Тема 1.3 Типы и логическое устройство системных плат

Системные платы: основные компоненты, типоразмеры. Архитектура шины. Функциональное назначение шины. Шина ISA,PCI, AGP, USB, SCSI, IEEE 1397. Набор микросхем системной платы. Система прерываний и конфигурация системной платы. Параллельные и последовательные порты. Обзор современных моделей.

Студент должен знать:

- основные компоненты и типоразмеры системной платы;

- назначение, типы и виды шин;

- назначение и основные характеристики системной платы;;

- логическое устройство системных плат;

Студент должен уметь:

- конфигурировать системные платы;

- определять основные характеристики системной платы;

Цели занятия:

- ознакомить студентов с основными компонентами системных плат.

- изучить форм-факторы материнских плат.

- воспитание информационной культуры учащихся, внимательности, аккуратности, дисциплинированности, усидчивости.

- развитие познавательных интересов, навыков самоконтроля, умения конспектировать.

Ход занятия:

Теоретическая часть.

Формфакторы системных плат

Важнейшим узлом компьютера является системная плата (system board), иногда называемая материнской (motherboard), основной или главной платой (main board).

Существует несколько наиболее распространенных формфакторов, учитываемых при разработке системных плат. Формфактор (form factor) представляет собой физические параметры платы и определяет тип корпуса, в котором она может быть установлена. Формфакторы системных плат могут быть стандартными (т.е. взаимозаменяемыми) или нестандартными. Нестандартные формфакторы, к сожалению, являются препятствием для модернизации компьютера, поэтому от их использования лучше отказаться.

За последние несколько лет произошел переход от системных плат оригинального формфактора Baby-AT, который использовался в первых компьютерах IBM PC и XT, к платам формфактора ATX и NLX, используемым в большинстве полноразмерных настольных и вертикальных систем. Существует несколько вариантов формфактора ATX, в число которых входят Micro-ATX (который представляет собой уменьшенную версию формфактора ATX, используемого в системах малых размеров) и Flex-ATX (еще более уменьшенный вариант, предназначенный для домашних компьютеров низшего ценового уровня). Формфактор NLX предназначен для корпоративных настольных систем; WTX, в свою очередь, разрабатывался для рабочих станций и серверов со средним режимом работы, но широкого распространения не получил. Современные формфакторы и область их применения приведены в табл. 1.

Несмотря на широкое распространение плат Baby-AT, полноразмерной AT и LPX, им на смену пришли системные платы более современных формфакторов, которые фактически являются промышленным стандартом, гарантирующим совместимость каждого типа плат. Это означает, что системная плата ATX может быть заменена другой платой того же типа, вместо системной платы NLX может быть использована другая плата NLX и т.д. Благодаря дополнительным функциональным возможностям современных системных плат, компьютерная индустрия смогла быстро перейти к новым формфакторам. Поэтому я настоятельно рекомендую приобретать системы, созданные на основе одного из современных формфакторов. Системные платы, параметры которых не вписываются в какой-либо из формфакторов промышленного стандарта, относятся к платам независимых конструкций. Покупать компьютеры с нестандартными системными платами следует только в случае особых обстоятельств.

Ремонт и модернизация таких систем достаточно дороги, что связано, в первую очередь, с невозможностью замены системных плат, корпусов или источников питания другими моделями. Системы независимых формфакторов иногда называются “одноразовыми” PC, что становится очевидным, когда приходит время их модернизации или ремонта после окончания гарантийного срока.

ATX

Конструкция ATX была разработана сравнительно недавно. В ней сочетаются наилучшие черты стандартов Baby-AT и LPX и заложены многие дополнительные усовершенствования. По существу, ATX — это “лежащая на боку” плата Baby-AT с измененным разъемом и местоположением источника питания. Главное, что необходимо запомнить, — конструкция ATX физически не совместима ни с Baby-AT, ни с LPX. Другими словами, для системной платы ATX нужен особый корпус и источник питания. В настоящее время ATX является наиболее распространенным формфактором системных плат, рекомендуемым для большинства новых систем.

Конструкция ATX позволила усовершенствовать стандарты Baby-AT и LPX.

Наличие встроенной двойной панели разъемов ввода-вывода. На тыльной стороне системной платы есть область с разъемами ввода-вывода шириной 6,25 и высотой 1,75 дюйма. Это позволяет расположить внешние разъемы непосредственно на плате и исключает необходимость использования кабелей, соединяющих внутренние разъемы и заднюю панель корпуса, как в конструкции Baby-AT.

Наличие одноключевого внутреннего разъема источника питания. Это упрощает замену разъемов на источнике питания типа Baby-AT. Спецификация ATX содержит одноключевой разъем источника питания, который легко вставляется и который невозможно установить неправильно. Этот разъем имеет контакты для подвода к системной плате напряжения 3,3 В, а это означает, что для ATX не нужны встроенные преобразователи напряжения, которые часто выходят из строя. В спецификацию ATX были включены два дополнительных разъема питания, получивших название вспомогательных силовых разъемов (3,3 и 5 В), а также разъем ATX12V, используемый в системах, потребляющих большее количество электроэнергии, чем предусмотрено оригинальной спецификацией.

