第3章 主板 3.3（下）（课件）-《计算机组装与维修》（电工版第4版）【上好课】

计算机组装与维修 电工版第4版 2课时 第3章　主板 3.3（下）内存·存储与固件 说出内存瓶颈与双通道原理； 说出 M.2 的两种类型与规格命名。 能算内存带宽并判断瓶颈； 能读懂 Z690 与 X570 框架图。 体会按需求选芯片组的意义； 读框架图抓通道数、版本与上限。 知识目标 能力目标 素养目标 01 02 03 学习目标 教学导入：没换 CPU 怎么变快 案例 装机店里，顾客抱来一台旧机器：“CPU 没换，你就加了一条内存、换了一块小硬盘，开机怎么从两分钟变成十几秒？”小陈让他开机时按 DELETE 看一眼。不查资料，你能说清这几步各改了什么吗？ 候选一：加的那条内存 容量与原来那条相同 两条同型号、同频率 插在同色插槽上 跑分提高了一截 候选二：换的那块硬盘 两块容量一样大 原来那块用扁线连板子 新的一块直接插在板子上 开机快了一分多钟 候选三：开机看到的界面 界面是图形化的 里面能改启动顺序 能看到内存和硬盘型号 改完设置后开机更快 驱动问题 同样的容量，为什么速度会变？ 主板靠什么把内存、硬盘和开机设置管起来？ 算带宽：两条为什么快 看存储：直插为什么快 认固件：开机谁在管 读框架图：板子怎么配 教学导入：加一条内存 情境 同一台电脑，从 8GB 单条换成两条 8GB，跑分提高了一截；换上一块 M.2 固态硬盘，开机时间又短了一半。差别在哪里？ 加一条内存 容量没变，带宽变了 两条同等规格并行工作 位宽从 64bit 到 128bit 这叫双通道 换一块硬盘 SATA 上限 600MB/s M.2 走 PCI-E 直连 读速可达 700MB/s 以上 走的是另一条路 开机那几秒 按 DELETE 进入的是固件 BIOS 存程序、CMOS 存设置 现在换成了 UEFI 由它加载硬件驱动 驱动问题 同样的容量，为什么带宽会变？ 主板靠什么把内存、硬盘和固件管起来？ 算带宽：双通道 看存储：M.2 认固件：BIOS／UEFI 读框架图：Z690／X570 第一部分 5—6 带宽与接口 带宽与接口 5.双通道技术：多核时代的内存瓶颈 多核要同时访问内存，而单条内存的带宽很快就见底了。 项目 教材要点 高端 CPU 的总线 采用 QPI 总线技术后数据带宽提高至 25.6GB/s 算式 QPI 总线频率 6.4GT/s 的总带宽：6.4GT/s × 2B × 2 多核的负担 核心与核心之间、核心与内存之间频繁且巨量地交换数据 同时访问 多个核心根据实际需求同时访问内存的情况时有发生 瓶颈在哪里 内存的读写速度跟不上核心数量的增长， 于是核心越多，越容易在内存这一环堵住。 25.6GB/s 6.4GT/s 多核并发 内存带宽怎么算 内存带宽＝频率 × 位宽 ÷ 8；把两条内存各算一遍。 内存 算式 带宽 DDR4-3200 3200MHz × 64bit ÷ 8 25 600MB/s ＝ 25.6GB/s DDR5-4800 4800MHz × 64bit ÷ 8 38 400MB/s ＝ 38.4GB/s 算完能看出什么 读写速度最快的内存也只能满足 1～2 个核心的数据请求， 也就是出现了瓶颈现象——这就是双通道要解决的问题。 为什么是 ÷8 带宽单位是字节（B） 位宽单位是位（bit） 8 位＝1 字节 为什么要算 不看算式只能背结论 算了才知道够不够用 也才能判断该不该升级 双通道技术的原理 双通道是一种内存控制和管理技术，靠 CPU 内的内存控制器起作用。 靠什么起作用 依赖内存控制器 而它在 CPU 内部 不在北桥芯片里 效果是什么 两条同等规格的内存 理论上带宽增加一倍 存取速度也增加一倍 为什么能翻倍 两个 64bit 的 DDR 控制器 并行工作 位宽可达 128bit 一个必须分清的点 带宽翻倍 ≠ 容量翻倍：带宽靠两条内存并行工作，容量取决于插了几条、每条多大； 双通道是一种低成本、高性能解决内存瓶颈的方案。 看规格时看什么 先看支持几通道，再看单条能跑多快，两者相乘才是总带宽。 两条 8GB 与一条 16GB 的差别就在通道数。 内存控制器进了 CPU 北桥被淘汰后，内存控制器被集成到 CPU 内部，通道数由此决定。 