IBM－PC及其兼容機(jī)主板電路分析

摘要：觸發(fā)電路、供電電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路是主板上最主要的電路。通過學(xué)習(xí)和了解四大電路的基本工作原理，逐步分析其電路特性，提高對(duì)主板電路的認(rèn)識(shí)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. 關(guān)鍵詞：主板 電路 架構(gòu) 觸發(fā) 供電 時(shí)鐘 復(fù)位 Key words: main board circuit structure trigger power supply clock reset 隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC－Personal Computer）在各領(lǐng)域的普及，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)已被人們廣泛的認(rèn)識(shí)和了解。作為構(gòu)成計(jì)算機(jī)的重要部件——主板，更成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。主板是一臺(tái)PC的基石，是連接計(jì)算機(jī)各部件的橋梁，它的穩(wěn)定性往往決定了一臺(tái)整機(jī)的穩(wěn)定性。研究和分析主板電路是認(rèn)識(shí)和了解主板功能特性如何實(shí)現(xiàn)的重要途徑。 下面通過對(duì)主板的架構(gòu)、觸發(fā)電路、供電電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路來研究和分析主板電路。 主板架構(gòu)原理 了解主板架構(gòu)是掌握主板布局的重要方法，也是分析主板各部分單元電路的基礎(chǔ)。分析主板架構(gòu)的重要依據(jù)是主板所采用的芯片組，芯片組是主板的靈魂，是CPU與周邊設(shè)備聯(lián)系的橋梁，它決定了主板的速度、性能。早期芯片組由二至四枚芯片組成，現(xiàn)在基本上由兩枚芯片組成（一體化芯片主板除外），分別由北橋（South Bridge）和南橋（North Bridge）組成。目前主板芯片組的主要生產(chǎn)廠商有英特爾（Intel）、威盛（VIA）、矽統(tǒng)（SIS）、揚(yáng)智（ALI）等。下面分別以幾款較為典型的芯片組來分析主板的架構(gòu)。 Intel 440LX、440BX與VIA 693、693A系列芯片組主板架構(gòu) 圖1 此系列芯片組由北橋作為控制芯片，控制和管理高速傳輸設(shè)備，負(fù)責(zé)內(nèi)存、圖形加速接口（AGP）與CPU的通訊，同時(shí)控制位于北橋與南橋之間的PCI總線。由南橋作為系統(tǒng)輸入/輸出芯片，控制和管理低速設(shè)備，如IDE、USB、ISA等外部設(shè)備，并通過I/O芯片間接控制鍵盤、鼠標(biāo)、串口、并口等外部設(shè)備。 Intel 810系列芯片組主板架構(gòu) 圖2 Intel 810系列芯片組增加了圖形和內(nèi)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）三個(gè)部件。從圖1與圖2的比較可以看出， Intel 810系列芯片組主板在對(duì)PCI總線的控制上發(fā)生了變化，GMCH與ICH之間采用了加速中心總線（AHA）進(jìn)行通訊，其帶寬是PCI總線帶寬的兩倍，ISA總線在這里已不在使用。 Intel 845系列芯片組主板架構(gòu) 圖3 Intel 845系列芯片組，承襲了Intel 8xx系列芯片組的架構(gòu)，它由內(nèi)存控制單元（MCH－Intel Memory Controller Hub）以及I/O控制中心（ICH2－Intel I/O Controller Hub 2）組成。