Системная плата

Системная плата(mainboard, материнская плата)является основной в системном блоке. Модель стандартизованной системной платы того или иного производителя определяется используемым на ней набором микросхем и топологией размещения элементов. В зависимости от формы стандартизированного корпуса выпускаются различные по формфактору (размерам, расположению компонент на плате) стандартизированные материнские платы компьютеров. Для персональных компьютеров наиболее распространены материнские платы форматов AT, ATX, miniATX, microATX и NLX и их разновидности. Так, например, платы с форм-факторами ATX, microATX, FlexATX имеют размеры соответственно 305x244, 244x244 и 229x191 мм.

Корпус и материнская плата обычно принадлежат одноименному формфактору, формату, например, АТХ-корпус содержит АТХ-материн-скую плату. Платы спецификации FlexАТХ ориентированы на производство компьютеров с компактными системными блоками и плоских LCD-мониторов (жидкокристаллических) с интегрированными в них системными блоками.

Системная плата содержит следующие основные компоненты (рисунок 3.10):

· центральный процессор;

· чипсет;

· интерфейсные схемы шин;

· постоянную, оперативную и кэш-память;

· гнёзда расширения и др.

Центральный процессор(CPU – Central Processing Unit) -основной рабочий компонент ПК. Он выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств ПК.

Физически микропроцессор (МП) представляет собой интегральную микросхему – тонкую пластину кристаллического кремния несколько квадратных миллиметров, на которой размещены электрические схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластина помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус с металлическими штырьками-выводами для присоединения к системной плате ПК (рисунок 3.11). Конструктивно микропроцессор (МП) состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами.

а) б)

Рисунок 3.11 - Микропроцессор Pentium IV: а - вид сверху;
б - вид снизу

Используемые в современных персональных компьютерах процессоры выпускаются в основном тремя фирмами: Intel, AMD и Cyrix (процессоры под маркой IBM по основным показателям аналогичны Cyrix). Ряд процессоров обладает расширением ММХ (MultiMedia eXtention: расширение мультимедиа). Данное расшире­ние существенно ускоряет работу с мультимедийными средствами при наличии достаточно нового про­граммного обеспечения.

В старых процессорах (до 386) для выполнения операций с вещественными числами устанавливалась дополнительная микросхема – сопроцессор. В современные процессоры возможности сопроцессора встроены.

Описание процесса изготовления микросхем кратко можно представить следующим образом.

1. Разработчики с помощью компьютера создают электрическую схему новой микросхемы. Для этого они вводят в компьютер перечень свойств, которыми должна обладать микросхема, а компьютер с помощью специальной программы разрабатывает детальную структуру соединений и конструкций всех взаимодействующих элементов микросхемы.

2. Компьютер создает схемы расположения элементов на поверхности полупроводникового кристалла кремния. По этим схемам изготавливаются фотошаблоны - стеклянные пластинки со штриховым рисунком. Через фотошаблоны специальными лампами или источниками рентгеновского излучения, а иногда и электронными пучками освещают (засвечивают) нанесенный на поверхность кристалла кремния слой фото- или соответственно рентгеночувствительного лака.

3. Засвеченные (или, наоборот, незасвеченные) участки лака меняют свои свойства и удаляются специальными растворителями. Этот процесс называется травлением. Вместе с лаком с поверхности кристалла кремния удаляется и слой окисла, и эти места становятся доступными для легирования - внедрения в кристаллическую решётку кремния атомов бора или фосфора. Легирование обычно требует нагрева пластинки в парах нужного элемента до 1100-1200°С.

4. Последовательно меняя шаблоны и повторяя процедуры травления и легирования, создают один за другим слои будущей микросхемы. При этом на одной пластинке кристалла кремния создается множество одинаковых микросхем.

5. Каждая микросхема проверяется на работоспособность. Негодные выбраковываются.

6. После завершения всех операций пластинки разрезаются на отдельные кристаллики с микросхемами, к ним присоединяют выводы и устанавливают в корпуса.