处理器 内存控制器数量 支持的内存模式 Intel 酷睿 X 系列 内部集成 4 个 4 通道内存模式 AMD Ryzen Threadripper — 最多 8 通道，比以前多一倍 为什么通道数会变多 内存控制器就在 CPU 里，集成几个就能开几条通道； 控制器越多，能同时喂给核心的带宽就越大。 回扣前两页 单条只够 1～2 个核心 双通道位宽做到 128bit 多通道再往上加 看规格时看什么 先看支持几通道 再看单条能跑多快 两者相乘是总带宽 6.M2接口：M.2 是什么 M.2 是 Intel 为超极本定做的接口标准，用来取代 mSATA。 谁定做、给谁用 Intel 公司 为超极本（Ultrabook） 量身定做 取代了谁 取代原来的 mSATA 接口 规格尺寸远胜 mSATA 传输性能远胜 mSATA 现在用在哪 台式机 笔记本电脑 已经得到普及 和上一节接上 SATA 3.0 的上限是 600MB/s；M.2 走 PCI-E 直连，这就是“绕过瓶颈”的第二层答案； 选 M.2 先看是 Socket 2 还是 Socket 3，再看它支持 PCI-E×2 还是 ×4。 选 M.2 先看什么 M.2 的两大优势是速度与体积；选时先看是 Socket 2 还是 Socket 3， 再看支持 PCI-E×2 还是 ×4，这两项决定能跑到哪一档。 M.2 的两种类型与速度 M.2 有两种类型，键位、协议与速度各不相同。 类型 键位与协议 支持的接口 速度 Socket 2 B key—NGFF SATA、PCI-E×2 读 700MB/s、写 550MB/s Socket 3 M key—NVMe PCI-E×4 理论 4GB/s Socket 3 还能更快 随着 PCI-E 4.0 固态硬盘普及，理论最高读/写提升到 8GB/s； 未来 PCI-E 5.0 设备面市后，读/写速度会达到 16GB/s。 4GB/s 8GB/s（PCI-E 4.0） 16GB/s（PCI-E 5.0） 别记错键位 B key 对应 PCI-E×2，M key 才对应 PCI-E×4。 M.2 的体积与规格 M.2 固态硬盘的规格用四位数字表示：宽 22mm，后两位是长度。 图3·10 采用 M.2 接口的固态硬盘 规格 宽度 长度 2280 22mm 80mm；厚 2.75／3.85mm 22110／2260／2242 22mm 110／60／42mm 怎么读这四个数字 前两位是宽度 22mm，后两位是长度；2280 是最常见的规格。 01 瓶颈由来 内存瓶颈从哪来？ 答 多核频繁交换数据，最快的内存也只能满足 1～2 个核心。 02 双通道原理 双通道靠什么起作用？ 答 靠 CPU 内部的内存控制器，两条同等规格内存带宽翻倍。 03 M.2 定位 M.2 由谁为谁定做？ 答 Intel 公司为超极本定做，取代原来的 mSATA 接口。 04 Socket 3 Socket 3 的理论带宽？ 答 PCI-E×4，理论 4GB/s；PCI-E 4.0 后 8GB/s、5.0 后 16GB/s。 第一部分课堂练习（一） 01 QPI 总线技术应用于（　　）。 A．高端 CPU 内部 B．南桥与北桥之间 C．显卡与显示器之间 D．硬盘与主板之间 答 A 02 内存带宽与下列哪两项有关（　　）。 A．频率与位宽 B．容量与电压 C．品牌与价格 D．颜色与外形 答 A 第一部分课堂练习（二） 01 M.2 的 Socket 3（M key—NVMe）支持的通道模式是（　　）。 A．PCI-E×1 B．PCI-E×2 C．PCI-E×4 D．PCI-E×16 答 C 02 M.2 固态硬盘标注“2242”，表示（　　）。 A．宽度 22mm、长度 42mm B．宽度 42mm、长度 22mm C．宽度 22mm、厚度 4.2mm D．容量 2242GB 答 A 第二部分 7—9 固件与架构 固件与系统架构 7.BIOS与CMOS:BIOS：固化在 ROM 的固件 BIOS 是一组固化到主板上 ROM 芯片的程序，提供最底层的硬件控制。 项目 教材要点 定义 一组固化到计算机主板上 ROM 芯片的程序 保存的四类程序 基本输入/输出程序、系统设置程序、开机后自检程序、系统自启动程序 主要功能 为计算机提供底层的、最直接的硬件设置和控制 四类程序各管什么 基本输入/输出管读写外设，系统设置管参数，开机后自检管检查硬件， 系统自启动管找到操作系统。 一句话记住 BIOS 存的是“程序”：基本输入/输出、系统设置、开机后自检、系统自启动； 它提供最底层的硬件设置和控制。 