主板北桥

　　主板北桥
　　主板芯片组中起主导作用的最重要的组成部分,也称为主桥(HostBridge)。
　　1基本概念
　　2产品结构
　　3基本特征
　　4芯片
　　·英特尔平台方面
　　AMD平台方面
　　5产品散热
　　·散热器的分类
　　·第三方扣具
　　6产品发展
　　·45纳米的处理器
　　·Core i5技术
　　7区别
　　·北桥芯片
　　·南桥芯片
　　1基本概念
　　主板北桥,即指主板上的“北桥芯片(NorthBridge)”,是主板芯片组中起主导作用的最重要的组成部分,也称为主桥(HostBridge)。一般来说,芯片组的名称就是以北桥芯片的名称来命名的,北桥芯片负责与CPU的联系并控制内存、PCI-E数据在北桥内部传输,提供对CPU的类型和主频、系统的前端总线频率、内存的类型(SDRAM,DDR、DDR2、DDR3、以及RDRAM等等)和最大容量、AGP/PCI-E插槽、ECC纠错等支持,整合型芯片组的北桥芯片还集成了显示核心。
　　北桥芯片在主板上的位置,一般比较靠近CPU,这主要是考虑到北桥芯片与处理器之间的通信最密切,为了提高通信性能而缩短传输距离。因为北桥芯片的数据处理量非常大,发热量也越来越大,所以北桥芯片都覆盖着散热片用来加强北桥芯片的散热,有些主板的北桥芯片还会配合风扇进行散热。因为北桥芯片的主要功能是控制内存,而内存标准与处理器一样变化比较频繁,所以不同芯片组中北桥芯片是肯定不同的,当然这并不是说所采用的内存技术就完全不一样,而是不同的芯片组北桥芯片间肯定在一些地方有差别。
　　AMD从 K8核心的CPU以后,包括最新的速龙、 羿龙和工作站的皓龙,将内存控制器集成在了CPU内部,所以AMD的芯片组的北桥芯片变得简化多了,甚至还能采用单芯片芯片组结构。此外,Intel最新的Core i系列,也采用了将内存控制器结成于CPU内部的做法,这也许将是一种大趋势,北桥芯片的功能会逐渐单一化,为了简化主板结构、提高主板的集成度,也许以后主流的芯片组很有可能变成南北桥合一的单芯片形式(事实上SIS老早就发布了不少单芯片芯片组)。
　　由于每一款芯片组产品就对应一款相应的北桥芯片,所以北桥芯片的数量非常多。针对不同的平台,主流的北桥芯片有以下产品(不包括较老的产品而且只对用户最多的英特尔芯片组作较详细的说明)。
　　2产品结构
　　南北桥结构是历史悠久而且相当流行的主板芯片组架构。 采用南北桥结构的主板上都有两个面积比较大的芯片,靠近CPU的为北桥芯片,主要负责控制AGP显卡、内存与CPU之间的数据交换;靠近PCI槽的为南桥芯片,主要负责软驱、硬盘、键盘以及附加卡的数据交换。
　　传统的南北桥结构是通过PCI总线来连接的,常用的PCI总线是33.3MHz工作频率,32bit传输位宽,所以理论最高数据传输率仅为133MB/s。
　　由于PCI总线的共享性,当子系统及其它周边设备传输速率不断提高以后,主板南北桥之间偏低的数据传输率就逐渐成为影响系统整体性能发挥的瓶颈。因此,从英特尔i810开始,芯片组厂商都开始寻求一种能够提高南北桥连接带宽的解决方案。
　　南桥芯片(South Bridge)是主板芯片组的重要组成部分,一般位于主板上离CPU插槽较远的下方,PCI插槽的附近,这种布局是考虑到它所连接的I/O总线较多,离处理器远一点有利于布线。相对于北桥芯片来说,其数据处理量并不算大,所以南桥芯片一般都没有覆盖散热片。南桥芯片不与处理器直接相连,而是通过一定的方式(不同厂商各种芯片组有所不同,例如英特尔的英特尔Hub Architecture以及SIS的Multi-Threaded“妙渠”)与北桥芯片相连。
　　南桥芯片负责I/O总线之间的通信,如PCI总线、USB、LAN、ATA、SATA、音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等,北桥负责CPU和内存、显卡之间的数据交换,南桥负责CPU和PCI总线以及外部设备的数据交换 。
　　南北桥结构是历史悠久而且相当流行的主板芯片组架构。采用南北桥结构的主板上都有两个面积比较大的芯片,靠近CPU的为北桥芯片,主要负责控制AGP显卡、内存与CPU之间的数据交换;靠近PCI槽的为南桥芯片,主要负责软驱、硬盘、键盘以及附加卡的数据交换。
　　3基本特征
