主板的工作原理

作者: Tracy V. WilsonChris Pollette  | 
computer motherboard
主板允许计算机中的所有组件相互“交流”。 Andrew Brookes/Getty Images

如果你曾拆开过一台电脑,你会看到将所有东西连接在一起的那个设备——主板。主板是中央电路板,包含组件和连接器,使电脑的所有部件都能获得电力并相互通信。它有时也被称为主板、主电路板或底板。主板通常拥有各种内置功能,直接影响计算机的功能和升级潜力。

主板当然不是一项新发明。在个人电脑革命之前,大型机中就已经出现了主板。第一批PC主板实际承载的组件很少。第一块IBM PC主板只有处理器和卡槽。用户将软盘驱动器控制器和内存等组件插入这些插槽。康柏是第一家使用非IBM设计主板的公司。这种新设计使用了英特尔的处理器。尽管业内有些人认为这是一场赌博,但当康柏的销量飙升时,其他公司也纷纷效仿。

广告

到20世纪90年代,英特尔控制了大约40%的PC主板市场。如今,最大的参与者是华硕、技嘉科技和微星(MSI)。华硕是全球最大的主板制造商,控制着大约13%的市场份额。英特尔仍然位列主板制造商前十名。

在本文中,我们将探讨主板的一般组件。然后,我们将详细研究显著影响计算机功能的五个要点。

板型

modern motherboard
现代主板示意图。 Outline2Design/十万个为什么

主板的主要作用是承载计算机的微处理器芯片,并使计算机的其他部件能够连接到它。所有运行计算机或提升其性能的组件要么是主板的一部分,要么通过插槽或端口连接到主板上。

主板的形状和布局称为其板型。板型决定了各个组件的安装位置和计算机机箱的形状。大多数PC主板都采用几种特定的板型,以便它们都能安装到标准机箱中。

广告

板型只是适用于主板的众多标准之一。以下是一些其他标准:

  • 微处理器插槽决定了主板可以使用哪种中央处理器(CPU)。
  • 芯片组是主板逻辑系统的一部分,通常由两部分组成——北桥和南桥。这两个“桥”将CPU连接到计算机的其他部分。
  • 基本输入/输出系统(BIOS)控制着计算机最基本的功能,并在每次开机时执行自检。一些系统具有双BIOS功能,提供备份以防其中一个故障或在更新过程中出错。
  • 实时时钟芯片是一种电池供电芯片,用于维护基本设置和系统时间。

主板上的插槽和端口包括:

板型是适用于主板的众多标准之一。
图片由消费者指南产品提供

一些主板集成了新的技术进步:

  • 独立磁盘冗余阵列(RAID)控制器允许计算机将多个驱动器识别为一个驱动器。
  • PCI Express是一种较新的协议,其运作方式更像网络而非总线(连接主板不同部分的电路)。它可以消除对其他端口的需求,包括AGP端口。
  • 一些主板不再依赖插入式扩展卡,而是集成板载声卡、网卡、显卡或其他外设支持。

许多人认为CPU是计算机最重要的部件之一。下一节我们将探讨它如何影响计算机的其他部分。

插槽和CPU

motherboard with CPU sockets
带有蓝色CPU插槽的电脑主板。 stockphoto-graf/Shutterstock

当许多人想到计算机的速度和性能时,首先想到的就是CPU。处理器越快,计算机运行速度就越快。制造商使用标准引脚组将CPU连接到主板,这被称为针栅阵列(PGA)。不同的引脚和插槽布局是进一步研发的结果,旨在最大限度地发挥处理器的性能。

CPU制造商使用了各种PGA。主板插槽布局通常以PGA中的引脚数量命名。架构变化频繁,但以下是一些示例:

广告

  • Socket 7 — 适用于20世纪90年代中期的英特尔处理器,尽管竞争对手也采用了这种架构
  • Socket 478 — 适用于较旧的奔腾和赛扬处理器
  • Socket 754 — 适用于AMD闪龙和部分AMD速龙处理器
  • Socket 939 — 适用于更新更快的AMD速龙处理器

较新的英特尔CPU使用LGA,LGA是“Land Grid Array”的缩写。LGA与PGA不同之处在于引脚是插槽的一部分,而非CPU的一部分。LGA也有特定的配置,例如:

  • LGA 1200 — 适用于英特尔2020年发布的第10代处理器
  • LGA 3647 — 适用于至强和Skylake处理器
  • LGA 775,又称Socket T — 一种经典的英特尔布局,用于奔腾4和一些后续世代处理器

任何打算组装配备特定CPU的PC的人,都应根据该CPU选择主板。例如,如果你想使用英特尔或AMD制造的最新多核芯片之一,你需要选择带有适合这些芯片的正确插槽的主板。