CMOS：设置结果存在哪 ROM 是只读的，BIOS 的设置结果存不进去，于是有了 CMOS。 BIOS 在 ROM 中 ROM 只读 → 存不进 另设 CMOS 保存 纽扣电池供电 项目 教材要点 为什么存不进 BIOS BIOS 存放在只读存储器（ROM）中，设置结果无法保存到 BIOS 中 要保存哪些结果 系统日期、系统时间、启动顺序、开机密码等 CMOS 是什么 独立的存储器，全称互补金属氧化物半导体存储器 它属于哪类存储器 随机存储器；用一个纽扣电池为其供电 一个常见现象 主板电池没电时，开机时间会回到出厂值、设置也会丢失——原因就在这里。 8.UEFI:UEFI：取代 BIOS 的新标准 UEFI 是统一的可扩展固件接口，取代了传统的 BIOS。 UEFI 是什么 统一的可扩展固件接口 描述全新类型接口的标准 用于从预启动环境加载系统 好处是什么 开机程序化繁为简 节省时间 支持网络设备轻松联网 为什么要换掉 BIOS DOS 时代后系统内置硬件控制 不再需要调用 BIOS 传统 BIOS 成了包袱 教材的结论 现在已发展出最新的 EFI（可扩展固件接口），未来将是“没有特定 BIOS”的时代； UEFI 不是 BIOS 的改名，而是换了加载与驱动的机制。 一句话记住 UEFI 不是 BIOS 的改名，而是换了“加载与驱动”的机制： 先初始化硬件，再载入 DXE 枚举加载驱动。 UEFI 怎么工作 UEFI 靠初始化模块与驱动执行环境（DXE）两级配合来工作。 初始化模块先执行 初始化 CPU／南北桥／存储器 载入 DXE 枚举加载设备驱动 环节 教材要点 集成在哪里 初始化模块与 DXE 通常被集成在一个只读存储器中 驱动能放哪 可放在系统的任何位置，只要按顺序被正确枚举 UEFI 专用分区 可把众多设备的驱动放在磁盘的 UEFI 专用分区中 带来什么结果 新设备再多也能一一支持，克服传统 BIOS 捉襟见肘 联网能力从哪来 UEFI 能够支持网络设备并轻松联网的原因就在于此。 9.系统架构怎么读 系统架构要回答：数据从哪来、经过谁、到哪去。 CPU 外设 南桥芯片 外设 项目 教材要点 决定性能的部件 主要有处理器、内存和显卡，其次就是外存 南桥的位置 可以把南桥芯片当作处理器的一个外设，反之亦可 系统的运行 在 CPU ↔ 外设—南桥芯片—外设之间做传输—运算—存储—传输 不能忽视的 首要提高 CPU、内存、GPU 性能，更不能忽视数据传输性能 PCI-E 的作用 实现数据在外设、外存储器、芯片组、处理器间的有效输送 教材的结论 不同芯片组的数据传输能力差异较大；根据实际需求选择芯片组， 既是实现系统性能均衡的关键点，也是新一代芯片组超越上一代的关键环节。 Intel Z690 框架图怎么读 Z690 框架图先看直连通道：16 个 PCI-E 5.0 组成显示系统。 图3·11 Intel Z690 芯片组框架图 直连通道 用途 16 个 PCI-E 5.0 组成显示系统，可在 1×16 与 2×8 之间选择 4 个 PCI-E 4.0 用作安装固态硬盘的 M.2 接口，性能最佳 读图先抓三个数 通道数、版本与上限三个数。 DMI 比上一代强在哪 DMI＝8 个 PCI-E 4.0 通道。 Z690 的接口配置 Z690 的其余要点：内存二选一、DMI 规格、非直连通道与接口上限。 项目 教材要点 内存支持 可支持 DDR4 和 DDR5，但厂商只能二选一，两者不能共存 DMI 总线 由 8 个 PCI-E 4.0 通道组成（B660 只有 4 个） 比上一代强在哪 比只支持 PCI-E 3.0 的旗舰级 Z590 带宽翻了一倍 非直连通道 共 28 个：16 个 PCI-E 4.0 ＋ 12 个 PCI-E 3.0 SATA 与 USB 直接支持 8 个 SATA 3.0；最大支持 14 个 USB 教材的结论 根据实际需求选择芯片组，既是实现系统性能均衡的关键点， 也是新一代芯片组能否超越上一代产品的关键环节。 AMD X570 与 Ryzen 3000 Ryzen 3000 内置两个内存控制器，16 个 PCI-E 4.0 直连通道接显卡。 