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1、笔记本硬件结构终极教程笔记本硬件结构终极教程下下 第第 1 1 页：页：BIOSBIOS ECEC 电源管理之间的关系电源管理之间的关系 所所开篇：今天是本系列教程的下篇，到今天工程师权威揭密系列的教程就告一段落 了。随后大家可以通过访问我们的专题页面来随时温故知新，下面一起来看下篇吧。 我们常会听到某些高手说“改一下 COMS 设置”云云，我们现在就来谈谈 BIOS（CMOS）。 BIOS（Basic Input/Output System，基本输入输出系统）在整个系统中的地位是非常 重要的，它实现了底层硬件和上层操作系统的桥梁。比如你现在从光盘拷贝一个文件到硬 盘，您只需知道“复制、粘贴”
2、的指令就行了，您不必知道它具体是如何从光盘读取，然 后如何写入硬盘。对于操作系统来说也只需要向 BIOS 发出指令即可，而不必知道光盘是如 何读，硬盘是如何写的。BIOS 构建了操作系统和底层硬件的桥梁。 而我们平时说的 BIOS 设定仅仅是谈到了其软件的设定，比如设置启动顺序、禁用/启 用一些功能等等。但这里有一个问题，在硬件上，BIOS 是如何实现的呢？毕竟，软件是运 行在硬件平台上的吧？这里我们不能不提的就是 EC。 这是日立 H8 的 DEMO 板和其宣传画WINBOND 的 ECEC（Embed Controller，嵌入式控制器）是一个 16 位单片机，它内部本身也有一定容 量的
3、Flash 来存储 EC 的代码。EC 在系统中的地位绝不次于南北桥，在系统开启的过程中， EC 控制着绝大多数重要信号的时序。在笔记本中，EC 是一直开着的，无论你是在开机或者 是关机状态，除非你把电池和 Adapter 完全卸除。 在关机状态下，EC 一直保持运行，并在等待用户的开机信息。而在开机后，EC 更作为 键盘控制器，充电指示灯以及风扇等设备的控制，它甚至控制着系统的待机、休眠等状态。 主流笔记本系统中，EC 在系统架构中的地位如下图： 现在的 EC 有两种架构，上图左边是比较传统的，即 BIOS 的 FLASH 通过 X-BUS 接到 EC，然后 EC 通过 LPC 接到南桥，一
4、般这种情况下 EC 的代码也是放在 FLASH 中的，也就是 和 BIOS 共用一个 FLASH。右边的则是比较新的架构，EC 和 FLASH 共同接到 LPC 总线上，一 般它只使用 EC 内部的 ROM。至于 LPC 总线，它是 INTEL 当初为了取代低速落后的 X-BUS 而推出的总线标准。 EC 上一般都含有键盘控制器，所以也称 KBC(Keyboard Controller)。 那 EC 和 BIOS 在系统中的工作到底有什么牵连呢？在这里我们先简单的分析一下，具 体的过程在本文的最后会详细介绍。 在系统关机的时候，只有 RTC 部分和 EC 部分在运行。RTC 部分维持着计算机的
5、时钟和 CMOS 设置信息，而 EC 则在等待用户按开机键。在检测到用户按开机键后，EC 会通知整个 系统把电源打开（这部分在最后详细介绍）。CPU 被 RESET 后，会去读 BIOS 内一个特定地 址内的指令（其实是一个跳转指令，这个地址是由 CPU 硬件设定的）。 这里开始分两种情况，对于上图左边的结构：CPU 发出的这个地址通过 FSB 到北桥， 然后通过 HUB-LINK 到南桥，通过 LPC 到 EC，再通过 X-BUS 一直到达 BIOS。在 CPU 读到所 发出的地址内的指令后，执行它被 RESET 后的第一个指令。在这个系统中，EC 起到了桥接 BIOS 和南桥（或者说整个系
