电脑的所有硬件都要连接到主板上,如果主板不好,其他硬件再好也不能发挥应有的性能,作为#电脑硬件系列的第5篇,今天科普一下主板的一些基础知识。
主板厂商会找CPU厂商购买芯片组(包括南桥芯片组、BIOS芯片组、CMOS芯片组等),CPU只有Intel和AMD这两家,两家的芯片组不同,所以AMD的CPU不能插到Intel芯片组的主板上。主板的型号名称,是根据芯片组的名称来命名的,今天只介绍Intel系列。
1.主板布线
电脑上的设备都会直接或间接的和CPU进行通信,但不能把所有设备都直接连接到CPU吧?因为这会对主板布线的设计带来难度,并且提高成本。
和CPU直连的有内存、高要求的PCIE插槽(显卡)、HDMI/DP视频输出接口(连接CPU核显),有些M.2接口也会和CPU直连;其他的设备(网卡接口、音频接口、SATA接口、M.2接口、USB接口、其他PCIE接口)不和CPU直连,这些设备通通连接到南桥芯片组,然后南桥芯片组通过PCIE总线(DMI总线)连接到CPU,所以在芯片组里面,最重要的就是南桥芯片组了。
我前面介绍固态硬盘时介绍了PCIE总线,它的传输速度快,其中CPU和显卡、M.2接口都是通过PCIE总线直连的(有的M.2和南桥连接)。CPU和内存之间是通过内存总线。我画了一个布线示意图,可以参考下图。
2.主板芯片组
根据芯片组名称划分,按照高低端排列主要有X、Z、B、H四个系列。最近几年的常见的有:Z790、B760;Z690、B660、H610。目前主流的是B760/B660。如果只从功能上看,低端和高端的区别在哪呢?具体的区别可以详见下表:
对上述表格做一个简要的介绍。区别主要在于:提供的接口是否足够丰富(上图中的各种接口和插槽数量)?是否支持CPU超频/内存超频?直连CPU的PCIE通道有哪些?PCIE总线是3.0还是4.0抑或是5.0版本?芯片组扩展出的PCIE通道数量有多少?......
直连CPU的PCIE通道:Z790/Z690支持16条PCIE5.0通道(PCIE5.0×16)和4条PCIE4.0通道,16条的这个通道支持拆分成2个PCIE5.0×8;B760/B660支持的通道数一样,但不支持拆分。
拆分可以这么理解:假设某主板两个PCIE插槽都直连CPU,只安装一个显卡时,CPU分配给它的就是PCIE5.0×16;如果插双显卡,则各自分一个PCIE5.0×8,有双显卡需求的就要考虑这种具有拆分能力的芯片组了。(一个PCIE插槽+一个M.2插槽同理)
Z790/Z690/B760/B660都给了M.2接口4条PCIE4.0通道,H610则无。
DMI总线的带宽:Z790/Z690的DMI总线支持PCIE4.0×8;而B760/B660/H610的DMI总线仅支持PCIE4.0×4,所以Z790/Z690的带宽更大,扩展能力就更强。不了解带宽的可以参考文章:PCIE总线。
芯片组的扩展能力:Z790最多支持20条PCIE4.0通道(或8条PCIE3.0通道);Z690最多支持12条PCIE4.0通道(或16条PCIE3.0通道);B760最多支持10条PCIE4.0通道(或4条PCIE3.0通道);B660最多支持6条PCIE4.0通道(或8条PCIE3.0通道)。
上面只是说这些芯片组具备上述能力,但不代表主板制造商会把所有功能都提出出来,比如芯片组扩展能力都不错,可以提供好多个M.2接口,但是主板就给你提供一个。这样人为的区分高中低端。
在看主板的时候,需要根据自己的需求看一下这些接口是否够用,例如Z系列主板给的M.2插槽较多5个左右、B系列2个起步、H系列1-2个,选择主板时就要根据自己固态硬盘数量选择了。其他的还有PCIE插槽数量、内存插槽数量、有线网卡(千兆、万兆)、是否支持无线网卡;还要看一下PCIE总线,比如M.2接口走的是PCIE3.0通道,那么安装支持PCIE4.0的固态硬盘就浪费了;除此之外就是上表中剩余的参数了。
3.主板大小
功能越多的主板往往做的越大。按照大小分为EATX(主要用于服务器)、ATX、MATX、阉割的MATX、mini-ITX。
ATX、MATX是最常见的板型。因为高端芯片组接口多,一般用ATX(大板),中低端芯片组通常用于MATX(中板)。
mini-ITX是一种最小的版型(小板),高/中/低端芯片组都会用到,像这种紧凑式的设计,技术要求也比较高,这种主板用在迷你主机上。
4.主板供电
衡量主板性能最重要的一个参数就是「供电」。供电不好,其他一切都是白搭。
电源给主板供电,然后主板给各种设备供电,由于各类设备所需的电压都是不同的,所以主板起到了变压、稳流的作用。主板供电包括CPU核心供电、核显供电、IO供电、外围供电。由于CPU供电最为重要,我们介绍一下CPU的供电(其他类似)。
如下图所示,电源12V电压过来后→电感/电容→MOSFET→电感/电容→CPU,降压到1~1.5V左右,这就是一个BUCK电路。
多相供电中的“一相”
由中学物理知识可知,在电路中,开关闭合/断开,电容可以充放电,电感产生自感电动势,在它们充放电的过程中可以给下游设备供电,通过控制充放电的时间进而控制电压,起到升降压的作用。所以,Buck电路中,「电感」用来储能续流,「电容」用来滤波稳压,它们的品质直接影响了电路的供电性能。那么开关是什么?