　　北桥芯片是主板上离CPU最近的一块芯片,负责与CPU的联系并控制内存,作用是在处理器与PCI总线、DRAM、AGP和L2高速缓存之间建立通信接口。北桥芯片提供对CPU类型,主频,内存的类型,内存的最大容量,PCI/AGP/PCI-E插槽等设备的支持。北桥起到的作用非常明显,在电脑中起着主导的作用,所以人们习惯的称为主桥(Host Bridge)。
　　南桥芯片提供对键盘控制器,USB(通用串行总线),实时时钟控制器,数据传送方式和高级电源管理等的支持,速度相对于北桥来说没有那么高。
　　4芯片
　　英特尔平台方面
　　英特尔:845系列芯片组的82845E/82845GL/82845G/82845GV/82845GE/82845PE,除82845GL以外都支持533MHz FSB(82845GL只支持400MHz FSB),支持内存方面,所有845系列北桥都支持最大2GB内存。82845GL/82845E支持DDR 266,其余都支持DDR 333。
　　除82845GL/82845GV之外都支持AGP 4X规范;865系列芯片组的82865P/82865G/82865PE/82865GV/82848P,除82865P之外都支持800MHz FSB,DDR 400(82865P只支持533MHz FSB,DDR 333,除82848P之外都支持双通道内存以及最大4GB内存容量(82848P只支持单通道最大2GB内存),除82865GV之外都支持AGP 8X规范;还有目前最高端的875系列的82875P北桥,支持800MHz FSB,4GB双通道DDR 400以及PAT功能。英特尔的芯片组或北桥芯片名称中带有“G”字样的还整合了图形核心。
　　NVIDIA:最新推出的MCP73集成的显示核心是最好的集成显示核心。
　　SIS:主要有支持DDR SDRAM内存的SIS648/SIS648FX/SIS655/SIS655FX/SIS655TX以及整合了图形核心的SIS661FX,还有支持RDRAM内存的SISR659等等。
　　VIA:主要有比较新的PT800/PT880/PM800/PM880以及较早期的P4X400/P4X333/P4X266/P4X266A/P4X266E/P4M266等等,其中,VIA芯片组名称或北桥名称中带有“M”字样的还整合了图形核心(英特尔平台和AMD平台都如此)。
　　Ali :离开芯片组市场多年,产品不多,主要是比较新的M1681和M1683。
　　AMD平台方面
　　VIA:主要有支持K7系列CPU(Athlon/Duron/Athlon XP)的比较新的KT880/KT600/KT400A以及较早期的KT400/KM400/KT333/KT266A/KT266/KT133/KT133A等等。支持K8系列CPU(Opteron/Athlon 64/Athlon 64 FX )的有K8T800和K8M800。
　　NVIDIA:主要有支持K7系列CPU的nForce2 IGP/SPP,nForce2 Ultra 400,nForce2 400以及支持K8系列CPU的nForce3 150和nForce3 250等等。
　　SIS:主要有支持K7系列CPU的SIS748/SIS746/SIS746FX/SIS745/SIS741/SIS741GX/SIS740/SIS735,以及支持k8系列CPU的SIS755/SIS755FX/SIS760等等。
　　ALi:离开芯片组市场多年,产品不多,主要有支持K8系列CPU的M1687和M1689。
　　5产品散热
　　对于热爱超频的用户来说,主板上附带的那些散热器,是很难满足他们的需求。当给CPU、内存超频,给北桥增加电压后,北桥芯片的发热量会剧增,这就需要一个更优秀的散热解决方案。正因为如此,第三方北桥散热器也纷纷面世,一时间是百花齐放。
　　散热器的分类
　　从市场上的北桥散热器特点来看,主要分为三类:
　　1、被动散热方式的风槽式传统散热片
　　所谓风槽式,是指鳍片与吸热底面垂直相连,空气由顶部进入,侧面流出(吹风),或由侧面流入,顶部抽出(吸风)。空气由鳍片与吸热底形成的槽道中通过,且其间流动方向会发生变化,这是最经典的传统散热结构。很多北桥散热器使用了这种传统结构,并且无风扇的被动散热方式。
　　这类产品主要应用于原来没有预装散热器的北桥上,或者原来的散热器过小。代表作为ZALMAN的几款北桥散热器,如ZM-NB47J。这类散热器很难服伺好日益发烧的北桥,必须考虑给它们加上主动散热的风扇。这些散热器最大的特点就是价格低廉,与主板的适应能力强。
　　2、主动散热方式的风槽式传统散热器
