笔记本电脑系统架构

笔记本电脑系统架构熟悉典型主机系统架构图

当前笔记本电脑虽然品牌众多，且产品外观、功能特色各有千秋。但是除了苹果公司（Apple）部分机型外，它们的基本系统架构和原理还是一样的，都是基于IBM PC/AT的架构。此外，值得一提的是，虽然桌面电脑和笔记本电脑外形差别很大，但其基本的系统架构和原理还是一样的，也是兼容于IBM PC/AT架构的。我们在第一章内容里已经给读者朋友介绍了桌面与笔记本电脑的一些主要的特性差别

芯片组（Chipset）是电脑主板系统架构的核心组成部分，如果说中央处理器（CPU）是整个电脑系统的大脑，那么芯片组将是整个身体的躯干。芯片组作为直接和CPU打交道的部件，是发挥CPU性能的基础平台。在电脑界通常称设计芯片组的厂家为Core Logic，Core的中文意思就是核心，单从字面上就足以看出芯片组在电脑主机中的分量。对于电脑主板而言，芯片组性能的优劣，决定了主板性能的好坏与级别的高低，进而也影响到整个电脑系统性能的发挥。

提到全球个人电脑CPU及主板芯片组制造商，就不得不提到大名鼎鼎的Intel公司，其自个人电脑诞生以来，一直以领头羊的身份带领着PC技术的向前发展。Intel每一款芯片组产品的推出，都影响着全球千千万万电脑使用者对电脑产品的性能和感官体验。不过话也说回来，当今的AMD公司自从率先推出双核消费型CPU及并购著名显卡芯片商ATI后，其在PC集成芯片领域也占据一方，这是也普通电脑消费者所乐见的。只有竞争的越激烈，我们才能用上性能更好、价格更便宜的电脑产品。

因为Intel公司的处理器、芯片组同出系门，在采用整套Intel芯片产品应用方案电脑机型上，也因此具有更好的兼容性与稳定性，几乎不存在配合上的问题。电脑主板硬件开发工程师。

通常只需要严格地按照芯片规格书（Data Sheet）的定义去做相应的信号连接即可，从而大大降低了产品的研发周期与风险。本章主要内容也将是基于Intel芯片组系统架构的机型为例，为读者朋友分不同层次、方面的内容逐一展开讲解。

首先，我们会带领大家对若干典型电脑系统架构做个全面、直观的认识。为了方便各位的理解，图4-1-1系统模块示意图是用电脑主板上各个芯片的实物拍摄而成。建议读者朋友可以将整个电脑系统架构框图背下来，以便在脑海中形成一个直观的轮廓，相信它对后续电脑各个功能模块及它们之间的逻辑关系理解会有很大的帮助。在每个功能模块之间，都会有相应的总线（BUS）连接。在章节最后内容里，还将会对目前笔记本电脑各功能模块间常见的数据总线分门别类做一个介绍，以方便各位对所提及的总线功能特点有个较全面的了解。

其次，还会对系统架构图中的各主要功能模块芯片的硬件规格、产品特性及芯片内部的功能单元有较全面阐述。如经常提到的南桥、北桥芯片等等。

还有，也将从芯片组的发展的角度，为读者朋友介绍近期不同厂商、类型的芯片组平台的发展史。4.1 典型电脑系统架构图说明

和学习笔记本电脑主板电源架构一样，首先从电脑的系统架构开始着手。图4-1-1列出了笔记本电脑典型系统架构视图。不同品牌、芯片组类型的机器，硬件配置上可能会有相应变动，但是整个系统架构及各个功能模块的连接方式，不会有根本的变化。

图 4-1-1 典型笔记本电脑系统架构图

笔记本电脑主板系统架构的主要功能模块有：北桥芯片（North Bridge）、南桥芯片（South Bridge）、显卡芯片（Graphics Process Unit）、嵌入式控制器（Embedded Controller）和BIOS等。这几部分一般都是集成在电脑主板上的，以配合CPU、内存等功能模块，在系统开机后进入BIOS控制程序模块。这些功能模块就像是一棵大树的主干，缺一不可。同时，它们也是PC/AT电脑系统架构的基本构成元素。

其他部分功能模块，如硬盘、网卡芯片、内置键盘等等，就相当于树的枝干。如果缺少这些模块，并不影响电脑系统的开机加电，甚至正常的显示。当然，这并不是说它们不重要，试想一下，如果您的电脑没有硬盘，在很多时候，是根本无法正常使用的。

下面，让我们对照前面系统架构示意图，以分块的方式来全面认识一下。为了不引起大家混淆，不同的模块以虚线框圈定范围，并标有相应的标号，和文中提到的标号位置相对应。

首先，可以将整个电脑系统架构分成三大部分来看。第一部分，就是本节所要介绍的各个系统功能模块。第二部分，是时钟模块，也就是标号1所示，时钟芯片及红色箭头所传递的不同类型、频率的时钟信号部分。时钟模块可以认为是电脑主板的心脏，它起着为各个功能芯片提供基准时钟信号的作用。试想一下，如果没有了时钟频率，整个系统将会是一潭死水，无法进行任何数据信号的传输，电脑也就根本就运行不起来。第三部分，如标号2所示，主板的电源模块部分，我们在前一章内容里，已重点介绍。前面章节也有提到，电源模块在电脑主板上起着半边天的作用。