CPU通过芯片组与主板的其他元件通信。接下来我们将更详细地探讨芯片组。

芯片组

芯片组是连接微处理器与主板其余部分,进而连接到计算机其余部分的“粘合剂”。在较旧的PC上,它由两个基本部分组成——北桥南桥。计算机的所有各种组件都通过芯片组与CPU通信。

北桥通过前端总线(FSB)直接连接到处理器。位于北桥上的内存控制器使CPU能够快速访问内存。北桥还连接到AGP或PCI Express总线以及内存本身。

广告

南桥比北桥慢,来自CPU的信息必须先通过北桥才能到达南桥。其他总线将南桥连接到PCI总线、USB端口以及IDE或SATA硬盘连接。

在21世纪初,英特尔处理器开始使用英特尔集线器架构(IHA)。它也可能被称为加速集线器架构(AHA)。这种新架构使用自己的总线,并在此过程中完全放弃了PCI。IHA芯片没有北桥或南桥。相反,它们拥有图形与AGP内存控制器集线器(GMCH)和I/O(输入/输出)控制器集线器(ICH)。

GMCH扮演着与北桥类似的角色,处理内存和图形。ICH接管了南桥的工作。

芯片组选择和CPU选择是相辅相成的,因为制造商会优化芯片组以与特定CPU配合使用。芯片组是主板的集成部分,因此无法移除或升级。这意味着主板的插槽不仅要与CPU匹配,主板的芯片组也必须与CPU最佳配合。

接下来,我们将探讨总线,它与芯片组一样,负责传输信息。

总线速度

总线将主板的不同部分相互连接。
十万个为什么

总线是连接主板不同部分的电路。它一次能处理的数据越多,信息传输的速度就越快。总线的速度指的是同时有多少数据可以通过总线。

在使用PCIe的新型主板中,你可能会看到带宽以“通道数”来描述,这些通道就像街道上的车道一样。每个通道有两对电线,一对用于接收信息,另一对用于传输信息。然而,与城市街道不同的是,这些通道位于总线内部。每个设备需要足够的通道来管理其所需的吞吐量。如果你正在组装一台配备强大显卡的高端游戏机,你会需要更多的通道,但对于一台简单的日常工作电脑来说,你可能不需要那么多。

广告

总线速度通常指的是前端总线(FSB)的速度,它连接CPU到北桥。FSB速度范围从66 MHz到超过800 MHz。由于CPU通过北桥到达内存控制器,FSB速度可以显著影响计算机的性能。

以下是主板上发现的一些其他总线:

  • 后端总线将CPU与二级(L2)缓存连接起来,二级缓存也称为辅助缓存或外部缓存。处理器决定了后端总线的速度。
  • 内存总线连接北桥到内存。
  • IDEATA总线连接南桥到磁盘驱动器。
  • AGP总线连接显卡到内存和CPU。AGP总线的速度通常为66 MHz。
  • PCI总线连接PCI插槽到南桥。在大多数系统中,PCI总线的速度为33 MHz。与PCI兼容的还有PCI Express,它比PCI快得多,但仍与当前的软件和操作系统兼容。PCI Express很可能取代PCI和AGP总线。

计算机的总线速度越快,其运行速度也越快——但有一定限度。快速的总线速度无法弥补慢速的处理器或芯片组。

现在让我们看看内存及其如何影响主板的速度。

内存及其他功能

DDR DIMM RAM
DDR DIMM RAM内存模块特写。 nikkytok/Shutterstock

我们已经确定处理器本身的速度控制着计算机的工作速度。芯片组和总线的速度控制着计算机与其他部件通信的速度。RAM连接的速度直接控制着计算机访问指令和数据的速度,因此对系统性能有很大影响。高速处理器如果搭配慢速内存,性能将大打折扣。

可用内存的大小也决定了计算机可以随时处理的数据量。RAM构成了计算机内存的主体。一般经验法则是,计算机的RAM越多越好。

广告

目前市面上的大多数内存都是双倍数据速率(DDR)内存。这意味着内存每个周期可以传输两次数据而不是一次,从而提高了内存速度。此外,大多数主板都有多个内存芯片插槽,在较新的主板上,它们通常通过双总线而不是单总线连接到北桥。这进一步减少了处理器从内存中获取信息所需的时间。

在主板发展的早期,除了处理器之外,几乎所有东西都以插卡形式连接到主板上。现在,主板集成了各种板载配件,例如局域网支持、视频、音频支持和RAID控制器。

具备所有内置功能的主板既方便又易于安装。有些主板具备构建一台完整计算机所需的一切——你只需将主板插入机箱,然后连接硬盘和电源即可。这样,你就可以在一块板子上拥有一个完全可用的计算机。

对于许多普通用户来说,这些内置功能提供了充足的视频和音频支持。然而,对于狂热的游戏玩家以及从事高强度图形或计算机辅助设计(CAD)工作的人来说,独立的显卡能提供更好的性能。