Компоненты системной платы

На материнской плате PC в том или ином виде находятся сле­дующие элементы;

• Процессор, установленный в специальный разъем. Как пра­вило, на процессор устанавливается радиатор с вентилятором.

• Микросхемы кэш-памяти второго уровня (внешней). В совре­менных процессорах эти микросхемы устанавливаются на плату картриджа CPU.

· Разъемы (слоты) для установки модулей оперативной памя­ти. Количество и тип разъемов зависят от типа материнской платы.

• Разъемы (слоты) для установки карт расширения. Как пра­вило, на материнских платах имеются разъемы для карт стан­дарта ISA и PCI. В недавнем прошлом на них имелись еще и разъемы, предназначенные для карт стандарта VLB. Современ­ные модели материнских плат оборудованы слотом AGP. Нали­чие разъемов и возможность установки в них любых карт рас-ширения (видеоадаптера, звуковой карты, модема, карты АЦП и др.) определяют открытую архитектуру PC.

• Микросхема перепрограммируемой памяти (EEPROM), в ко­торой хранятся программы BIOS, тестирования PC, загрузки опе­рационной системы, драйверы устройств, начальные установки (CMOS Setup) и т. п.

• Разъемы для подключения накопителей HDD, FDD, CD-ROM, последовательные порты для подключения периферийных уст­ройств (мышь, модем и др.), параллельные порты для подключе­ния принтера, сканеров некоторых типов и др.

• Набор микросхем (Chipset) высокой степени интеграции для управления обменом данными между всеми компонентами PC.

• Аккумуляторная батарея для питания микросхемы памяти CMOS, в которой хранятся текущие настройки BIOS (CMOS Setup) и электронного таймера (системных часов).

На некоторые материнские платы фирмы-производители устанавливают микросхемы, выполняющие функции видео­адаптера, звуковой или сетевой карты и т. д. Эти меры приня­ты с целью экономии места в корпусе PC и увеличения коли­чества свободных слотов. При приобретении такой материнской платы вы, с одной стороны, экономите деньги, а с другой — лишаетесь возможности модернизировать любой из интегрированных компонентов, если его характеристики вас не устраивают.

Все компоненты материнской платы связаны друг с другом си­стемой проводников (линий), по которым происходит обмен ин­формацией. Эту совокупность линий называют информационной шиной или просто шиной (Bus).

Взаимодействие между компонентами и устройствами PC, подключенными к разным шинам, осуществляется с помощью так называемых мостов, реализованных на одной из микросхем Chipset.

Далее мы подробнее рассмотрим основные составные элемен­ты, которые находятся на материнской плате.

Центральный процессор (Central Processing Unit — ЦП) — представляет собой сложную, в высокой степени интегрированную микросхему, выполняющую одновременно множество различных функций. Именно здесь выполняются арифметичес­кие и логические операции, расшифровываются и реализуются команды. В интегральной схеме ЦП осуществляется управление работой компьютера.

Процессоры состоят из тысяч и даже миллионов транзисто­ров, объединенных в одну микросхему. В электронных схемах транзисторы используются как усилители и переключатели.

Все транзисторы вместе с другими электронными компонента­ми (например, резисторами и конденсаторами) объединяются ин­тегральными схемами (ИС). Современная ИС, например процес­сор Pentium IV, представляет собой пластиковый корпус, содержащий миллионы транзисторов, Главную интегральную схему компьютера, содержащую ЦП, иногда называют просто чи­пом (chip). Чип, к которому добавлены память и устройства вво­да/вывода, превращается в работающий компьютер.

Опишем в общих чертах традиционный процесс производства чипов из кремниевых пластин (обычно диаметром 20 см). Первым шагом на ее превращении в чипы становится процесс окисления поверхности, покрытия ее пленкой оксидов — SiO₂, являющейся надежным изолятором и защищающей поверхность пластины.