　　这类产品是绝对主流,以超频三的花无缺/小鱼儿为代表,采用传统的散热方式。
　　散热底座配上小尺寸的风扇,散热底座或铜或铝,基本上是早期CPU散热器的缩小版,体积较小,便于安装,价格便宜,实用性强。
　　3、热管技术的风道式散热器
　　鳍片与吸热底可以采用多种方式连接,包括一体成形、直接连接,或者通过热管等手段间接连接。
　　其相对位置可以平行、垂直,或者置于与吸热底有相当距离的位置。
　　这类散热器的共同点就是:空气由一侧进入平行排列的鳍片所构成的风道,流过鳍片间的空隙,并与之进行热交换,再由另一侧排出,称为“风道式”。
　　当魁梧的Tower流风道式热管散热器成为高端CPU散热器代言人后,厂商们不失时机的将它们引到北桥散热器阵营中,中高端的北桥散热器无一不是采用这样的结构,以Thermalright HR-05系列为代表。这些Tower流北桥散热器可以被动式静音工作,也可以辅以风扇主动散热器获得更优秀的性能。性能出色是它们立足之地,当然,体积较大,安装容易发生冲突,价格较高,是它们竞争上的短处。
　　第三方扣具
　　第三方北桥散热器的扣具
　　主板在北桥芯片附近都预留有安装孔位,也有少数主板是挂勾式设计,挂勾式又分为挂勾在左上右下和右上左下两种方式,这就要求北桥散热器在安装上要兼顾各类主板不同的设计。
　　基本上第三方北桥散热器都支持插孔式和挂勾式北桥芯片,也有少数几款仅支持插孔式北桥芯片。大部分插孔式的扣具采用了滑动式设计,以满足不同主板上北桥芯片的孔距,少数没有使用滑动设计的如Thermalright HR-05也提供了几种尺寸规格的扣具。
　　对于插孔式的扣具,多数散热器是采用弹簧式的塑料插销,这样结构的插销安装方便,不足的是压力不够,对散热有一定影响,少数采用螺丝方式固定,安装上稍难,但可以保证足够强的压力以减少散热器与核心的接触热阻,如Thermaltake的ExtremeSpirit II。
　　6产品发展
　　45纳米的处理器
　　2007年12月22日消息,英特尔才推出45纳米Penryn世代处理器,但已着手进行下一世代45纳米Nehalem处理器研发工作。
　　据行内人士指出,英特尔09年上半年推出的新处理器将进行结构上的大改革,电脑核心将由现行的中央处理器/北桥/南桥等三颗芯片,转变为中央处理器/南桥等二颗芯片,许多北桥芯片或图形芯片的功能将内建至处理器中,英特尔此举意在对抗AMD即将推出的Fusion整合型处理器,但NVIDIA及矽统等独立芯片组供应商市场则被压缩。英特尔新世代Nehalem处理器已有了新规划,2008年第四季推出首款核心代号为Bloomfield的45纳米高阶四核心处理器,并支援三通道DDR3记忆体规模,北桥芯片代号为Tylersburg,南桥芯片则以支援Penryn世代的ICH10为主,仍维持三颗芯片的电脑核心架构。
　　不过同为Nehalem世代的主流市场台式与笔记本电脑用的四核心、双核心处理器,则将走向大整合之路。据了解,英特尔09年上半年将推出核心代号为Lynnfield的45纳米台式四核心处理器、核心代号为Clarksfield的45纳米笔记本四核心处理器,支援双通道DDR3规格,但北桥芯片大部份功能则直接内建在CPU之中,南桥芯片则会推出代号核心为Ibexpeak的新芯片,以平台控制集PCH(PlatformControllerHub)方式直接与CPU进行连结,改变现行南桥芯片是透过北桥芯片与CPU互连的结构。
　　此外,Nehalem世代的双核心处理器也有更多改变,英特尔09年上半年推出核心代号为Havendale的45纳米台式双核心处理器、核心代号为Auburndale的45纳米笔记本双核心处理器,更大的改变则是利用多芯片系统封装(Multi-ChipPackage)方式,将北桥芯片及绘图芯片功能直接整合在CPU之中,南桥芯片则以Ibexpeak为主进行周边设备连结,包括USB、ealATA、PCIExpress等功能。
　　业内人士表示,英特尔将核心芯片由三颗变成二颗,就是针对AMD的整合型处理器Fusion而来,但就电脑成本结构及设计来看,二颗芯片也可缩短产品设计周期,同时有助于降低生产成本。至于英特尔的独立第三方(thirdparty)芯片组供应商如NVIDIA及矽统等,届时将面临芯片组市场被英特尔吸收的窘境,而且从英特尔技术蓝图看起来,独立芯片组供应商的市场空间将就此划下句点。
　　Core i5技术
　　Core i5技术把主板北桥“吃”掉!
