主板硬件基础-主板架构

 主板架构是指主板各个部件之间的连接及隶属关系。

每个主板设计时都有一个架构图，从架构图可以明确看出主板的结构及CPU和桥对各个设备的管理以及资源分配。

不同芯片组的主板架构都不同。

接下来详细讲解主板架构图

这是完整的主板架构图

从架构图可以看到，主板上的接口资源都是从CPU和PCH（桥）出来的，CPU负责高速信号，桥负责没那么高速的信号。桥也是一个拓展资源的芯片。

CPU和桥之间是用总线连接的，在AMD平台，CPU和桥是用PCIE总线连接起来的。

先来讲一下CPU部分的架构。

CPU主要负责提供内存DDR5、HDMI\DP\VGA、PCIE（G4\G5）、USB等高速信号。

PCIE(G4)

PCIE(G4)_X16槽连接到CPU内部的PCIE控制器的PCIE[15;0]这16个引脚，X16就代表这个PCIE槽的总线宽度是X16的，除了X16外，还有X4\X1的PCIE槽。（G4）代表这个PCIE槽最高支持PCIE 4.0标准所规定的速度。显卡一般都是插在这个槽上面的。当然也兼容其他的PCIE设备，。

M.2_1

主板上的M.2是一种高速接口标准，主要用于连接小型化的存储设备（如固态硬盘 SSD）和无线网卡等扩展模块，具有体积小、速度快、兼容性强等特点，是目前主流主板的常见配置。

M.2 接口支持多种协议，如SATA协议、PCIE协议。这个架构图中用的是PCIE协议，宽度是X4的。M.2槽连接到CPU的PCIE[19:16]这四个引脚上。

HDMI2.1

HDMI是显示接口。支持HDMI接口的显示器都能用这样的接口。不支持的就不能用。

2.1是HDMI的版本，2.1版本最大传输速率（带宽）为 48Gbps。

各个版本的HDMI速率对比如下表

HDMI 版本	最大传输速率	主要支持能力
HDMI 1.4	10.2Gbps	4K@30Hz、1080P@120Hz
HDMI 2.0	18Gbps	4K@60Hz、HDR10（有限支持）
HDMI 2.1	48Gbps	8K@60Hz、4K@120Hz、DSC、VRR 等

DP1.4

DP也是显示接口。支持DP接口的显示器才能使用这个接口。

1.4是DP的版本，DP1.4 的速率为 32.4Gbps

DisplayPort（DP）接口有多个版本，不同版本的速率有所不同，具体如下：

• DP 1.0：最大传输速度为 10.8Gbps，支持 8.64Gbps 的最大数据传输速率。因带宽有限，目前已很少使用。
• DP 1.1：在 DP 1.0 基础上进行了升级，速率有所提升，具体数值官方未明确给出新的标准，通常认为和 DP 1.0 差异不大，但其增加了音频传输功能，提高了传输距离和分辨率。
• DP 1.2：最大传输速度提升至 21.6Gbps，支持多种高分辨率输出，如 4K 分辨率（3840×2160）和 60Hz 刷新率。
• DP 1.3：最大传输速度为 27Gbps。该版本引入了新的色彩空间和动态 HDR 技术，同时支持多个视频输出和音频流传输。
• DP 1.4：最大传输速度达到 32.4Gbps，其中用于传输视频信号的带宽为 25.92Gbps。支持 8K 分辨率（7680×4320）和 60Hz 刷新率，但通常需使用显示流压缩（DSC）技术。
• DP 2.0：最大传输速度提升至 80Gbps，支持多种高分辨率输出，如 8K 分辨率（7680×4320）和 120Hz 刷新率。
• DP 2.1：最大传输速度约为 77.37Gbps，主要增强了与 USB4 的互操作性，改进了 DSC 和面板回放功能，提升了线缆兼容性和稳定性。

VGA

VGA也是显示接口。

AM5 CPU 不直接提供 VGA 接口，而通过 RTD2166 芯片转接，原因在于：VGA 属老旧模拟接口，需求减少；集成会占用 CPU 芯片面积，影响性能与功耗；外部转接可让 CPU 专注核心功能，也方便主板厂商按需灵活配置，兼顾少量用户的兼容需求。

