2.3 主板的体系结构

主板是计算机中最重要的部件之一，是整个计算机工作的基础。主板的中心任务是维系CPU与外部设备之间的协同工作，不出差错。下面将对它的体系结构做详细的介绍。

2.3.1 主板的主要部件

主板所用的PCB（印刷电路板）是由几层树脂材料黏合在一起的，内部采用铜箔走线。一般的PCB线路板分为四层或六层，最上和最下的两层是信号层，中间层是接地层和电源层，如图2-2所示。

根据主板的不同结构和种类，主板上部件的种类有所区别，但主要的部件都是一致的。如图2-3所示为华硕B150M-GAMING主板外观。

一般来说，主板的主要部件如下。

1. CPU插座

主板上安装CPU的接口，从形式上看可以分为两大类。一类是Slot插槽接口，它的样子是一个狭长的插槽，CPU像一个插卡一样插入槽中，插槽的两边有CPU的定位和夹紧装置。Slot插槽接口现在已经被淘汰。另一类是Socket插座形式，在主板上是一个接近于正方形的扁平插座，边上带有一个CPU紧固拉杆，将拉杆提起来并垂直于主板，就可以让CPU自由放入插座或者从插座取出；按下拉杆，就可以将CPU夹紧在插座上面。早期的Socket插座有Socket 370、Socket 478等，插座上分别有370、478个孔，对应于CPU上相应数量的针脚。当前，Intel CPU的接口主要有Socket 775，对应LGA 775封装的CPU。这种CPU插座内用触须代替针孔，CPU上已没有针脚，代之以775个触点。最新的CPU接口还有LGA 1156、LGA 1366等。AMD CPU最新的接口是AM3。AM3接口为938针，其带宽高于AM2+很多；该接口的处理器支持DDR3内存。

2. 内存插槽

现在的主板内存插槽一般是168线的内存插槽，用于SDRAM内存模块的插接，每一个插槽的数据宽度为64位，因此，对于现在的CPU来说，只需要1根168线具有64位数据宽度的内存条就可以启动计算机。主流主板上的内存插槽一般有2～4根，支持的内存容量一般在1GB～16GB。

3. 板卡扩展槽

板卡扩展槽是用来接插各种板卡的，如显卡、声卡、Modem卡以及网卡等。板卡插槽目前尚在使用的有PCI、ISA和AGP几种。PCI插槽用于PCI总线的插卡，在主板上一般是白色的插槽，根据主板的不同，一般有2～5个PCI插槽。ISA插槽的历史很古老，早在Intel 80286时代就有了。ISA插槽一般是黑色的，长度明显超过PCI插槽，现在的主板上已经几乎看不到ISA插槽的身影了。AGP插槽是褐色的插槽，长度比PCI插槽短一点，每块主板只有1根，专门用于接插AGP显卡。很多集成了显卡的主板上没有AGP插槽。除了上面几种插槽外，一些新型的主板上还有AMR插槽，这是一种很短的褐色插槽，用于AMR插卡。

4. 主板芯片组

主板芯片组是主板的核心部件，起到协调和控制数据在CPU、内存和各种应用插卡之间流通的作用。在主板上面一般可以看到两片较大的方形芯片，有些上面还带有散热器，这就是主板芯片组，它是主板上最核心的部件。

5. BIOS系统

主板的BIOS实际上是指一段程序，这段程序在开机后首先运行，对系统的各个部件进行监测和初始化。另外，它还提供了一个界面，供用户对系统的各个部分进行设置。BIOS程序保存在一片电可擦除的只读存储器（EEPROM或者Flash ROM）中，而用户设置的结果则是保存在一小块CMOS存储器中，系统断电后靠一个锂电池来维持数据。

6. 时钟发生器

在主板上，时钟发生器的具体位置不太容易看到，但其重要性不容忽视。时钟发生器由晶体振荡器和时钟芯片以及相应的电路组成。所有的系统时钟都由这个部分产生。许多主板都可以设置多种外频，其实，能不能够设置这么多种外频，完全是由时钟芯片所决定的。

