徹底玩轉(zhuǎn)主板之了解寄存器

2020-07-16 19:06:09

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供稿：網(wǎng)友

當(dāng)一個(gè)主板芯片被設(shè)計(jì)出來以后，工程師們就會(huì)不斷的開發(fā)新的主板驅(qū)動(dòng)，不斷的挖掘主板芯片的潛在的性能。那么工程師們調(diào)節(jié)的是哪里呢？同樣的主板芯片，一些主板廠商的獨(dú)門絕技中，往往有驚人的調(diào)節(jié)功能，比如降溫，打開PAT等，這些其實(shí)都是主板芯片本來就支持的。那么這些主板廠商是如何打開這些隱蔽的功能的呢？這就是寄存器的調(diào)節(jié)。在玩轉(zhuǎn)主板的一系列文章里，我們將一步一步，讓大家從了解寄存器，到使用工具調(diào)節(jié)寄存器，再到編寫寄存器調(diào)節(jié)插件，完成從一個(gè)DIY到高手的跨越。
　　本文將從寄存器的概念說起，讓大家了解寄存器。
　　所謂寄存器（register），就是一種時(shí)序邏輯電路，用來暫時(shí)存放參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果。這種時(shí)序邏輯電路只包含存儲(chǔ)電路，由鎖存器或觸發(fā)器構(gòu)成，一個(gè)觸發(fā)器能存儲(chǔ)1位二進(jìn)制數(shù)，由N個(gè)鎖存器或觸發(fā)器可以構(gòu)成N位寄存器。通過修改寄存器（register）的偏移量（offset），我們便可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。從底層對(duì)硬件進(jìn)行修改，可以打開芯片本身卻被屏蔽的功能單元，使PC系統(tǒng)獲得更高的性能。
　　傳統(tǒng)主板的南北橋架構(gòu)和北橋寄存器。

　傳統(tǒng)意義上的南、北橋是以前制程的相對(duì)落后的產(chǎn)物。如果兩橋合在一起，面積太大。這樣，封裝難度大，良品率也無法保證。于是北橋芯片負(fù)責(zé)CPU、內(nèi)存總線、AGP總線和PCI總線，南橋則負(fù)責(zé)IDE、USB甚至集成SATA、IDE RAID控制等外圍功能。
　　如下圖，南、北橋架構(gòu)一個(gè)簡(jiǎn)單模型

　目前，南、北橋之間采用的PCI總線，越來越成為系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的瓶頸。為了PCI總線的數(shù)據(jù)延遲，很多廠商采用了新的思路，開發(fā)出了新的高速連接方式。如AMD芯片組的HyperTransport芯片連接技術(shù)，VIA芯片組的V-Link芯片連接技術(shù)，SIS芯片組使用的MUTIOL芯片連接技術(shù)等。
　PCI Express采用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行連接（serial interface）技術(shù)，支持每個(gè)設(shè)備的獨(dú)享帶寬。PCI Express串行連接內(nèi)嵌時(shí)鐘技術(shù)（8b/10b模式），時(shí)鐘信號(hào)被直接植入數(shù)據(jù)流中，而不是作為獨(dú)立信號(hào)存在。一個(gè)PCI Express連接包含多個(gè)管線，每一個(gè)管線包含基本連接的兩組差分驅(qū)動(dòng)電纜（發(fā)送與接收），并且每條管線相互獨(dú)立。PCI Express的出現(xiàn)，在很大程度了緩解了帶寬不足的壓力。
　　從以上可以看出，廠商的在南、北橋上為解決數(shù)據(jù)延遲提高帶寬所做的努力。但這并沒有涉及到南北橋架構(gòu)的改變。如果單純的做為一個(gè)模型，從理想的狀態(tài)考慮，所有芯片完全整合多一個(gè)芯片內(nèi)部，這樣數(shù)據(jù)延遲是最小的。當(dāng)然這是不可能實(shí)現(xiàn)的。正是基于這個(gè)思路。一些廠商對(duì)傳統(tǒng)意義上的南、北橋的功能模塊做了重新的分配。
　　Intel針對(duì)代號(hào)為Potomac的Xeon MP處理器的芯片組Twin Castle，是Intel第一次采用內(nèi)存橋與北橋芯片分離的核心邏輯部件結(jié)構(gòu)。Twin Castel包括3種芯片：TNB(North Bridge , PSB controller,)，XNB(Memory Bridge , connects TNB to memory channels)和ICH5(I/O controller)。在內(nèi)存連接上，采用了FB-DIMM(Fully Buffered，全緩沖)技術(shù)，將內(nèi)存通道做為一個(gè)串行接口，用一個(gè)存儲(chǔ)緩沖器來代替DIMM寄存器。可以增加服務(wù)器系統(tǒng)可用內(nèi)存通道，并兼容DDR-II。
　　這種內(nèi)存控制器與北橋分離的設(shè)計(jì)，是一種靈活的有彈性的設(shè)計(jì)方案，可以很輕松的支持新規(guī)格的內(nèi)存，而不必從新設(shè)計(jì)北橋芯片。同時(shí)減小了北橋的集成度。
　　Intel的做法是基于靈活性來考慮的，雖然在降低南北橋的延遲方面沒有直接的優(yōu)勢(shì)。但是可以通過搭配不同的XNB芯片來靈活的采用最新工藝的內(nèi)存芯片，這樣通過提高帶寬進(jìn)而降低了系統(tǒng)的延遲。
　　與之思路截然相反，AMD的Hammer處理器的Athlon64/ AthlonFX處理器則直接將內(nèi)存控制器（Memory controller）、傳統(tǒng)北橋總線接口直接集成到CPU內(nèi)部。而傳統(tǒng)北橋的AGP控制器、與南橋進(jìn)行連接的接口界面則整合到新的北橋中。新的北橋通過Hypertransport總線（最大位寬16bit，最大運(yùn)行頻率800MHz，雙向傳輸，峰值帶寬6.4GB/s）與CPU連接。