现在，再回到系统架构图的第一大部分来看。如标号3所示，为显示模块部分。在有独立显卡的机型上，显示芯片通常和北桥芯片直接相连，它们之间的连接总线由早期的AGP 4×总线升级为现在的PCI Express 16×总线。此外，显示芯片通常还需要有自己独立的显卡存储芯片，简称为显存。如图中所示，显存芯片容量的大小和图像数据的传输速率在很大程度上影响了显示模块的整体性能。其中，显存数据传输快慢又与显卡、显存之间传输时钟频率的高低和数据位宽有直接的关系。

讲到显存，这里也可以随便提一下内存。同样，内存是和北桥芯片直接相连的，内存容量的大小和数据传输速率，更是影响到整个计算机系统的性能。

接着，来看看都有哪些功能模块和南桥芯片相连接呢？很显然有些功能模块，如硬盘、光驱和USB端口等设备是直接和南桥芯片相连的。换句话说，它们是直接由南桥芯片来控制的。同时，大家应该还注意到了经常听说的PCI总线设备，其实就是通过南桥芯片内部的PCI总线控制器引出来PCI总线。毫无疑问，挂在PCI总线上的设备，当然就是PCI设备咯。常见的PCI设备有PCMCIA端口、本地网卡、1394控制器和mini PCI界面的内置无线网卡接口等等，这些设备端口通常需要有符合PCI总线标准的控制芯片来控制。

不仅如此，在笔记本电脑主板上，不可缺少的EC控制芯片也是通过LPC总线和南桥芯片相连接的。各位可以看到，EC芯片除了控制整个系统电源部分的电源电压的产生与分配，如系统开机信号、CPU散热风扇的运转及电池的充放电等。同时，还控制电脑系统中的部分低速端口设备。如内置键盘、触控板等等。接着往下看，系统BIOS芯片通常是直接挂在EC芯片上的，这样做应该是有它的道理的，EC芯片的控制程序也可以和系统BIOS程序合并在一起，存储在BIOS芯片的Flash ROM中。此外，BIOS芯片通常还包含显卡、网卡等功能模块BIOS程序。

还有，再来了解一下声卡控制芯片。由于此功能模块的特殊性，PC业界通常会给它单独分配一条总线供其使用。如图中所示，声卡芯片就是通过AC_LINK总线和南桥芯片相连接的。这里需要提及一下，主板上的MODEM功能模块，也是需要受到声卡解码芯片来控制的，它们端口界面传输的信号都是模拟音频信号。

好了，让我们再来认识一下标号4所示模块。主板上各个芯片上一些冗余的功能端口，还可以通过主板上的导线汇合到一个统一端口，可以称之为扩展坞（Docking）。设计此端口的用意，是在电脑使用者有需要的时候，满足其相应功能端口的扩展。举个例子，ICH6南桥芯片规格最多可配置8个USB端口，但考虑到主板成本和电脑主机端口布局的限制，主板上只用到了4个USB口，那么多余的若干个USB口，就可以直接连接到扩展坞接口即可。这里有一点需要说明的是，由于扩展坞的端口都是按照不同机型“量身定

做”的。所以，要想实现对这些扩展端口使用，还需要有和该扩展坞接口相匹配的外围扩展设备，它通常是由同一电脑硬件厂商提供。

最后，把框图所包含的信息，做一个简要的总结，重点强调各主要模块的功能与作用。

■北桥芯片主要功能

北桥芯片是用来连接CPU、内存和南桥芯片的中枢，如果是包含独立显卡的电脑系统，还会提供与显卡芯片连接的AGP或PCI Express总线接口。它主要负责对一些高速、大容量的图形、存储数据进行运算和传输。北桥芯片英文也常称之为MCH或者GMCH，也就是Memory Control HUB或者Graphics &Memory Control HUB的意思。

■南桥芯片主要功能

南桥芯片主要用来连接一些外围设备，比如PCI总线传输界面的网卡、PCMCIA控制器等等。此外，诸如USB、IDE接口设备也是由南桥芯片来控制的。南桥芯片还提供LPC总线与EC芯片进行通信。电脑系统部分的电源管理，也是要由南桥芯片来实现的。相对来讲，南桥芯片控制端口处理的数据量及速度较北桥芯片要低，但其内部功能模块较北桥芯片多。南桥芯片用英文也常称之为ICH，就是Input/Output Control HUB的意思。

■ EC芯片主要功能（Embed Controller）

虽然和我们常说的BIOS有点像，不过其实EC芯片是BIOS的“物理控制器”和“载体”，它通过LPC 总线与南桥芯片进行沟通。其在目前笔记本电脑中担当相当重要的“重任”，整个系统电源受其管理和控制。此外，EC芯片还承接内置键盘等一些低速设备接口的控制功能。所以，也会有称EC芯片为电源管理芯片或键盘控制器的说法。在后面的内容里，还将展开叙述。

■ BIOS主要功能(Basic Input/Output System)

确切的来讲，它是基于物理Flash ROM芯片存储的、人为事先编好的，不同功能模块底层控制程序的结合体。其在整个电脑系统中的地位，也是非常重要的，它实现了“底层硬件”和“上层操作系统”之间沟通的桥梁。如果没有它，当我们按下电源开机按钮时，电脑系统根本就不知道做了什么动作，就更不用说电脑能够正常开机加电、显示了。再比如，当各位从光盘拷贝一个文件到硬盘里去，只需知道在操作系统里执行“复制”、“粘贴”的操作命令就行了，而不必知道它具体是如何从光盘中读取，然后再如何写入硬盘里的。而且，对于操作系统来说，也只需要向BIOS发出相应的指令即可，而无需知道光盘是如何读、硬盘是如何写的。