MCH和ICH2之間通過Hub Link總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由此芯片組架構(gòu)的硬件平臺(tái)搭配Intel Pentium4處理器可實(shí)現(xiàn)AGP4X、PC133 SDRAM/DDRAM、Ultra ATA/100 IDE、LAN、USB等功能。 主板觸發(fā)電路 主板觸發(fā)電路即開機(jī)電路，它的觸發(fā)方式與電源供應(yīng)器（簡稱電源）的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，有必要對(duì)電源的供電方式進(jìn)行了解。電源可分為AT和ATX兩種結(jié)構(gòu)，目前普遍采用的是ATX結(jié)構(gòu)電源。ATX結(jié)構(gòu)電源有20條引腳，引腳定義與顏色、電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖4： 圖4 其中，8引腳為PG（Power Good）信號(hào)。9引腳為待機(jī)供電。14引腳為PW-ON（Power-On）信號(hào)，14引腳與GND（Ground）短接后即可觸發(fā)電源工作，未觸發(fā)前9、14引腳輸出電壓均為+5V，其它引腳無輸出電壓。 根據(jù)電源的兩種結(jié)構(gòu)，主板觸發(fā)也采用兩種方式。AT結(jié)構(gòu)電源采用硬開機(jī)方式（觸發(fā)后PW-ON為常閉狀態(tài)），ATX結(jié)構(gòu)電源采用軟開機(jī)方式（觸發(fā)后PW-ON為常開狀態(tài)）。由于軟開機(jī)是目前絕大多數(shù)主板采用的觸發(fā)方式，因此我們主要針對(duì)這種觸發(fā)方式進(jìn)行分析。 觸發(fā)原理與目的分析： 通過PW-ON觸發(fā)主板開機(jī)電路，開機(jī)電路將觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行處理，最終發(fā)出低電位信號(hào)，將電源14引腳（綠）高電位拉低，觸發(fā)電源工作，使電源各引腳輸出相應(yīng)電壓，為其它設(shè)備提供正常供電。 盡管在主板各部分電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中元件及芯片的組合布局方式不完全相同，但是實(shí)現(xiàn)的原理與目的始終是一致的。因此，分析典型的電路原理是掌握主板各部分電路知識(shí)的重要手段與途徑。 觸發(fā)電路分析： 1． 經(jīng)過南橋的觸發(fā)電路（見圖5-1、圖5-2） 圖5-1 分析：在觸發(fā)電路中凡是參加開機(jī)的元件均由電源9引腳（紫）提供+5V供電。+5V高電位經(jīng)電阻R1、R2，在PW-ON非接地端形成+3.3V高電位。當(dāng)PW-ON被觸發(fā)（即閉合）瞬間，+3.3V高電位信號(hào)被拉低，變?yōu)榈碗娢唬蠘蚪邮盏降碗娢恍盘?hào)向電源14引腳（綠）發(fā)出低電位信號(hào)，將POWER（14）+5V高電位拉低，觸發(fā)電源工作，實(shí)現(xiàn)開機(jī)。 圖5-2 分析：當(dāng)PW-ON被觸發(fā)（即閉合）瞬間，+3.3V高電位信號(hào)經(jīng)反向器（如7404等）轉(zhuǎn)換為低電位，南橋接收到低電位信號(hào)向電源14引腳（綠）發(fā)出低電位信號(hào)，將POWER（14）+5V高電位拉低，觸發(fā)電源工作，實(shí)現(xiàn)開機(jī)。 2． 經(jīng)過I/O芯片的觸發(fā)電路（如圖5） 圖6 分析：過程與經(jīng)過南橋相似，只是由南橋控制I/O芯片，通過I/O芯片發(fā)出低電位信號(hào)將POWER（14）+5V高電位拉低，觸發(fā)電源工作。 雖然各主板廠商采用的觸發(fā)方式不盡相同，但最終實(shí)現(xiàn)的目的卻是一致的。通過分析上述幾種觸發(fā)方式，可以用觸類旁通的方法對(duì)采用其它方式觸發(fā)開機(jī)的主板進(jìn)行剖析。