В состав классического микропроцессора входят такие базовые узлы, как арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления и внутренняя память (рисунок 3.12).

Рисунок 3.12 – Упрощенная функциональная схема процессора

В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и невзаимозаменяемы.

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными. Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейства процессоров. Так, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086, на базе которого собиралась первая модель компьютера IBM PC. Впоследствии выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium 60,66,75,90,100,133; несколько моделей процессоров Intel Pentium MMX, модели Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pentium III и другие. Все эти модели, и не только они, а также многие модели процессоров компаний AMD и Cyrix относятся к семейству х86 и обладают совместимостью по принципу «сверху вниз».

Принцип совместимости «сверху вниз» - это пример неполной совместимости, когда каждый новый процессор «понимает» все команды своих предшественников, но не наоборот. Это естественно, поскольку двадцать лет назад разработчики процессоров не могли предусмотреть систему команд, нужную для современных программ. Благодаря такой совместимости на современном компьютере можно выполнять любые программы, созданные в последние десятилетия для любого из предшествующих компьютеров, принадлежащего той же аппаратной платформе.

Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, например, система команд процессоров Intel Pentium в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд. Такие процессоры называют процессорами с расширенной системой команд - CISC-процессорами (CISC - Complex Instruction Sist Computing).

В противоположность CISC-процессорам в середине 80-х годов появились процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC - Reduced Instruction Sist Computing). При такой архитектуре количество команд в системе намного меньше и каждая из них выполняется намного быстрее. Таким образом, программы, состоящие из простейших команд, выполняются этими процессорами много быстрее. Оборотная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции приходится эмулировать далеко не эффективной последовательностью простейших команд сокращен- ного набора.

В результате конкуренции между двумя подходами к архитектуре процессора сложилось следующее распределение их сфер применения:

- CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах;

- RISC-процессоры используют в специализированных вычисли-тельных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

Для персональных компьютеров платформы IBM PC долгое время выпускали только CISC-процессоры, к которым относятся и все процессоры семейства Intel Pentium. Однако в последнее время ком-пания AMD приступила к выпуску процессоров семейства AMD-K6, в основе которых лежит внутреннее ядро, выполненное по RISC-архитектуре, и внешняя структура, выполненная по архитектуре CISC. Таким образом, сегодня появились процессоры, совместимые по системекоманд с процессорами х86, но имеющие гибридную архитектуру.

Основными параметрами процессоров являются:

1. Топологическая норма изготовления. Обычно выполняются МП с нормами 180-, 130- и 90-нанометров (например, Intel Pentium 4 имеет 90-нанометровую технологию).

2. Количество транзисторов на кристалле имеет порядок 10 – 100 млн при размере 464 мм² кристалла.

3. Тактовая частота. Определяет быстродействие процессора. За несколько тактов выполняется одна команда. В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В настенных часах такты колебаний задает маятник; в ручных механических часах их задает пружинный маятник; в электронных часах для этого есть колебательный контур, задающий такты строго определенной частоты. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры х86 могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты некоторых процессоров уже превосходят 3000 миллионов тактов в секунду (3 ГГц).

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100−133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более. Например, модели процессоров семейства Intel Core 2 Extreme имеют коэффициент внутреннего умножения до 11, а модельный ряд процессоров Intel Pentium D − от 14 до 18.

4. Количество процессорных ядер на кристалле. МП могут выполняться как двух-, так и более ядерные. Например, IBM Power 4 и UltraSPAPC IV+ фирмы Sun Microsystems содержат по два процессорных ядра.

5. Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры х86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386 они имеют 32-разрядную архитектуру. Разрядность процессора определяется не разрядностью шины данных, а разрядностью командной шины.

6. Адресное пространство внешней памяти. Определяется разрядностью шины данных и шины команд.

7. Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5 В. С переходом к процессорам Intel Pentium оно было понижено до

3,3 В, а в настоящее время оно составляет менее 3 В. Причем ядро процессора питается пониженным напряжением (около 1 В). Например, одна из моделей процессора семейства Intel Core 2 Extreme имеет напряжение питания 0,850−1,352 В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева.