Далее на пластину наносят еще один защитный слой — свето­чувствительный — и помещают в установку экспонирования, ко­торая по сути работает как фотоувеличитель. В каче­стве негатива здесь используется прецизионная маска — квадратная пластина кварцевого стекла, покрытая пленкой хрома там, где это требуется. По специальным знакам, заранее сформированным на поверх­ности пластины, установка автоматически выравнивает ее, настра­ивает фокус и засвечивает светочувствительный слой через маску и систему линз с уменьшением так, что на пластине получается изображение кристалла в масштабе 1:1. Затем пластина сдвигается, экспонируется следующий кристалл и так далее, пока не будут обработаны все чипы. Сама маска тоже формируется фотохимиче­ским способом, только засвечивание светочувствительного слоя при ее формировании происходит по программе электронным лу­чом примерно так же, как в телевизионном кинескопе.

В результате засвечивания химический состав тех участков светочувствительного слоя, которые попали под прозрачные об­ласти фотомаски, меняется. Это дает возможность удалить их с помощью соответствующих химикатов или рентге­новских лучей. После чего аналогичной процедуре (уже с использованием других веществ) подвергается и слой оксидов на поверхности пластины.

Затем накладывается следующая маска, уже с другим шабло­ном, потом еще одна, еще, и еще... Именно этот этап производст­ва чипа является критическим в плане ошибок: любая пылинка или микроскопический сдвиг в сторону при наложении очеред­ной маски, и чип уже непригоден.

После того как сформирована структура чипа, изменяют атомную структуру кремния в необхо­димых участках путем добавления различных примесей. Это тре­буется для того, чтобы получить области кремния с различными электрическими свойствами — р-типа и n-типа, т. е. то, что тре­буется для создания транзистора. Для формирования р-областей используются бор, галлий, алюминий, для создания n-областей — сурьма, мышьяк, фосфор.

Поверхность пластины тщательно очищается, чтобы вместе с примесями в кремний не попали лишние вещества, после чего она попадает в камеру для высокотемпературной обработки и на нее, в том или ином агрегатном состоянии, с использованием ионизации или без нее, наносится небольшое количество требуе­мых примесей. При температуре порядка от 700 до 1400 °С проис­ходит процесс диффузии, проникновения требуемых элементов в кремний на его открытых в процессе литографии участках. В ре­зультате на поверхности пластины получаются участки с нужны­ми свойствами. И в конце этого этапа на их поверхность наносит­ся все та же защитная пленка из оксида кремния, толщиной порядка одного микрометра.

После этого необходимо проложить по поверхности чипа ме­таллические соединения (в настоящее время обычно используется алюминий, а соединения располагаются в шесть слоев). Рассмотрим технологии, которые предполагают внесение определенных корректив в описанный процесс.

Первая из них, уже начавшая широко внедряться в производ­ство — это замена на последнем этапе алюминия на медь. Медь имеет более низкое по сравнению с алюминием удельное сопро­тивление (0,0175 против 0,028 Ом'мм²/м), что позволяет умень­шить сечение межкомпонентных соединений.

Проблемой при переходе на медь являлось то, что алюминий луч­ше контактирует с кремнием. Однако после многолетних исследова­ний ученым удалось найти принцип создания сверхтонкой раздели­тельной области между кремниевой подложкой и медными проводниками, предотвращающей диффузию этих двух материалов.

По данным компании IBM, применение в технологическом процессе меди вместо алюминия позволяет добиться снижения себестоимости примерно на 20 — 30 % за счет снижения площади чипа. Технология, использующая медные соединения, позволяет создавать чипы, содержащие до 150 — 200 млн. транзисторов. При этом за счет меньшего сопротивления проводников происходит увеличение производительности чипа до 40 %.

На скорости чипа в несколько гигагерц кремниевая подложка перестает справляться с нагрузкой. И если для традиционных об­ластей применения чипов кремния пока достаточно, в области беспроводной связи уже давно образовался дефицит дешевых скоростных чипов. Решением здесь стало использование в каче­стве материала для подложек соединения двух основ полупровод­никовой индустрии — кремния с германием (SiGe). Практичес­кие результаты по этой технологии появились в конце 80-х годов. Первый биполярный транзистор, созданный с использованием SiGe (германий используется как материал для базы), был проде­монстрирован в 1987 г. В 1992 г. уже появились первые чипы с SiGe-транзисторами.