此外，還有部分品牌的主板有自己專門的開機(jī)復(fù)位芯片，如華碩（ASUS）。 主板供電電路 這里所指的主板供電是指為CPU供電，最終目的是為CPU電源輸入端提供CPU正常運(yùn)行時(shí)所需的電壓和電流，是通過ATX電源輸出電壓經(jīng)DC→DC（直流→直流）降壓轉(zhuǎn)換后實(shí)現(xiàn)的。 隨著CPU性能的不斷提升，CPU對(duì)供電的要求也越來越高，高頻率、大電流的供電要求已成為CPU供電的基本趨勢。這樣也使這部分電路成為主板上信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)的區(qū)域，為了避免對(duì)主板中其它信號(hào)較弱的數(shù)字電路產(chǎn)生串?dāng)_效應(yīng)（Cross Talk），這就對(duì)CPU供電電路提出了更高的設(shè)計(jì)和制造要求。觀察和分析CPU供電電路的設(shè)計(jì)方法與制造工藝也是我們判斷一款主板品質(zhì)優(yōu)劣的重要依據(jù)。 圖7為單相CPU供電電路示意圖，也是主板供電電路的基本原理圖。 圖7 基本供電原理分析： 獲得ATX電源輸出的+5V或+12供電后，為CPU提供供電（此時(shí)未達(dá)到CPU核心供電要求），CPU電壓自動(dòng)識(shí)別引腳發(fā)出電壓識(shí)別信號(hào)（VID－Voltage Identification Code）給電源控制器（PMW control），電源控制器通過控制兩個(gè)場效應(yīng)管（MOSFET）導(dǎo)通的順序和頻率，使其輸出的電壓與電流達(dá)到CPU核心供電要求，實(shí)現(xiàn)為CPU供電的目的。 從圖7可以看出，單相供電需要兩個(gè)場效應(yīng)管，此外還需要兩只電解電容。在電源輸入端使用大容量電解電容進(jìn)行退耦，在輸出端使用大容量電解電容進(jìn)行濾波就可以得到比較平滑穩(wěn)定的電壓曲線，使輸出端達(dá)到CPU供電電壓要求， 電源控制器是CPU供電的核心，其功能特性也是我們研究的重點(diǎn)。在CPU供電電路中最為常見的是Intersil公司設(shè)計(jì)的電源控制器芯片（PMW Control IC），其中以HIP630x最為典型?，F(xiàn)以HIP6302為例分析CPU供電電路。 HIP6302是一款多相電源控制器芯片（multi-phase PMW Control IC）,其引腳功能描述如圖8。 圖8 引腳1－5為電壓自動(dòng)識(shí)別引腳，信號(hào)由CPU根據(jù)電壓識(shí)別原理提供，是CPU獲得核心供電的依據(jù)和基礎(chǔ)。電壓識(shí)別信號(hào)一般由4-5位數(shù)字編碼組成，位數(shù)越多識(shí)別精度越高。 電壓識(shí)別信號(hào)遵循VRM規(guī)范，VRM（Voltage Reference Model）是Intel公司設(shè)計(jì)的供電標(biāo)準(zhǔn)。目前應(yīng)用較多的供電標(biāo)準(zhǔn)為VRM 9.0，支持電壓范圍為1.1V-1.85V。VRM 9.0對(duì)應(yīng)的電壓識(shí)別信號(hào)編碼組合見附表1。 圖9是利用HIP6302為CPU提供供電的簡易方框圖描述。 圖9 從圖9中可以看出這是一款兩相供電電路，其基本工作原理與單相供電電路原理相似，可以看作由兩個(gè)單相供電電路并聯(lián)構(gòu)成。圖10給出了兩相供電電路圖。 圖10 從圖10中可以發(fā)現(xiàn)為主控芯片（HIP6302）專門搭配的兩個(gè)從屬驅(qū)動(dòng)芯片（HIP6601），其引腳功能描述如圖11。 圖11 驅(qū)動(dòng)芯片的作用是在獲得電源控制器相位控制信號(hào)的同時(shí)向場效應(yīng)管發(fā)出脈沖信號(hào)，各場效應(yīng)管再遵循一定的順序進(jìn)行輪流導(dǎo)通截止，最終經(jīng)濾波輸<