图3·12 Ryzen 3000 处理器及 X570 芯片组框架图 项目 教材要点 内存 内置两个内存控制器，每通道两个插槽，最大 128GB 显卡通道 16 个 PCI-E 4.0 直连通道，可在 1×16 与 2×8 之间选择 存储与 USB 4 个 PCI-E 4.0 直连通道可做 1 个 M.2；直连 4 个 USB 3.2 Gen2 X570 的接口配置 X570 与 CPU 用 4 条 PCI-E 4.0 连接，并给厂商留了 12 个通道。 图3·13 X570 芯片组框架图 项目 教材要点 与 CPU 的连接 4 条 PCI-E 4.0 总线，比 4 条 PCI-E 3.0 带宽提高一倍 与 z690 相比 z690 的 DMI 规格为 8×PCI-E 4.0，领先 X570 USB 与通道 USB 上限 12；给厂商留 12 个 PCI-E 4.0 通道 X570 的存储方案 X570 留的 12 个 PCI-E 4.0 通道怎么用，教材给了两种常见方案。 方案 组合 方案一 2 个支持 PCI-E 4.0 规范的 M.2 接口 ＋ 4 个 SATA 3.0 接口 方案二 1 个支持 PCI-E 4.0 规范的 M.2 接口 ＋ 8 个 SATA 3.0 接口 怎么选 要快就多要 M.2，要多就多要 SATA——两者共用同一批通道，此消彼长。 M.2 优先 2 个 PCI-E 4.0 的 M.2 ＋ 4 个 SATA 3.0 适合系统盘与数据盘都上固态 SATA 优先 1 个 PCI-E 4.0 的 M.2 ＋ 8 个 SATA 3.0 适合装多块机械硬盘的存储机 其他芯片组参考：B550 B550 等其它芯片组的框架图可作为参考，加深对系统架构的理解。 图3·14 B550 芯片组框架图 还可以参考哪些 B660、Z590、Z490 和 B550、A520、X470 等芯片组的规格及框架图。 01 BIOS 位置 BIOS 存在哪里？ 答 一组固化到主板上 ROM 芯片的程序。 02 设置存哪 设置结果为什么存不进 BIOS？ 答 ROM 只读，所以要另设 CMOS 存储器并用纽扣电池供电。 03 UEFI 机制 UEFI 怎么加载驱动？ 答 初始化模块先执行，再载入 DXE，以枚举方式加载驱动。 04 Z690 DMI z690 的 DMI 什么规格？ 答 8 个 PCI-E 4.0 通道；B660 只有 4 个。 第二部分课堂练习（一） 01 BIOS 程序固化在（　　）。 A．主板上的 ROM 芯片 B．硬盘上 C．CMOS 存储器中 D．U 盘中 答 A 02 CMOS 存储器在主板上的作用是（　　）。 A．保存 BIOS 设置结果（日期、启动顺序、开机密码等） B．存放操作系统 C．存放用户文件 D．提供显示输出 答 A 第二部分课堂练习（二） 01 下列缩写中，中文含义为“统一的可扩展固件接口”的是（　　）。 A．BIOS B．UEFI C．CMOS D．DXE 答 B 02 UEFI 初始化模块负责初始化（　　）。 A．CPU、北桥、南桥及存储器 B．操作系统 C．用户应用程序 D．显示器与键盘 答 A 课堂小结：知识地图 主板：带宽、固件与架构 带宽与接口（5—6） • 单条只够 1～2 个核心 • DDR4-3200＝25.6GB/s • DDR5-4800＝38.4GB/s • 带宽翻倍≠容量翻倍 • Socket 2：PCI-E×2 • Socket 3：PCI-E×4 固件与架构（7—9） • BIOS 存程序、CMOS 存设置 • UEFI 换了加载机制 • Z690：16×PCI-E 5.0 • Z690：DMI＝8×PCI-E 4.0 • Ryzen 3000：最大 128GB • X570：留 12 个通道 课后任务 课后任务 操作要求 ① 习题3 第 7 题：写出双通道内存技术的作用。 ② 习题3 第 8 题：写出 BIOS 与 UEFI 的作用，并进 UEFI 改设置。 ③ 习题3 第 9 题：上网了解两块主板的技术规格。 ④ 整理 Z690 与 X570 的四行两列对比表。 ⑤ 完成课堂上未完成的同步练习并订正判断题。 提交物 作业本或纸质照片：习题3 第 7／8／9 题的作答。 芯片组对比卡：直连通道—DMI—SATA／USB 上限四列。 ✓ 习题3 第 7 题：双通道的作用 ✓ 习题3 第 8 题：BIOS 与 UEFI ✓ 习题3 第 9 题：两块主板规格 ✓ Z690 与 X570 对比表 维度 观测点 知识 带宽算式与固件分工 能力 会读框架图并做选配 素养 通道数版本与上限 谢谢观看 THANKS $