Результатом применения стало увеличение скорости чипов в 2 — 4 раза по сравнению с той, что может быть достигнута пугем использования кремния. Во столько же раз снижается и их энер­гопотребление. При этом в ход вступает все тот же решающий фактор — стоимость: SiGe-чипы можно производить на тех же линиях, которые используются при производстве чипов на базе обычных кремниевых пластин, таким образом, отпадает необхо­димость в дорогом переоснащении производственного оборудо­вания. По информации IBM, потенциальная скорость транзисто­ра (не чипа), изготовленного по технологии фирмы, составляет сегодня 45 — 50 ГГц и ведутся работы над увеличением ее до 120 ГГц.

Еще одна технология, позволяющая повысить скорость чипов, связана с заменой изолирующей пленки на поверхности подложки. В свое время IBM предполагала использовать для этого полиамид, теперь Motorola предложила вариант — перовскиты.

Этот класс минералов в природе встречается довольно редко (Танзания, Бразилия и Канада), но может выращиваться искусственно. Кристаллы перовскитов отличаются высокими диэлектри­ческими свойствами: использованный Motorola титанат стронция превосходит по этому параметру диоксид кремния более чем на порядок. А это позволяет в 3 -4 раза снизить толщину транзистор ров по сравнению с использованием традиционного подхода и, в свою очередь, значительно снизить ток утечки, заметно увеличивая плотность транзисторов на чипе, одновременно существенно уменьшая его энергопотребление.

Motorola уже продемонстрировала возможность нанесения пленки перовскитов на поверхность стандартной кремниевой пластины толщиной 20 см, а также рабочий транзистор, созданный на базе этой технологии.

На материнской плате имеется, естественно, не только процес­сор. Он находится в постоянном взаимодействии с другими эле­ментами материнской платы до тех пор, пока PC включен. В со­временных компьютерах фирмы IBM и совместимых с ними используются несколько видов процессоров. Как IBM, так и дру­гие изготовители компьютеров классифицируют машины в соот­ветствии с тем, на основе каких процессоров они построены.

Обработка данных осуществляется циклами, включающими три операции: загрузку, декодирование и исполнение, которые известны под названием «цикл инструкции». Во время этого цикла процессор загружает инструкцию из памяти, декодирует ее и исполняет. Совокупность инструкций — это программа, ко­торая располагается в памяти, откуда и происходит загрузка в микропроцессор. Обрабатываемые данные также поступают из памяти в процессор» который выполняет над ними арифметиче­ские и логические операции в соответствии с декодированными инструкциями.

Процессоры отличаются друг от друга. На рынке PC признанный лидер — фирма Intel, которая является (и была) основным поставщиком CPU для IBM-совместимых PC. Основ­ным конкурентом Intel является корпорация AMD (Advanced Micro Devices}, которая в последнее время заметно потеснила Intel на рынке CPU, предназначенных для недорогих PC. Выпус­кают CPU и другие фирмы. Наиболее известные из них Cyrix, Centaur, IDT, Rise. Летом 1998 г. корпорация VIA Technologies, ус­пешно конкурирующая с Intel в области разработки и производ­ства Chipset, приобрела компании Cyrix (у корпорации National Semiconductor) и. Centaur (у IDT) и приступила к разработке соб­ственных CPU.

Процессоры, как и все электрические схемы, подразделяются по типам. Для PC обозначение CPU начинается с 80, затем следуют две или три цифры, которые при необходимости дополняются буквами или цифрами, указывающими тактовую частоту процессора.

Перед обозначением типа процессора чаще всего имеется со­кращение, идентифицирующее изготовителя. Например, марки­ровка I80486DX-50 указывает процессор типа 80486, изготовлен­ный фирмой Intel, работающий на тактовой частоте 50 МГц. Микросхемы фирмы AMD маркируются префиксом AMD, а про­цессоры Cyrix — СХ. При запуске PC эти буквы появляются на экране монитора перед номером типа процессора. Процессоры других изготовителей, установленные не как CPU, уже трудно идентифицировать. Обозначение «80» перед именем процессора часто не указывается.