「MOSFET」是一个半导体,分为上桥MOS和下桥MOS,这两个晶体管都可以闭合、断开(即开关),上桥闭合充电,下桥闭合放电,上下桥轮流休息。「PWM」控制它们导通的顺序和频率(通过MOS驱动),从而起到降压的作用。控制开关好理解,为什么还能降压呢?根据公式:输出电压Vout=输入电压Vin × D,其中D是PWM的占空比,D就是下图中的这个波形图峰值的时间与总时间的比值(即导通的时间÷总时间)。D<1,所以电压就降下来了。
最后再经过电感电容进行稳压稳流、滤波,就得到了一个比较稳定平滑的输出电压Vcore送给CPU,这就是一相供电。看下图,一相供电(以橘黄色为例)的话,波动会比较大,一会高一会低的,这哪受得了?而下图4相一起供电,输出的波形就会比较稳(浅绿色部分)。
此外,考虑到一相供电的承受力、散热等因素,通常一相供电不会做太大,都采用多相供电。比如一相供电输出30A电流,四相就可以达到120A。因此,主板是几相供电非常重要,不同的PWM控制器支持的相数也不同,一般可以首先在说明书中看一下PWM控制器支持的最大支持的供电相数(决定了供电的上限)。
理论介绍完了,下面结合具体的示例,解释一下:直出供电、并联供电、倍相供电,这几种情况下怎么数供电相数。一般都是a+b相供电,a指的是CPU核心供电,b指的是核显供电。
直出供电:
一般是MOS+1个电感。所以通常通过数电感的个数来判断供电相数。上下桥MOS通常有:1上1下、1上2下、2上2下。下图每一相:1个上桥+2个下桥+1个电感;右上方的两相,与其他4相不同,这两个是核显供电。所以它是4+2相供电。
有的主板把外围供电和CPU核心供电放到一起,IO供电放到CPU下面。看起来电感挺多,但下图只是6相CPU核心供电+1相核显供电。这种布局,华硕/微星等很多主板商都爱干这事
有的MOSFET采用了一体化的设计,上下桥都集成到了一起叫做DrMOS。如下图,12相CPU核心供电。
还有少数主板没有核显供电...
并联供电:
下图中看到,每一相CPU核心供电中,有2个电感,这就是并联供电。它其实只有4相CPU核心供电,这时数电感个数就不行了。每一相2个电感并不能增加供电能力,但可以分担压力提高相应速度,但是散热可能会大一些。中高端主板一般都会有散热片。并联供电在高中低端主板中都有应用,中低端用的较多。
倍相供电:
在PWM和MOSFET之间加了一个倍相器。相数可以翻倍的意思。一般用在高端主板上。倍相器一般在主板的背面,PWM传过来的信号分成两路,轮流导通,1相变2相。即,一般情况下1个倍相器+2个DrMOS+每个DrMOS连接1个电感。
下图为6*2相CPU核心供电+1相核显供电。红框内的两路,是轮流导通的,所以是真实的2相供电。和上文介绍的并联供电有所不同,并联的两路是同时工作,只是起到分担电压等作用,所以并联本质上还是1相供电。
假如倍相后是12相(6×2),则不如12相直出供电好,但直出供电成本也会更高。
供电相数多一定好吗?大致上是这样的,但也取决于上面提到的各种元器件的性能,如果每一相能提供的电流比较小,相数多也未必整体性能就一定好。
主板供电如果要看的准确,还得看PWM控制器的说明书,直接肉眼看主板上元器件的布局,有时候难以辨别。
最后
主板非常复杂,今天这篇文章大部分基础知识已经介绍完了,文字已经超过3000字,但是理论偏多,实际结合的较少,今天这篇再写下去就要七八千字了,所以还有下一篇。不过掌握了今天原理的介绍,网上的各种测评就不至于看不懂啦
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