6、统）的作用。 对于上图右边的结构：在这地址南桥后，会直接通过 LPC 到 BIOS，不需要 EC 的桥接。这里需要说明的是，对于台式机而言，一般是不需要 EC 的。这里原因有很多：比如台 式机本身的 ATX 电源就具有一定的智能功能，他已经能受操作系统控制来实现待机、休眠 的状态；其次由于笔记本的键盘不能直接接到 PS/2 接口，而必须接到 EC 之上；还有就是 笔记本有更多的小功能，比如充电指示灯、WIFI 指示灯、Fn 等很多特殊的功能，而且笔记 本必须支持电池的充放电等功能，而智能充放电则需要 EC 的支持；另外，笔记本 TFT 屏幕 的开关时序也必须由 EC 控制。这些原因导致了笔记本
7、使用 EC 来做内部管理的必要性。 总体来说，EC 和 BIOS 都处于机器的最底层。EC 是一个单独的处理器，在开机前和开 机过程中对整个系统起着全局的管理。而 BIOS 是在等 EC 把内部的物理环境初始化后才开 始运行的。 看到这里，我想大家也明白 EC 到底是呵方神圣。如果说 BIOS 是底层系统的话，那 EC 似乎更加底层。 在南桥上还有一个功能块就是电源管理单元（PM，Power Management）。 一般来说，他和 EC 来共同配合完成。这里包括从开机（power button）键按下后，启 动，待机，休眠，关机的全部功能。还包括对背光亮度，声音等的控制等等。 至于现在 In
8、tel 的 Speed Step 技术，也有部分功能是透过南桥来实现的（南桥发送 SLP、STPCLK（sleep，Stop Clock）来实现睡眠、深睡眠等）。 这部分的设计比较简单，只需要点到点的连接南桥和 CPU 即可。 第第 2 2 页：页：PCIPCI 设备：网卡设备：网卡 13941394 的不同接法的不同接法 在台式机上，我们常听到关于集成网卡这个说法。而对于笔记本来说，网卡一般都是 集成在主板上的，进入 PIII 时代以后，就没有无内建网卡的机器了。对于笔记本网卡来说 （不考虑 PCMCIA 的网卡哦），一般有两种接法。 首先我们把网卡分成两个部分。学过网络技术的读者可能都很清
9、楚，现在的 LAN 都属 于 802.3 的协议。而这个协议的物理实现却并非那么简单，需要分成两个部分。一部分是 MAC 控制层（Media Access Controller 媒体接入控制器），作用是根据 802.3 协议来做 运算（采用 CSMA/CD 算法），另一部分是物理连接层（PHY）作用是根据 MAC 的算法得出的 处理结果，接收和发送数据。 首先我们谈第一种，走 PCI 总线的网卡。如果这样接的话跟台式机的网卡唯一的区别 就是把台式机的 PCI 网卡直接做到主板上。这颗走 PCI 的网卡芯片内部整合了 MAC 和 PHY 功能。实际使用中，高档一些的笔记本会采用 INTEL 的网
10、卡，低档一些的就会用 REALTLK 或者 VIA 的芯片。当然，INTEL 网卡的传输效率确实也比较高。 上图蓝色框内的就是 PCI 的网卡（REALTLK8100C）第二种则是“真正集成”的网卡，MAC 层部分被做到了南桥里面，然后需要用一个外 围电路（PHY）来配合南桥里的 MAC 来实现网卡的功能。 如图，南桥内部的网卡 MAC 输出一组信号线（称为 MII 总线），连接 PHY（上图中的 Intel 82562ET），然后引出 RX+-和 TX+-两对差分线，透过 Transformer 来控制 EMI，然 后输出到 RJ45 接口即刻。这里的 Transformer 的结构跟中篇里
11、的 USB 的共模电感相似，作 用也相似。上面的 REALTLK8100C 的那张图中，红色框内就是 Transformer。经过 Transformer 的信号线必须以最短的距离接到 RJ45 接口上以减少干扰，所以它离和 RJ45 的距离是必须被严格控制的。 INTEL 的网卡 PHY（82562ET）那么 MAC 地址是什么呢？MAC 地址是区别网络设备的唯一物理标志，理论上，世界上 任何一个网络设备的 MAC 应该都是不同的。那么网卡的 MAC 地址到底放在哪里呢？ 对于走 PCI 总线的网卡，一般会在网卡上挂一个小小的的 E2PROM 来存储，里面烧有 MAC 地址以及一些厂商信息。
