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计算机原理--存储器和输入输出设备和总线

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总线也可以按照CPU内外来分类:

内部总线:在CPU内部,寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线称为片内部总线。

外部总线:通常所说的总线指片外部总线,是CPU与内存RAM、ROM和输入/输出设备接口之间进行通讯的通路,也称系统总线。

2.2 控制芯片

前面我面介绍了总线的分类,在我们的简单模型中。CPU通过总线和存储器之间直接进行通信。实际上在现代的计算机中,存在一个控制芯片的模块。CPU需要和存储器,I/O设备等进行交互,会有多种不同功能的控制芯片,我们称之为控制芯片组(Chipset)。

对于目前的计算机结构来说,控制芯片集成在主板上,典型的有南北桥结构和单芯片结构。与芯片相连接的总线可以分为前端总线(FSB)、存储总线、IQ总线,扩展总线等。 南北桥芯片结构:

北桥芯片,它控制着CPU的类型,主板的总线频率,内存控制器,显示核心等。它直接与CPU、内存、显卡、南桥相连,所以它数据量非常大;

前端总线:是将CPU连接到北桥芯片的总线。FSB的频率是指CPU和北桥之间的数据交换速度。速度越快,数据带宽越高,计算机性能越好;

内存总线:是将内存连接到北桥芯片的总线。用于和北桥之间的通信;

显卡总线:是将显卡连接到北桥芯片的总新。目前有AGP,PCI-E等接口。其实并没有显卡总线一说,一般认为属于I/O总线;

南桥芯片,它主要负责外部接口和内部CPU的联系;

I/O总线:连接外部I/O设备连接到南桥的总线, 比如USB设备,ATA,SATA设备,以及一些扩展接口; 扩展总线:主要是主板上提供的一些PCI,ISA等插槽;

单芯片结构: 单芯片组主要是是取消了北桥,因为现在CPU中内置了内存控制器,不需要再通过北桥来控制,这样就能提高内存控制器的频率,减少延迟。而现在一些CPU还集成了显示单元。也使得显示芯片的频率更高,延迟更低。

2.3 运行频率

数据带宽 = (总线频率*数据位宽)/ 8

2.3.1 外频

外频是建立在数字脉冲信号震动速度基础上的。它是CPU与系统总线以及其他外部设备共同运行的速度。我们知道计算机中有一个时序发生器来保证各个部件协同工作,而这里说的外频率就是这个时序发生器的频率。外频也是系统总线的工作频率。

2.3.2 频率和控制芯片

在计算机刚开始的时候,CPU和内存还有I/O设置是直接通过总线连接的而没有控制芯片。所有设备都同步的工作在同一个总线频率下。

但是随着CPU的发展,CPU速度越来越块。但受限于I/O设备。于是就出现了芯片。他使得I/O总线不在直接和CPU的系统总线相连。这样就有了2个不同频率的总线,这个芯片实际起到了一个降频的作用,也就相对于系统总线的分频技术。

但CPU速度发展相当快,CPU的速度已经高于内存运行的速度,于是引入了倍频的概念。CPU在不改变外频和系统总线频率的情况下运行在更高的频率。

发展到后来,就出现了北桥芯片,而CPU和北桥之前的总线称为了FSB总线,而内存与北桥之前称为内存总线。

2.3.2 分频和倍频

分频:使得I/O设备可以和较高的外频协同工作。比如AGP,PCI总线,运行频率在66MHZ和33MHZ,所以对于一个100MHZ的外频来说,采用2/3或1/3分频的方式就能使得CPU和外设同步的工作了。否则设备可能无法正常工作。

倍频: 为了提高CPU频率又正常的和内存进行工作,所以产生了倍频。所以对于CPU来说他实际的频率是外频*倍频。

2.3.3 FSB频率

前面我们现在已经知道CPU和北桥芯片连接是通过FSB。而FSB频率表示CPU和北桥芯片之间的工作速度。但是从前面我们就知道FSB的实际频率是和外频一样的。但是随着技术的发展,Intel的QDR技术和AMD的HT技术,使得CPU在一个时钟周期可以传送4次数据,所以对于FSB涞说虽然工作早外频的频率下,但是等效的频率是外频的4倍。所以我们说的FSB频率是等效频率,而不是实际的工作频率。随着技术的发展,Intel芯片的FSB有800MHz,1600HMz等等。但随着北桥芯片的消失,FSB的概率也慢慢远去。