下表是三种显示接口的对比

对比项	VGA	HDMI（2.1）	DisplayPort（DP 1.4）
信号类型	模拟信号	数字信号	数字信号
最大带宽	约 2.25Gbps（极低）	48Gbps	32.4Gbps
分辨率 + 刷新率	最高 1080P@60Hz（极限）	8K@60Hz、4K@120Hz	8K@60Hz（需 DSC）、4K@240Hz
音频支持	不支持	支持（多声道、无损）	支持（32 声道等）
附加功能	无	VRR、ALLM	VRR、HDR、DSC、多屏拼接
接口形态	15 针 D-sub（粗大）	扁平（标准 / 迷你）	扁平（标准 / 迷你 / USB-C）
主要应用场景	老旧设备（CRT、旧投影仪）	电视、游戏机、家用影音	电脑显示器、专业显卡、多屏办公

ALC897(Audio)

是音频接口。

主板上的音频接口是连接音频设备（如耳机、音箱、麦克风等）的关键接口，通常集中在主板后部的 I/O 面板，部分主板也会在正面提供前置音频接口（需通过机箱连接线与主板连接）。以下是常见的主板音频接口及其功能：

1. 3.5mm 模拟音频接口（最常见）

通过颜色和标识区分功能，遵循 AC'97 或 HD Audio 规范，常见颜色定义如下：

• 浅绿色：音频输出（Line Out）
  连接耳机、有源音箱等音频输出设备，是最常用的接口。
• 粉红色：麦克风输入（Mic In）
  连接麦克风，用于语音输入（如聊天、录音）。
• 浅蓝色：线路输入（Line In）
  连接外部音频设备（如 CD 播放器、录音机）的输出信号，将外部声音录入电脑。
• 橙色：中置 / 低音炮输出
  多声道音频系统中，用于连接中置音箱和低音炮（5.1/7.1 声道配置）。
• 黑色：后置环绕声道输出
  多声道系统中连接后置环绕音箱。
• 灰色：侧置环绕声道输出
  7.1 声道系统中额外的侧置环绕音箱接口。

2. S/PDIF 接口（数字音频接口）

分为光纤和同轴两种，传输数字音频信号，避免模拟信号的干扰，音质更纯净：

• S/PDIF 光纤：方形接口，通过光纤线连接支持光纤输入的音响、功放等设备。
• S/PDIF 同轴：圆形接口（类似 RCA 接口），通过同轴电缆传输数字信号。

3. 前置音频接口（机箱面板）

主板上通常有一组插针（如 HD Audio 接口），通过机箱内部线缆连接到机箱正面的 3.5mm 接口，方便临时插拔耳机 / 麦克风，功能与后置浅绿色和粉红色接口一致。

DDR5

是第五代双倍数据率内存技术，全称为 DDR5 SDRAM。相比 DDR4，它在速度、容量、功耗等方面都有显著提升，以下是具体介绍：

• 速度性能：DDR5 的起始速度为 4800MT/s，而 DDR4 的最高速度为 3200MT/s，带宽增长 50%。其计划将标准速度提升至 8800MT/s 甚至更高，能为计算机提供更快的数据传输能力，提升系统运行速度和程序加载速度。
• 功耗：DDR5 采用 1.1V 电压，比 DDR4 的 1.2V 电压降低了约 20%，可延长笔记本电脑等设备的电池续航时间，同时也有助于减少散热压力。
• 电源管理：DDR5 模块将 PMIC 电源管理芯片集成到内存的 PCB 板上，服务器级模组采用 12V 电源，PC 级模组采用 5V 电源。这有助于实现更好的功率分布、提高信号完整性并减少噪音，减轻了主板电源管理的负担。
• 内存容量：DDR5 单颗粒密度更高，单颗粒可达 16GB 容量，而 DDR4 单颗粒只有 4GB 容量，因此 DDR5 内存可实现更大的容量，单条内存容量最高可达 128GB，能更好地满足高内存需求的应用场景。
• 数据通道：DDR5 将内存模组分成两个独立的 32 位可寻址子通道，数据带宽仍是 64 位，但这种设计可提高内存控制器数据访问的效率并减少延迟。对于服务器级内存，每个子通道还可添加 8 位用于 ECC 支持，最终达到每个子通道 40 位。
• 纠错功能：DDR5 新增了 ECC 纠错功能，可纠正内存内部运行中通信上的错误，降低蓝屏概率，提高系统运行的稳定性和可靠性。
• 超频能力：DDR5 内存支持 XMP3.0 技术，在超频方面表现更优秀，用户可更方便地对内存进行超频操作，以获取更高的性能。
• 模组键：DDR5 模组中央的槽口与 DDR5 插槽匹配，可避免安装 DDR4 等其他不受支持的模组类型。并且，UDIMM 和 RDIMM 等不同模组类型采用了不同的键位设计。