8. Производительность. Служит мерой оценки эффективности работы процессора. Производительность – это способность вычислительного средства выполнять определенный объем работы по обработке данных в единицу времени. Она оценивается с помощью бенчмарков (тестовых программ).

В качестве перспективных следует выделить следующие направления повышения производительности МП:

1. Увеличение тактовой частоты генератора, что требует использования более современной технологии производства микроэлектронных элементов.

2. Совершенствование параллельной (в том числе создания на одном кристалле двух и многоядерных процессоров) обработки данных.

3. Сокращение времени доступа к внешней и основной памяти с целью уменьшения времени простоя МП. В настоящее время это достигается введением многоуровневой иерархии памяти различных объемов (несколько уровней кэш-памяти). Размер кэш-памяти может составлять от 1 до 8 Мбайт. Типичная структура памяти МП приведена на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13 - Типичная схема памяти МП

Чипсет(chipset). Это главный компонент платы, отвечающий за ее функционирование, а в конечном итоге и за функционирование всего компьютера. Архитектура классических чипсетов представляется двумя разновидностями микросхем:

1) микросхемы North Bridge (северный мост), в основном ориентированной на поддержку работы МП, оперативной памяти (ОП), периферийной магистрали и видеоадаптера;

2) микросхемы South Bridge (южный мост), отвечающей чаще всего за работу относительно низкоскоростных устройств (в частности, устройства с интерфейсами IDE, USB) и связь с BIOS.

Почему «мосты»? Да потому, что они связывают различные устройства между собой, так же как мосты связывают два берега реки. А почему «северный» и «южный»? Просто на структурной схеме компьютера процессор всегда рисуется сверху, на топографической карте это и есть север. Соответственно, и «мост», который непосредственно связан с процессором, тоже нарисован где-то «на севере». Вся периферия рисуется где-то внизу – «на юге». Поэтому и «мост», отвечающий за работу периферии, – это «южный мост».

Чипсеты разрабатываются для каждого поколения МП и под различные конфигурации компьютеров, предназначенных для решения конкретных классов задач устройств. От модели чипсета зависят все основные характеристики платы, как то: поддерживаемые процессоры и память, тип системной шины, порты для подключения внешних и внутренних устройств, различные дополнительные возможности (например, интегрированный звук или графическое ядро). Современные чипсеты имеют в себе множество различных встроенных контроллеров (контроллер для подключения жесткого диска, контроллер шины USB и портов ввода-вывода и прочее), что удешевляет компьютер и облегчает его сборку и использование. Иногда вообще возможно обойтись без каких-либо карт расширения - все необходимое уже встроено в чипсет. Правда, то же звуковое и графическое ядро, если эти компоненты присутствуют в чипсете, не отличаются богатыми возможностями, но для дешевых компьютеров, на которые это и рассчитано, лучше обычно и не надо.

Ныне выпуском чипсетов занимаются множество фирм, среди них Intel. Напри­мер, чипсеты i430FX PCIset (коммерческое название Triton), i440LX AGPset, i815E, i845 и i860 (для Pentium IV)), VIA (VIA Apollo Pro 133A и VIA Apollo KM133) и AMD (AMD-750 для компьютеров на базе процессоров семейства AMD Athlon.

В новых чипсетах от Intel (810, 820, 840) применена «хабовая» архитектура. В рекламных обзорах это часто подается как новое революционное новшество от Intel. Но есть ли реальное преимущество у «хабовой» структуры перед традиционной, с «мостами»? Ответ легко отыщется в англо-русском словаре. Английское слово hub переводится как центр чего-либо (предмета или деятельности). Таким образом, традиционные «мосты» с полным правом могут называться и «хабами». Зачем же Intel ввела новый термин? Да просто в новых чипсетах несколько расширилась номенклатура микросхем, входящих в основной набор. Появились такие элементы, как, например, Firmware Hub, который содержит в себе BIOS и генератор случайных чисел. Его уж точно нельзя назвать «мостом». Он ничего ни с чем не соединяет. Поэтому для всех элементов чипсета и принято нейтральное название – hub.

