1、笔记本硬件结构教程第 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，笔记本的价格可谓一落千丈，笔记本电脑也不再是身份地位的象征，它更是一个工具，帮
2、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价格的滑落，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
3、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，
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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 CPUFSB 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/EM
11、C 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 68 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
12、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
13、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
14、“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ADD031，但实际上地址线只用到了 ADD331，而不是 ADD031，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，
15、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 ADD02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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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：
21、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
22、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
23、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
24、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。DDR II 内存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 1 页：北桥：显示单元是区分 855GM/GME 和 855PM 的好办法所所开篇：大家好，今天是周末了。相信大家在看本周一关于笔记本硬件结构终极教程上篇后，已经都兴奋的不行了。所以这次在周末期间提前推出本文的中篇。让大家可以将热情继续下去，而下篇也会在下周的时候发出。到时候三篇连着读起来，一定爽的
25、不行啊。闲话就不多说了，大家开始上课吧，安静哦各位好，很高兴又与大家见面了。在上次发表了本文的上篇后一直忙于工作，昨天晚上终于抽空写完了这次的中篇。这次的内容有大家比较关心的 PCI Express 总线和传统的PCI 总线的区别，以及 SATA/PATA 技术的一些分析。而对于 IBM 的 FANS 来说，或许通过本文，您甚至可以自己升级 BMDC 模块（这很令人兴奋哦！）另外 USB 也会再谈论一下，对 DIYER 有点帮助，也许使用 IBM Thinkpad 600E的朋友可以扩展您第二个 USB 口。好吧，闲话少说，我们正式开始！ AGP 是加速图形接口的简称。对于我们常说的集成显卡的
26、 855GM/GME 来说，在设计的时候是涉及不到 AGP 接口的，因为其北桥能直接支持 VGA 输出，LVDS 输出（到 TFT Panel），以及 S-VIDEO 输出。设计者只需要把这些信号延伸到主板的各个接口即可。855GM 的系统架构如图是采用 855GM 芯片的系统图，我们看到在显示部分，已经直接由北桥来负责输出。下图是某笔记本的整体写真，我们看到除了 CPU，北桥，南桥外，没有显示卡芯片。集成显卡的主板而对于独立显卡的设计（855PM 芯片），则会相对麻烦一些。因为设计者需要通过855PM 的 AGP 通道连接显卡，并通过显卡输出需要的数据，如 VGA，LVDS 等等。855PM
27、 的系统架构我们看到，在采用 855PM 的芯片组时，北桥只负责输出 AGP 到显卡，然后由显卡负责输出各种显示信号（VGA，LVDS.）如图是台式机的 AGP 显卡，在笔记本中不过是把这张卡也集成到主板上了而已（当然是选用移动版的 GPU 啦！）下图是含有独立显卡的 IBM T42 和三星 X30，分别采用 ATI 7500 和 NVIDIA 5200 的 GPU。而一些台湾公司的北桥，如 VIA 和 SIS 的北桥不直接支持 Panel，它们需要一个Transmitter 来转换才能输出 VGA、LVDS 等信号，比如最新的 PN800（PT800 的移动版本）和 K8N800（K8T80
28、0 的移动版本），如果有需要更多信息的话可跟笔者联系，在这里就不做介绍了。最新的 MXM 技术也已经初具雏形，笔者当前有幸接触到 MXM 的设计，核心是比较新的NV43。至于什么是 MXM，笔者简单说一下：MXM 是相对当前的笔记本电脑无法更换显示卡而提出的一个规范，其通过一个特定的接口能实现显示卡和主机分离，使得用户可方便的升级笔记本电脑的显示卡，如同台式机能方便更换 AGP 显示卡一样。其接口的详细规范，就不再多说，可参考 权威揭密 NV 杀手锏 MXM 绞杀低能游戏 NB第 2 页：北桥：HUB-LINK 你了解多少？HUB-LINK，这是 Intel 的规范，其作用是提供南北桥的高速数
29、据连接。其运作频率是66MHZ，速度为 266MB/s。Hub-Link 有 12 根的数据线，以及 2 根差分的时钟线，以及数根的控制线。以往的南北桥连接都是直接套用 PCI 总线，速度慢不说，还有一堆的信号线要你排。在这种情况下，INTEL 提出了 Hub-Link 以改变这种情况。而 HUB-LINK 对布线的简化确实有相当的帮助，当然对提升速度也有很多的好处（相对应的也有 VIA 提出的 V-LINK，ALI 提出的 A-LINK 等）。对于最新的 915 平台，这部分称为 DMI（Direct Media Interface）连接，以最大 2GB/s 的数据传速率远远超过 266MB
30、/s 的 Hub Link。下图是 Hub-Link 的连接示意图。Hub-Link 的布线一般要求并不是太强，可参考以下的表格。我们可以看到其最大允许的长度为 6 inch，宽度需要至少 4mils，间隔 8mils 等等第 3 页：南桥：IDE 接口 说难不难说简单也不简单南桥是外围（I/O）设备的中转站，一般来说主要的接口有 HUB-LINK，IDE，PCI，AC97，USB，PM（Power Management，电源管理）等，对于最新的ICH6，更有 SATA，DMI 等。HUB-LINK 的定义见上文。IDE 是大家比较熟悉的接口，硬盘一般都通过 IDE 通道与南桥建立连接。在 I
31、CH4 上，有两个 IDE 接口，所以我们一般硬盘用 IDE0，光驱用 IDE1。而在在最新的 915 平台上只有一个 IDE，另外还有 4 个 SATA。当然这是 Intel 在积极推行 SATA 的结果。IDE 通道有 16根015 数据线，还有一些相关的控制信号。如图是硬盘和南桥通过 IDE 来连接 HDD 的示意图：下图是实际的 IDE 接口，共有 44PIN，当然，有些也是空 PIN，有些则是接地：跟台式机不一样的是，笔记本中光区的接口和硬盘不一样，这也可能是一个行业标准吧。笔记本光区的接口如下图，共有 50PIN，比硬盘的 PIN 数多是因为 CD-ROM 上需要引出音频信号以及一
32、些控制信号：虽然光区和硬盘的接口并不一样，但其本质上其实是相同的，都属于 IDE 范畴。第 4 页：南桥：PATA，SATA 之争在只有一个 IDE 接口的时候，副硬盘只能通过主 IDE 设备来实现中断（IRQ），比如现在有些厂商需要在 915 平台上使用 IDE 的硬盘，以降低成本。如此一来，势必要使硬盘和光区使用一个 IDE 通道，如果从光盘拷贝大量数据到硬盘的话，速度会有明显的下降。而有些时候，RD 为了提高性能，甚至需要用转换芯片将 SATA 转成 PATA（没听说过吧？呵呵，用 Marvell 88SA8040 这颗 IC 就行了，参考这里 http:/ ICH6M 的硬盘部分的功能块，有四组 SATA 和一组的 PATA 接口。SATA 和 PATA（IDE）相对 PATA 来说，SATA 的设计就显得简单的多，只需 4 根/2 组差分信号和一个电源即可搞定。但由于其数据的高速性，设计者对布线，以及控制 EMI/EMC 来说却需要投入更多的精力。最新的 ICH6 提供了 4 个通道的 SATA，看来 Intel 把 SATA 尽快的推到笔记本上信心实足。下图是 SATA 和 PATA 的笔记本硬盘 接口比较。我们看到实际上 SATA 的 PIN 脚还是有很多，但其实很大一部分都是地线，用来保证信号质量用的，当然，也有一部分是空 PIN来做保留。