7. I/O接口

I/O接口是用于连接各种输入／输出设备的接口。具体来说，I/O接口主要有一个键盘口、一个PS/2鼠标器接口、两个串行口、一个并行口（或称为打印口）、一个游戏口和若干USB接口。

8. SATA接口

SATA是Serial ATA的缩写，即串行ATA。它是一种电脑总线，主要功能是用作主板和大量存储设备（如硬盘及光盘驱动器）之间的数据传输之用。这是一种完全不同于串行PATA的新型硬盘接口类型，由于采用串行方式传输数据而得名。SATA总线使用嵌入式时钟信号，具备了更强的纠错能力，与以往相比其最大的区别在于能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，如果发现错误会自动矫正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。

9. 电源模块

主板上的电源模块一般在主板的电源插座附近，它产生不同电压的电流提供给主板上面的设备和插卡使用。电源模块的特点是有很多大型的直立电解电容器，而且可能还有散热器或者带有铁芯的线圈等。

一般来说，主板上面的主要部件就包括以上介绍的这些。不过，现在有很多主板将原来单独的插卡上面的功能都做到了主板上（称为集成），因此，某些主板上面可能还有显示芯片、声音芯片、SCSI控制器等。

2.3.2 主板的结构规范

主板的结构规范指的是主板的尺寸及其上各部件的布局形式以及电子电路所符合的工业设计规范。

主板采用开放式结构，板上一般集成芯片组、各种I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯接插件、扩展槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元器件。常见的主板结构规范主要有AT、Full AT、Baby AT、ATX、Mini-ITX、Micro ATX、LPX、NLX、Flex ATX及BTX等结构。

1. AT结构

AT结构是一种工业标准，推出时间较早。AT主板尺寸较大，板上可放置较多元件和扩充插槽，主板的左上方有8个I/O扩充插槽，使用AT电源，如图2-4所示。

2. Full AT结构

Full AT结构即AT小板，使用AT电源。

3. Baby AT结构

Baby AT结构是AT主板的改良型，比AT主板内部元器件布局排列更紧凑，可以使用AT/ATX电源，如图2-5所示。

4. ATX结构

ATX将Baby AT与LPX两种结构规范的优点整合为一，它在Baby AT的基础上逆时针旋转了90°，直接提供COM、LPT、PS/2 Mouse、PS/2 Keyboard接口。另外，在主板设计上，内存槽可以紧挨最右边的I/O槽，将CPU插槽位置设计得远离扩充槽，以便插入长卡时不会挡到CPU，内存条的更换也更加方便。外设接口集成于主板上，减少了电磁辐射，节约空间。ATX结构主板如图2-6所示。

5. Mini-ITX主板

Mini-ITX是由威盛电子主推的主板规格。Mini-ITX主板能用于Micro ATX或ATX机箱，尺寸为17×17厘米，刚刚好能包括四颗固定螺丝和一条扩充插槽。由于扩充性不大，Mini-ITX主要用于嵌入式系统。

6. Micro ATX结构

Micro ATX是依据ATX规格所改进而成的一种新标准，它的主要特性包括：支持目前的CPU技术，拥有更小的主板尺寸，使用更小的电源。但是Micro ATX主板上可以使用的I/O扩充槽也相对减少了，Micro ATX支持最多4个扩充槽。Micro ATX规范的主板可以使用ATX机箱与电源，如图2-7所示。

7. LPX结构

LPX结构使用称为RISER的插槽来将扩展槽的方向转向与主板平行，也就是说主板上不直接插扩展卡，而是将扩展卡插在RISER上，使用这种方式可缩小电脑外形尺寸，但可用的扩充槽较少。由于LPX主板的维修、维护、升级不便，现已逐渐被NLX结构规范所取代。

8. NLX结构

NLX通过重置机箱内的各种接口，将扩展槽从主板上分割开。把竖卡移到主板边上的方法，为较大的处理器留下了更多的空间，使机箱内的通风散热更加良好，系统扩展和升级、维护也更方便。节约的空间可将更多的多媒体扩展卡直接集成到主板上，从而降低成本。在许多情况下，所有的电线和电缆，包括电源在内，都能被连到竖卡上，主板通过NLX指定的接口插到竖卡上。因此，可以不拆卸电缆、电源，就能拆卸配件。NLX主板需使用专用的NLX电源。