Магистраль и шины. Связь МП с внешними устройствами (например, оперативной памятью) осуществляется по магистрали, состоящей из нескольких шин (рисунок 3.14). Очень часто понятие «магистраль» сопоставляют с термином «шина». Под шиной понимаютнабор линий (электрических проводников), сгруппированных по функциональному признаку (например, для передачи данных либо адреса). Работа шины характеризуется частотой синхронизации передаваемых сигналов (например, МГц) и максимальной пропускной способностью (Мбит/с для последовательной передачи либо Мбайт/с для параллельной передачи).

Внешние устройства механически подключаются к шине через узкий (щелевой) разъем, называемый слотом. На аппаратном уровне обмен электрическими сигналами производится через электронные узлы устройств шины, называемые портами.

Современные ВС оснащены большим числом магистралей, связывающих различ­ные компоненты. В зависимости от места расположения и числа под­ключаемых устройств магистрали бывают локальные и периферийные.

Локальная (системная) шина непосредственно связана с выводами микросхем МП. Основные компоненты, которые она объединяет: МП, основная память, схемы буферизации для системной шины и её контроллер и вспо­могательные схемы материнской платы (электронной платы). Иногда локальная шина работает на частоте, равной тактовой частоте МП.

Внешняя шина предназначена для подключенияпериферийных устройств компьютера либо их контроллеров.

В первых моделях компьютеров использовалась лишь одна магистраль, по которой МП обменивался информацией как с оперативной памятью, так и с периферийными устройствами.

Рисунок 3.14 - Схема информационного обмена МП с устройствами
ввода-вывода

Структурная организация различных магистралей материнских плат имеет много общего. Любая стандартная магистраль содержит шину данных, адресную, линии аппаратных прерываний, каналы прямого доступа к DMA (Direct Memory Access), проводники для передачи служебной информации и разводки электропитания. Для магистралей определены способы кодирования сигналов, скорости передачи информации и механизмы арбитража (арбитраж шины - метод централизованного управления пользованием шиной и разрешения возникающих конфликтных ситуаций). В общем случае самостоятельно управлять шиной может не только МП, но и устройство, подключённое к ней. На время обмена оно становиться ведущим (Master) устройством.

Адресная шина. Разрядность шины говорит о том, что она состоит из некоторого количества параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Например, если шина 32 разрядная, то комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В процессоре Intel Pentium шина команд 32-разрядная, существуют также 64-разрядные процессоры и 128-разрядные.

В магистрали управлениятакже выделяют несколько типов функциональных шин, в частности: а) управления обменом по информационной магистрали; б) передачи управления в соответствии с установленным приоритетом (для реализации принципа «ведущий-ведомый»); в) идентификации устройства, запрашивающего сеанс обмена данными (шина прерывания); г) источников энергопитания; д) специальных управляющих сигналов (например, общего сброса, контроля).

На системной плате компьютера имеется зачастую две разновидности шин, управляемых своими контроллерами: локальные (системные) и внешние (периферийные, шины расширения, ввода-вывода). Контроллер шины работает на фиксированной тактовой частоте, обеспечивающей определённую пропускную способность передачи информации.

Памятькомпьютера предназначена для хранения в ней данных и исполняемых программ. Различают два основных вида памяти – внутреннюю и внешнюю (рисунок 3.15).Основными характеристи­ками памяти являются объем и время доступа. Кроме того, важной характеристикой памяти служит плотность записи информации. Объеммашинной памяти (в байтах) определяется максимальным количеством информации, которая может быть помещена в эту память. Время доступак памяти (в секундах) представляет собой минимальное время, достаточное для размещения в памяти едини­цы информации. Плотность записи информации (бит/см²) пред­ставляет собой количество информации, записанной на единице поверхности носителя.

Рисунок 3.15 − Классификация памяти вычислительной системы