　目前Athlon64最高整合了單通道DDR400控制器，64/128位寬。AthlonFX則支持雙通道Registered DDR400內(nèi)存。在2004年底，AMD將在Opteron甚至在Athlon64系列中整合DDR II內(nèi)存控制器。
　　這樣的設(shè)計(jì)思路，大大降低了CPU訪問內(nèi)存的延遲，消除了傳統(tǒng)北橋?qū)?nèi)存支持的限制，同時(shí)CPU和內(nèi)存之間不用經(jīng)過處理器總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣Hypertransport總線可以有更多帶寬提供給新的北橋。
　　CPU內(nèi)部集成了內(nèi)存控制器，不可避免的就失去了，CPU與內(nèi)存搭配的靈活性。傳統(tǒng)意義上，只要更改北橋芯片就可以了，CPU不必做更大的改動(dòng)。但是對(duì)于K8來說，在CPU內(nèi)部做改動(dòng)比起長(zhǎng)期以來以來與其他的廠商在北橋做修改更方便的多。
　　如下圖。K8與內(nèi)存控制器部分。
　　

　Memory Controller(MCT)就是內(nèi)存控制器。作為Hammer處理器核心和DRAM Controller（DCT）聯(lián)系的橋梁。DCT決定所用內(nèi)存的種類。通過改進(jìn)DTC電路設(shè)計(jì)就可以提供對(duì)新的內(nèi)存模組的支持。如此一來，只要更換新的CPU就可以了支持新的內(nèi)存模塊，同時(shí)簡(jiǎn)化的北橋設(shè)計(jì)方案降低了主板廠商的開發(fā)難度，讓南北橋?qū)崿F(xiàn)整合成為可能。事實(shí)上，SiS在設(shè)計(jì)支持K7的SiS730芯片時(shí)，就將南橋和北橋整合到了一起，之間采用了Multi-threaded I/O Link技術(shù)，帶寬1.2GB/s。Nvidia的nForce3 Pro 150，同樣采用了一體化設(shè)計(jì)，支持Athlon 64 FX/Opteron。這樣可以加快芯片組的開發(fā)進(jìn)度，同時(shí)也降低了成本。
　　從上面我們對(duì)于南、北橋的架構(gòu)和發(fā)展趨勢(shì)作的介紹中可以看出來，無論是傳統(tǒng)的南北橋架構(gòu)，還是未來的新的南北橋設(shè)計(jì)方案。北橋芯片都起著絕對(duì)的控制作用。掌握了北橋芯片，被掌握了系統(tǒng)的控制權(quán)。那么北橋是如何控制的呢?答案就是北橋寄存器！
　　北橋寄存器是北橋中的存儲(chǔ)單元，是一些基于RAM的控制寄存器，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，由BIOS來進(jìn)行設(shè)置。我們?cè)贐IOS中進(jìn)行設(shè)置的更改，一般都能體現(xiàn)到北橋（即Host Bridge）的寄存器數(shù)值的變化。基于這樣的思路，我們可以直接修改寄存器的設(shè)置，來打開BIOS中由于某種原因屏蔽的功能，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化我們系統(tǒng)的目的。

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