9. Flex ATX结构

Intel最新研制的Flex ATX主板比Micro ATX主板面积小1/3，主要用于类似iMAC的高度整合电脑中，配合133MHz外频的Coppermine处理器使用。

在这些结构的主板中，AT和Baby-AT是多年前的老主板结构；而LPX、NLX、Flex ATX则是ATX的变种，多见于国外的品牌机，国内尚不多见；EATX和WATX则多用于服务器／工作站主板；ATX是目前市场上最常见的主板结构，扩展插槽较多，PCI插槽数量在4～6个，大多数主板都采用此结构；Micro ATX又称微型ATX主板，是ATX结构的简化版，就是常说的“小板”，扩展插槽较少，PCI插槽数量在3个或3个以下，多用于品牌机并配备小型机箱；而BTX则是Intel制定的最新一代主板结构。

2.3.3 南北桥体系结构

从英特尔奔腾到奔腾四，再到酷睿，主板上的芯片组的结构和作用都没有太大的变化，一般分为两部分，由两块集成芯片组成，通过专用总线进行连接，这就是我们所称的“桥”。简单来说，桥就是一个总线转换器和控制器，它实现各类微处理器总线通过一个PCI总线进行连接的标准，可见，桥是不对称的。在桥的内部包含有兼容协议以及总线信号线和数据的缓冲电路，以便把一条总线映射到另一条总线上。

目前流行的主板上有两块桥，一块负责与CPU、内存、显卡连接，另一块与ISA、PCI总线上的各种板卡、键盘、鼠标、USB接口等输入／输出设备进行连接。我们习惯上将与CPU连接的芯片称为北桥，与I/O设备连接的芯片称为南桥。

但是随着酷睿i3、i5、i7处理器的出现，由于芯片集成技术的提高，CPU生产商将内存控制器及显示控制器都集成到了CPU内部，这使得主板上已没有传统意义上的“北桥”，而只有一个相当于“南桥”的芯片了，典型的例子如H55主板。

2.3.4 主板上的总线及主要技术参数

1. 主板上的总线

所谓总线，笼统地说就是一组进行互连和传输信息（指令、数据和地址）的信号线。计算机的总线都有特定的含义，如“局部总线”“系统总线”等。

按性质和应用来划分，一般可将总线划分为以下3类。

1）局部总线

在以Windows为代表的图形用户接口（GUI）进入PC之后，要求有高速的图形描绘能力和I/O处理能力。这不仅要求图形适配卡要改善其性能，也对总线的速度提出了挑战。实际上当时外设的速度已有了很大的提高，如硬磁盘与控制器之间的数据传输率已达10MB/s以上，图形控制器和显示器之间的数据传输率也达到69MB/s。通常认为I/O总线的速度应为外设速度的3～5倍。因此原有的ISA、EISA总线已远远不能适应要求，而成为整个系统的主要瓶颈。

局部总线是PC体系结构的重大发展。它打破了数据I/O的瓶颈，使高性能CPU的功能得以充分发挥。从结构上看，所谓局部总线是在ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层。这样可将一些高速外设（如图形卡、硬盘控制器等）从ISA总线上卸下，而通过局部总线直接挂接到CPU总线上，使之与高速的CPU总线相匹配。

而采用PCI总线后，数据宽度升级到64位，总线工作频率为33.3MHz，数据传输率（带宽）可达266MB/s。所以采用PCI总线大大解决了数据的I/O瓶颈，使计算机能够更好地发挥性能。

现在的PC主板上都提供了新的总线插槽——PCI-E（PCI-Express）。PCI-E是最新的总线和接口标准，它原来的名称为3GIO，喻义为第三代输入／输出接口，是由Intel公司提出的，交由PCI-SIG（PCI特殊兴趣组织）认证发布后才改名为PCI-Express。这个新标准将全面取代现行的PCI和AGP，最终实现总线标准的统一。