USB

USB_1/USB_2是USB2.0，

高速模式（High-Speed）：这是 USB 2.0 的核心速率，理论最大传输速率为480 Mbps（兆比特每秒）。
换算成更易理解的字节单位（1 字节 = 8 比特），约为60 MB/s（兆字节每秒），这是 USB 2.0 相比前代 USB 1.1（全速模式 12 Mbps）的主要升级点。

全速模式（Full-Speed）：兼容 USB 1.1 设备，速率为12 Mbps（约 1.5 MB/s）。

低速模式（Low-Speed）：主要用于鼠标、键盘等低带宽设备，速率为1.5 Mbps（约 0.1875 MB/s）。

U10G是USB3.2 Gen2，速率是10G。

接下来看桥的接口，桥出来的接口主要是速度没的接口，比如PCIE(Gen3)，USB2.0，USB3.2、SATA、LAN。

图中U5G_C是值type-C，速度是5G。

AURA是指主板上的灯带。

Back是指背板的接口，Front是指前置的接口。

SATA

SATA（Serial Advanced Technology Attachment，串行高级技术附件）是一种用于计算机内部数据传输的接口标准，主要用于连接存储设备（如硬盘、光驱等）与主板，是计算机存储领域的重要接口技术。

目前主流的消费级设备仍以SATA 3.0为主，其 6 Gbps 的速率可满足机械硬盘（HDD）和多数固态硬盘（SATA 接口 SSD）的需求。

核心特性

传输方式：
采用串行传输（单通道逐位发送数据），相比 PATA 的并行传输（多线同时发送），减少了信号干扰，简化了线缆设计（SATA 线缆更细、更柔软，长度可达 1 米，而 PATA 线缆通常仅 40 厘米）。

速率表现：
理论速率以 “Gbps（千兆比特每秒）” 为单位，需注意与 “MB/s（兆字节每秒）” 的换算（1 字节 = 8 比特）：

1. 1. SATA 1.0：1.5 Gbps ≈ 187.5 MB/s
   2. SATA 2.0：3.0 Gbps ≈ 375 MB/s
   3. SATA 3.0：6.0 Gbps ≈ 750 MB/s
      实际中，机械硬盘受物理结构限制，读写速度通常在 100-200 MB/s；SATA 接口 SSD 可达 500-600 MB/s，接近 SATA 3.0 的理论上限。

兼容性：
所有 SATA 版本向下兼容，例如 SATA 3.0 设备可接入 SATA 2.0 接口，但速率会降至 3.0 Gbps；反之，SATA 2.0 设备接入 SATA 3.0 接口，速率仍为 3.0 Gbps。

附加功能：

1. 1. NCQ（原生指令队列）：SATA 2.0 及以上支持，允许硬盘对读写指令重新排序，优化数据访问效率，提升多任务处理时的性能。
   2. 热插拔：部分支持（需主板和设备同时兼容），可在系统运行时插拔设备（如外置硬盘盒）。
   3. 热感应：部分硬盘通过 SATA 接口传递温度信息，便于主板监控散热状态。

三、接口与线缆

• 接口形态：
  设备端（硬盘 / 光驱）和主板端均为扁平的 L 型接口，防呆设计避免插反，接口上有 7 根针脚（负责数据和供电信号）。
• 供电方式：
  数据传输通过 SATA 数据线（细线缆），供电则需单独的 SATA 电源线（较粗，4 针或 15 针，提供 12V、5V 电压）。
• 线缆特点：
  数据线采用屏蔽设计，减少电磁干扰；长度通常为 0.5-1 米，支持多设备连接（主板上的 SATA 接口数量通常为 4-6 个）。

四、应用场景

• 主要连接设备：机械硬盘（HDD）、SATA 接口固态硬盘（SSD）、光驱、蓝光刻录机等。
• 适用场景：
  • 台式机和笔记本电脑的内置存储（多数笔记本仍保留 SATA 接口）；
  • 外置硬盘盒（通过 SATA 转 USB 等接口扩展）；
  • 老式服务器、NAS（网络附加存储）等设备。