　　而Intel发布了Lynnfield Core i5/i7,搭配5系列主板,如上图右所示:它的工作方式比起Core i7+X58来得更精简,最主要原因是Lynnfield不单单把内存控制器集成在CPU里,甚至把PCI-E控制器也集成了,简单来说,以往主板北桥芯片组的大部分功能都集成到CPU里(北桥被CPU吃掉了,呵呵),因此之后的5系列主板也就没有了南北桥了,5系列主板芯片组可以看成是以往南桥芯片组的加强版,CPU与主板芯片采用DMI总线进行通信。
　　Core i7的Nehalem架构最大的改进在前端总线(FSB)上,传统的并行传输方式被彻底废弃,转而采用类似于PCI Express串行点对点传输技术的通用系统接口(CSI),Intel称之为QuickPath Interconnect(QPI)总线技术。QPI的传输速率为6.4GT/s,这样一条QPI总线的带宽就能达到25.6GB/s(6.4GT/s x 2 Byte/T x 2 = 25.6GB/s)。而传统的FSB 1600MHz(换算成传输速率是1.6GT/s),其带宽为12.8GB/s(FSB 1600MHz x 8 Byte/T = 12.8GB/s)。
　　可以看到,QPI总线的传输速率是FSB 1600MHz的4倍多,虽然前者数据位宽较窄,但传输带宽仍然是后者的2倍。更高带宽的DDR3内存加上三通道技术的引入,FSB的传输带宽已经完全不能满足要求,成为系统瓶颈,因此全新的QPI总线引入势在必行。通过QPI总线,可以有效地降低了处理器和各个硬件之间数据传输的延迟,能有效地提高系统性能。
　　QPI总线可以用于CPU内部通讯,也可以用于CPU与主板北桥芯片组通讯,而Bloomfield Core i7正是利用QPI作为CPU内部通信以及CPU与北桥通信的通道,从上图也可以看到这点。但Lynnfield Core i5/i7,与主板芯片组通讯的是DMI(Direct Media Interface)总线,而DMI总线只有2GB/s的带宽,比QPI小得多,难道Lynnfield作了精简?
　　事实并非这样,前面也提到,Lynnfield Core i5/i7其实是把北桥也集成到CPU上,其内部仍是采用QPI总线来通讯,而外部与主板芯片组通讯,其实就是以往主板上南桥与北桥通讯,采用的是DMI总线。因此不能说Lynnfield Core i5/i7是精简了,只是集成度更高而已。
　　7区别
　　北桥芯片
　　一个主板上最重要的部分可以说就是主板的芯片组了,主板的芯片组一般由北桥芯片和南桥芯片组成,两者共同组成主板的芯片组。北桥芯片主要负责实现与CPU、内存、AGP接口之间的数据传输,同时还通过特定的数据通道和南桥芯片相连接。北桥芯片的封装模式最初使用BGA封装模式,到Intel的北桥芯片已经转变为FC-PGA封装模式,不过为AMD处理器设计的主板北桥芯片到依然还使用传统的BGA封装。
　　南桥芯片
　　相比北桥芯片来讲,南桥芯片主要负责和IDE设备、PCI设备、声音设备、网络设备以及其他的I/O设备的沟通,南桥芯片到目前为止还只能见到传统的BGA封装模式一种。另外,除了传统的南北桥芯片的分类方法外,还能够见到一体化的设计方案,这种方案经常在SiS的芯片组上见到,将南北桥芯片合为一块芯片,这种设计方案有着独到之处,不过到还没有广泛的推广开来。

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