2.3.4 内存频率

对于内存频率我们可以看到,一般包括了核心频率,总线频率和传输频率: 核心频率和外频类似,是建立在脉冲震荡信号上的。

总线频率就是指内存总线的工作频率。也就是内存和北桥芯片之间的工作频率。 而传输频率类似FSB,是指实际传输数据的频率。

对于SDR来说,它的3个频率是一致的。而DDR在一个时钟周期可以传送2次数据,所以它的传输频率是核心和总线频率的2倍。DDR2在DDR的基础上,采用了4bit预读,所以总线频率是核心频率的2倍,而DDR3采用了8bit预读,总线频率是核心频率的4倍。 DDR SDRAM Bus clock Internal rate Prefetch Standard DDR DDR2 DDR3

从下表我们就能看出。所以我们常说的DDR3 1600,DDR2 800指的是内存的传输频率。相同的技术还有显卡的AGP4X,8X,PCIE-8X,16X等技术。

(MHz)

(MHz)

Transfer Rate

Voltage

DIMM SO-DIMM MicroDIMM pins pins

pins 172 214 214

(min burst) (MT/s) 2n 4n 8n

200–400 400–1066 800–2133

100–200 100–200 200–533 100–266 400–1066 100–266

2.5/2.6 184 200 1.8 1.5

240 200 240 204

而随着FSB速度不断加快,内存的总线频率组建成为了瓶颈,于是出现了DDR双通道,双通道是指芯片拥有2个内存控制器,所以可以使得传输速率翻倍。

2.3.5 内存总线工作方式

因为内存总线频率不同,所以内存和CPU之间存在同步和异步两种工作方式。

同步方式:内存总线频率和CPU外频相同。比如以前的PC133和P3处理器,他们以同步的方式工作在133MHZ下。而当你超频时就需要拥有更高总线频率的内存。当然也需要北桥芯片的支持。

异步方式:内存总线频率和CPU外频不同。睡着CPU外频的提高,内存也必须更新,所以出现了异步的方式。比如P4 CPU外频为200MHz,而内存却可以使用DDR333来运行。同时异步方式也在超频时经常使用。一般来说会有一个内存异步比率。在BIOS中会有相应的选项。

从性能上来讲,同步方式的延迟要好于异步方式,这也是为什么以前会说P4 200外频的CPU要使用DDR400才能发挥最大功效。但这也不是绝对的。比如我的I5处理器CPU外频工作在100MHz,而我使用的DDR3-1600的总线频率在200MHz,虽然不同步,但是拥有更高的传输速率。所以不能一概而论。

2.3.6 QPI和HT总线技术

从前面我们知道了FSB对整个系统的性能影响很大,1600MHZ的FSB能提供的数据带宽也只有12.8GB/s,所以随着技术的发展,现在最新的计算机基本都采用了单芯片设计,北桥的功能被集成到了CPU内部。于是

我们前面说的FSB也就不存在了。对于Intel和AMD这2大芯片厂商,分别有自己的技术来提高CPU和存储器以及其他设备之间的传输速率,满足更高的计算要求。

QPI: Intel的QuickPath Interconnect技术缩写为QPI,译为快速通道互联。用来实现芯片之间的直接互联,而不是在通过FSB连接到北桥。早期20位宽的QPI连接其带宽可达惊人的每秒25.6GB,远非FSB可比。而随着技术发展,在高端安腾处理中峰值可以达到96GB/s。

HT:HyperTransport本质是一种为主板上的集成电路互连而设计的端到端总线技术,目的是加快芯片间的数据传输速度。HyperTransport技术在AMD平台上使用后,是指AMD CPU到主板芯片之间的连接总线(如果主板芯片组是南北桥架构,则指CPU到北桥)即HT总线。HT3.1理论上可以达到51.2GB/s。

除此之外,但芯片中的QPI和HT传输不需要经过北桥新片,在CPU内存除了集成内存控制器意外还可以集成PCI-E2.0的图形核心,使得集成显卡的核心频率和数据吞吐量大幅提高。

计算机原理--存储器和输入输出设备和总线

总线也可以按照CPU内外来分类:内部总线:在CPU内部,寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线称为片内部总线。外部总线:通常所说的总线指片外部总线,是CPU与内存RAM、ROM和输入/输出设备接口之间进行通讯的通路,也称系统总线。2.2控制芯片前面我面介绍
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