12、而对于用 PHY 来连接的网卡，会把 MAC 地址信息放在挂在南 桥上的 E2PROM（因为网卡的 MAC 控制器在南桥）。 上图中黄色框内的 U6 就是 E2PROM，用来记录网卡的 MAC 地址而 1394 和网卡的构建形式差不多，也是由 MAC 控制器和 PHY 来构成。其原理和布线准 则也和网卡类似，笔者就不多费笔墨了。 第第 3 3 页：页：PCIPCI 设备：设备：PCMCIA,PCMCIA, MiniMini PCIPCI 1989 年由 200 多家公司确立了 PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Associat
13、ion)标准，最初只是用来扩展内存，91 年后随着 I/O 设备扩展需 求，多种设备都被做成了 PCMCIA 接口，PCMCIA 成为了笔记本最重要的扩展插槽。PCMCIA 的成长史几乎是整个笔记本电脑产业的成长史。那 PCMCIA 到底是如何实现的呢？ 实际上，PCMCIA 的实现方法并不复杂，把南桥的 PCI 总线拉到 PCMCIA 控制器，然后 从 PCMCIA 控制器就能输出 Cardbus，接上标准的 PCMCIA 接口就可以了。 下图就是 PCMCIA 的框图： 实际上在设计的时候，CardBus Controller 的设计厂商都已经对其开发作好了一整套 的外围电路，OEM 厂商
14、只需要简单的按标准电路做简单的修改即可（比如一些降低成本的 动作）。一般来说，CardBus Controller 有 TI，RICHO，ENE 等几家可以选择。 如图是 IBM R40 采用的 TI 的芯片 PCI 1510 控制器和 NEC 的某款产品，采用理光 R5C551 的 CardBus 控制器。 对 CardBus 一些其他分析可参考权威揭密 从成本分析看低价笔记本猫腻一文， http:/ 至于 mini PCI 则更加简单了，只需把南桥的 PCI 总线点到点的接到 mini PCI 的接口 上即可。顺便说一句，mini PCI 和台式机上的 PCI 的物理定义是一致的，不同的仅
15、仅是插 槽不一致而已。 我们见到过为了台式机上为了使用 Mini PCI 接口的无线网卡而出现的转接卡： 我们看到，这样的转接板也是非常的简单，除了一些用以稳压用的元器件外没有任何 用以信号转换的芯片。这也从侧面说明了 Mini PCI 只是 PCI 的翻版。 第第 4 4 页：笔记本也可以超频么？页：笔记本也可以超频么？ 所有的数字电路都需要依靠时钟信号来使组件的运作同步，每单位时间内电路可运作 的次数取决于时钟的频率，因此时钟运作的频率即被大家视为系统运作的性能指针。在笔 记本的内部，时钟都是由一颗 Clock Generator 来产生的。 上图中，大颗的是 Clock Generato
16、r，小颗的是 14.318Mhz 的晶振一般来说这颗 IC 自身采用 14.318Mhz 的晶振来产生部分需要的频率。系统的各部分频 率分别是：CPU-100M，南桥/北桥- 66M， AC97-14M，LAN-25M，PCI CLK-66M，USB-48M 等 等。南桥由于设备的多样性，可能同时需要 66/14/48/33 等频率，这主要看各种南桥的 Specification（规格）和你采用的功能来决定（比如你需要加一个 Super I/O 来增加一个 红外口，那么你需要加一组 14.318Mhz 频率来提供给 Super I/O）。 如果我们仔细研究一下这颗时钟芯片的规格书，我们会发现，控制其输出频率高低的 有三个 PIN，通过这三个 PIN 的高低电平，我们可以获得不同的频率输出。 我们举个例子，ICS954226 这颗芯片是为 P4-M 和 P-M 系统设计的时钟芯片，它的 PIN 图如下： 其中红色框内的就是可以用来调整系统时钟频率的跳线，具体的对应表如下图： 红色框内是 P
