryMemoryBusFSBIntelCPUMemoryMemoryBusAMDCPUIntel平臺AMD平臺AGP38AGP介紹AGP(AcceleratedGraphicsPort，圖形加速端口)是主板上單獨(dú)為顯卡設(shè)計(jì)的。它通常比PCI插槽短并且深棕色。AGP默認(rèn)工作在66MHz/32bit，AGP1X工作在傳統(tǒng)模式而AGP2X采用“雙倍并發(fā)”解決方案，就是在時(shí)鐘上升沿和下降沿都傳輸數(shù)據(jù)從而有效的提高到雙倍吞吐量。AGP4X和AGP8X都增加了一些重要特性包括提高帶寬等。39AGP結(jié)構(gòu)40北橋AGP卡AGP總線AGP卡AGP插槽AGP插槽AGP用作圖形顯示

AGP歷史41版本時(shí)間類型位寬時(shí)鐘速度信號電壓接口AGP1.01996.71X32bit66MHz266MB/s3.3V3.3V接口2X32bit66MHz533MB/s3.3VAGP2.01998.51X32bit66MHz266MB/s3.3V/1.5V1.5V接口,通用接口2X32bit66MHz533MB/s3.3V/1.5V4X32bit66MHz1066MB/s1.5VAGP3.02000.84X32bit66MHz1066MB/s1.5V1.5V接口,通用接口8X32bit66MHz2133MB/s0.8VAGP規(guī)格電壓AGP1.0:3.3VAGP2.0:1.5V,3.3VAGP3.0:1.5V,0.8V數(shù)據(jù)寬度和頻率數(shù)據(jù)寬度=32bits

時(shí)鐘=66MHz

帶寬AGP1X:66.66MHz×4Byte=266MB/sAGP2X:66.66MHz×4Byte×2=533MB/sAGP4X:66.66MHz×4Byte×4=1066MB/sAGP8X:66.66MHz×4Byte×8=2132MB/s≈2.1GB/s42AGP插槽431.5VKey插槽適合顯卡B和顯卡C。通用插槽適合顯卡A，顯卡B和顯卡C。3.3VKey插槽適合顯卡A和顯卡B。顯卡A顯卡B顯卡CPCI44PCI介紹

PCI(PeripheralComponentInterconnection，外圍設(shè)備互聯(lián))是一個(gè)高性能的、32/64位、有多根地址數(shù)據(jù)線的總線。設(shè)計(jì)該總線用于高集成外圍控制部件，外部附加卡和處理器/內(nèi)存系統(tǒng)之間的互聯(lián)結(jié)構(gòu)。它實(shí)際上采用的是一種比串行模式慢的并行傳輸模式。

它是Intel公司上世紀(jì)90年代提出的作為主板上芯片互聯(lián)的一種標(biāo)準(zhǔn)方法。PCI第一次用在個(gè)人計(jì)算機(jī)上是1994年。隨著支持Intel奔騰處理器的芯片組和主板的出現(xiàn)，PCI逐漸取代了早期的總線架構(gòu)，如：EISA、VL和MicroChannel。45PCI插槽PCI架構(gòu)46PCI兼容卡PCI總線PCI插槽南橋PCI插槽很多PCI兼容卡如網(wǎng)卡、聲卡、電視卡等都可以插入PCI插槽來和主板通信。PCI歷史47版本時(shí)間特性PCI1.01992支持5V電壓，即插即用。PCI2.01993增加電源管理。PCI2.11994增加66MHz和3.3V電壓支持。PCI2.21998增加了準(zhǔn)系統(tǒng)的矮卡標(biāo)準(zhǔn)。PCI熱插拔1.0。PCI2.32002不支持5V-only適配卡。支持3.3V或通用的PCI兼容卡(5V&3.3V)。PCI3.02004移除5V電壓.僅支持3.3V適配卡。PCI規(guī)格電壓PCI1.0,2.0:

5VonlyPCI2.1,2.2,2.3:

5V,3.3VPCI3.0:3.3Vonly數(shù)據(jù)寬度和頻率數(shù)據(jù)寬度=32bitsPCI總線時(shí)鐘=33MHz事實(shí)上可以支持33/66MHz、32/64bit帶寬33MHz/32bit:33.33MHz×4Byte=133MB/s66MHz/64bit:66.66MHz×8Byte=533MB/s48PCI-E49PCI-E介紹PCIExpress(PeripheralComponentInterconnectExpress，外圍部件高速互聯(lián))，官方簡稱為PCIe，由Intel公司2004年提出，用來取代早期的PCI、PCI-X和AGP標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡標(biāo)準(zhǔn)。隨著對更快處理速度需求的提高和CPU過時(shí)的系統(tǒng)總線瓶頸的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)PCI-Express是用來重新平衡CPU速度和系統(tǒng)之間的速度。PCI-E可以分為X1、X4、X8、X16和X32。50X1X4X8X16X32PCI-E插槽PCI-E架構(gòu)51PCI-EX1常用于網(wǎng)卡、聲卡。PCI-EX4和X8常用于RAID等高速設(shè)備。PCI-EX16和X32常用于圖形卡。PCI-E特征PCIExpress是工作在全雙工模式下的串行總線。兩對用來傳輸數(shù)據(jù)的信號線稱為通道。每個(gè)通道允許最大的單向傳輸速率為250MB/s，幾乎是PCI總線的兩倍。PCIExpress總線可以綜合多條通道來達(dá)到更高的性能。我們可以看到PCIExpress一般有1、2、4、8、16和32個(gè)通道。例如PCIExpress8通道的傳輸速率為2GB/s(250×8)。52DeviceDeviceLaneLanePCI-E特征電壓12V,3V,3VSB數(shù)據(jù)寬度和頻率數(shù)據(jù)寬度=8bits

參考時(shí)鐘=100MHz帶寬53位寬時(shí)鐘帶寬(單向)帶寬(雙向)PCIEX18bits2.5GHz250MB/s500MB/sPCIEX48bits×42.5GHz1GB/s2GB/sPCIEX88bits×82.5GHz2GB/s4GB/sPCIEX168bits×162.5GHz4GB/s8GB/sPCIEX328bits×322.5GHz8GB/s16GB/s性能比較(1)54總線帶寬PCI133MB/sAGP8X2133MB/sPCIExpress1X250[500]MB/sPCIExpress2X500[1000]MB/sPCIExpress4X1000[2000]MB/sPCIExpress8X2000[4000]MB/sPCIExpress16X4000[8000]MB/sPCIExpress32X8000[16000]MB/sIDE(UltraDMA100)100MB/sIDE(UltraDMA133)133MB/sSerialATA1150MB/sSerialATA2300MB/sSerialATA3600MB/sIEEE1394a(Firewire400)50MB/sIEEE1394b(Firewire800)100MB/sUSB2.0(480Mbps)60MB/s性能比較(2)55LPC(LowPinCount)LPC(LowPinCount)是個(gè)人計(jì)算機(jī)上用來連接低速帶寬設(shè)備到C