PCI-E采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。相对于传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输，PCI-E的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，它们之间的差异跟半双工和全双工类似。

PCI-E的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括×1、×2、×4、×8以及×16，而×2模式将用于内部接口而非插槽模式。PCI-E规格从1条通道连接到32条通道连接，有非常强的伸缩性，以满足不同系统设备对数据传输带宽不同的需求。此外，较短的PCI-E卡可以插入较长的PCI-E插槽中使用，PCI-E接口还能够支持热插拔，这也是个不小的飞跃。PCI-E×1的250MB/s传输速度已经可以满足主流声效芯片、网卡芯片和存储设备对数据传输带宽的需求，但是远远无法满足图形芯片对数据传输带宽的需求。因此，用于取代AGP接口的PCI-E接口位宽为×16，能够提供5GB/s的带宽，即便有编码上的损耗，仍能够提供约为4GB/s的实际带宽，远远超过AGP 8×的2.1GB/s的带宽。

尽管PCI-E技术规格允许实现×1（250MB/s）、×2、×4、×8、×12、×16和×32通道规格，但是依目前形式来看，PCI-E×1和PCI-E×16已成为PCI-E主流规格，同时很多芯片组厂商在南桥芯片中添加了对PCI-E×1的支持，在北桥芯片中添加了对PCI-E×16的支持。除去提供极高数据传输带宽之外，PCI-E因为采用串行数据包方式传递数据，所以PCI-E接口每个针脚可以获得比传统I/O标准更多的带宽，这样就可以降低PCI-E设备的生产成本和体积。另外，PCI-E也支持高阶电源管理，支持热插拔，支持数据同步传输，可为优先传输数据进行带宽优化。

PCI-E插槽一般较好区分，它与PCI插槽的颜色、结构都不一样，无须担心会插错。图2-8所示为PCI插槽及PCI-E×1和PCI-E×16两种规格的PCI-E插槽。

2）系统总线

系统总线是微机系统内部各部件（插板）之间进行连接和传输信息的一组信号线，如ISA总线。由于ISA总线只具有16位数据宽度，最高工作频率为8MHz，所以数据传输速率只能达到16MB/s。通过比较ISA总线与PCI总线的带宽（数据传输率），就可以知道主板淘汰ISA插槽的原因了，如升技BF6主板上有6个PCI插槽，只有1个ISA插槽。

3）通信总线

通信总线是系统之间或微机系统与设备之间进行通信的一组信号线。

2. 主板的主要技术参数

1）速度

现在的多媒体应用使得CPU要处理的数据和外设之间交换的数据量大为增加，而CPU与内存、CPU与外设（显示卡、IDE设备等）、外设与外设的数据通道都集成在主板上。主板的速度制约着整机系统的速度。

2）稳定性

计算机的各部件都可能出现性能不够稳定的情况，但都不如主板对系统的影响大。一块稳定性欠佳的主板会在使用一段时间后暴露出其弱点，而这种不稳定性往往以较隐蔽的方式表现出来，例如找不到硬盘、显示器无显示、死机等，让人误以为是CPU或外设出了问题，而实际上是由于主板的性能不稳定所造成的。

3）兼容性

兼容性好的主板会使你在选择部件和将来对计算机升级时有更大的灵活性。兼容性差的主板不容易和外设配套，一些优秀的板卡因为主板的限制不能使用，致使系统功能减少和性能降低。

4）扩充能力

计算机在购买一段时间后都会出现要添置新设备的需求。有着良好扩充能力的主板将使用户不必为插槽空间的紧缺而伤脑筋。主板的扩充能力主要体现在有足够的凹插槽、内存插槽、CPU插槽以及与多种产品兼容的软、硬驱接口和USB接口等。

CPU的换代速度较快而主板相对稳定，也就是说，主板比CPU有着更长的生命周期。一块好的主板应为现在及未来的CPU技术提供支持，这样在CPU升级时就不用更换主板了。