Основные характеристики процессоров.

Производительность CPU характеризуется следующими основными параметрами:

• степень интеграции;

• внутренняя и внешняя разрядность обрабатываемых данных;

• тактовая частота;

• память, к которой может адресоваться CPU;

• объем установленной кэш-памяти.

Кроме того, CPU различаются по технологии производства, на­пряжению питания, форм-фактору и др.

Современные CPU начиная с CPU Pentium различаются нали­чием кэш-памяти второго (третьего) уровня и тактовой частотой ее функционирования, применением различных технологий, при­званных повысить производительность CPU, поддержкой различ­ной тактовой частоты системной шины и др.

Степень интеграции микросхемы (чипа) показывает, сколь­ко транзисторов может в ней уместиться. Для процессоров Pentium (80586) Intel — это приблизительно 3 млн. транзисто­ров, расположенных на площади 3,5 см², а для CPU Athlon - уже 22 млн.

Специалисты Intel считают, что если развитие микропроцес­сорной индустрии будет продолжаться прежними темпами, то, вполне возможно, к 2011 г. микропроцессоры Intel будут работать на тактовой частоте 10 ГГц. При этом на каждом таком процессо­ре может находиться до 1 млрд, транзисторов.

Внутренняя разрядность данных. Одной из основных характер ристик процессора является количество бит, которые он может обрабатывать одновременно. Для примитивных арифметических команд, выполняющихся внутри CPU, важно, сколько бит могут обрабатываться одновременно: 16, 32 или 64.

Внешняя разрядность данных. Процессор управляет системой, обмениваясь данными с кэш-памятью, RAM и другими устройст­вами по специальным магистралям, называемым шинами. Важнейшими характеристиками шин являются их разряд­ность и тактовая частота, потому что они определяют количество бит информации в секунду, которые теоретически можно передавать по шинам, — пропускную способность шины.

Тактовая частота современных процессоров давно превысила 1000 МГц и приближается к 2,5 ГГц, а тактовая частота системной, шины составляет, как правило, лишь 66 МГц (в последних моделях материнских плат — 100 и 133 МГц}, поэтому разрядность системной шины важна для эффективной работы CPU.

Тактовая частота. Современные PC оборудованы 4~-5 тактовыми генераторами, работающими синхронно на различных час­тотах. Когда говорят о тактовой частоте системы, то всегда имеют в виду тактовую частоту системной шины. Тактовые частоты всех остальных компонентов PC являются кратными частоте сиетемной шины.

Таким образом, производительность всей системы в целом за­висит от тактовой частоты системной шины.

Увеличение тактовой частоты системной шины обычно дает больший положительный эффект для повышения быстродейст­вия системы, чем увеличение тактовой частоты CPU, так как CPU пропускает большое количество циклов в ожидании информации от более медленных устройств, одним из которых является сис­темная шина.

Адресация памяти. CPU находится в прямом контакте с опера­тивной памятью PC. Данные, которые обрабатывает CPU, долж­ны временно располагаться в RAM и для дальнейшей обработки снова могут быть востребованы из памяти.

Представьте оперативную память как маленький город, в кото­ром каждый дом (ячейка памяти) имеет отдельный адрес. При этом транспортный сервис может целенаправленно отдавать и за­возить письма, посылки и т.п. Дорогой является адресная шина

Адресная шина представляет собой набор проводников, по ко­торым передается информация о местоположении данных в той или иной области памяти.

Ширина адресной шины определяет количество ячеек, к кото­рым может обратиться CPU для чтения или записи. Ширина ад­ресной шины и ширина шины данных не связаны, хотя эти шины работают с одинаковой тактовой частотой.

Как правило, процессоры могут адресовать гораздо больше па­мяти, чем фактически установлено (и может быть установлено) на материнской плате, что связано с конструктивными и техноло­гическими особенностями производства материнских плат.