Перемещение процессора и модулей памяти. Изменены места расположения этих устройств: теперь они не мешают платам расширения, и их легко заменить новыми, не вынимая при этом ни одного из установленных адаптеров. Процессор и модули памяти расположены рядом с источником питания и обдуваются одним вентилятором, что позволяет обойтись без специального вентилятора для процессора, который не всегда эффективен и часто подвержен поломкам. Есть также место и для большого пассивного теплоотвода. Высота свободного пространства, предназначенного для установки процессора и теплоотвода, достигает примерно 70 мм (2,8 дюйма).

Более удачное расположение внутренних разъемов ввода-вывода. Эти разъемы для накопителей на гибких и жестких дисках смещены и находятся не под разъемами расширения или самими накопителями, а рядом с ними. Поэтому можно уменьшить длину внутренних кабелей к накопителям, а для доступа к разъемам не нужно убирать одну из плат или накопитель.

Улучшенное охлаждение. Процессор и оперативная память сконструированы и расположены таким образом, чтобы максимально улучшить охлаждение системы в целом. При этом необходимость в отдельном вентиляторе для охлаждения корпуса или процессора снижается (правда, не настолько, чтобы отказаться от него совсем). Дополнительное охлаждение все еще является насущной потребностью большей части быстродействующих систем. Одна из особенностей оригинальной спецификации ATX заключалась в том, что вентилятор блока питания направляет поток воздуха внутрь корпуса. Обратный поток или схема нагнетания воздуха приводит к повышению давления в корпусе, что препятствует проникновению грязи и пыли. Тем не менее направление потока воздуха в спецификации ATX было пересмотрено и предпочтение отдано вентилятору, работающему на выдувание, что приводит к понижению давления воздуха в корпусе. В целом схема нагнетания воздуха менее эффективна для охлаждения системы. И так как существующая спецификация допускает практически любую схему воздухообмена, большинство производителей поставляют блоки питания ATX в комплекте с вентиляторами, отсасывающими воздух из системы или, говоря иначе, с конструкцией отрицательного давления.

Снижение стоимости. Конструкция ATX не требует наличия гнезд кабелей к разъемам внешних портов, встречающихся на системных платах Baby-AT, дополнительного вентилятора для процессора и 3,3-вольтного стабилизатора на системной плате. В этой конструкции используется один-единственный разъем питания. Кроме того, вы можете укоротить внутренние кабели дисковых накопителей. Все это существенно уменьшает стоимость не только системной платы, но и всего компьютера, включая корпус и источник питания.

На рис. 1 показано, как выглядит новая конструкция системы ATX в настольном исполнении со снятой верхней крышкой или в вертикальном с удаленной боковой панелью. Обратите внимание: системная плата практически не закрывается отсеками для установки дисководов, что обеспечивает свободный доступ к различным компонентам системы (таким, как процессор, модули памяти, внутренние разъемы дисководов) и не мешает доступу к разъемам шины. Кроме того, процессор расположен рядом с блоком питания.

Системная плата ATX, по сути, представляет собой конструкцию Baby-AT, перевернутую на бок. Разъемы расширения параллельны более короткой стороне и не мешают гнездам процессора, памяти и разъемам ввода-вывода. Кроме полноразмерной схемы ATX, компания Intel описала конструкцию mini-ATX, которая размещается в таком же корпусе. Полноразмерная плата ATX имеет размеры 305,244 мм (12,9.6 дюймов), а плата mini-ATX — 284,208 мм (11.2,8.2 дюймов).

Рис. 1. Системная плата ATX, установленная в корпусе, располагается таким образом, что гнездо процессора находится рядом с вентилятором блока питания (и с вентилятором, встроенным в корпус, если таковой существует)

Несмотря на то что отверстия в корпусе располагаются так же, как и в Baby-AT, конструкции ATX и Baby-AT несовместимы. Для источников питания необходим сменный разъем, но основная конструкция источника питания ATX аналогична конструкции стандартного источника питания Slimline.

Не снимая кожух компьютера, можно определить, имеет ли установленная в нем плата формфактор ATX. Обратите внимание на заднюю панель системного блока. ATX имеет две отличительные черты. Во-первых, все разъемы плат расширения подключены непосредственно к системной плате; нет никаких выносных плат, как у LPX или NLX. Разъемы перпендикулярны к плоскости системной платы. Во-вторых, платы ATX имеют уникальную платформу удвоенной высоты для всех встроенных разъемов на системной плате (рис. 2).

. Рис. 2. Типичное расположение разъемов на плате ATX (вид сзади):

A — клавиатура или мышь PS/2,

B — клавиатура или мышь PS/2,

C — порт USB 1,

D — порт USB 0,

E — последовательный порт A,

F — параллельный порт,

G — последовательный порт B,

H — порт MIDI или игровой (необязательный),

I — линейный выход (необязательный),

J — линейный вход (необязательный),

K — микрофонный вход (необязательный)

Формфактор системной платы micro-ATX был впервые представлен компанией Intel в декабре 1997 года как вариант уменьшенной платы ATX, предназначенный для небольших и недорогих систем. Уменьшение формфактора стандартной платы ATX привело к уменьшению размеров корпуса, системной платы и блока питания и в конечном счете к снижению стоимости системы в целом. Кроме того, формфактор micro-ATX совместим с формфактором ATX, что позволяет использовать системную плату micro-ATX в полноразмерном корпусе ATX. Но вставить полноразмерную плату ATX в корпус micro-ATX, как вы понимаете, нельзя. В начале 1999 года этот формфактор стремительно захватил рынок недорогих компьютерных систем. В настоящее время системы mini-tower доминируют на рынке дешевых PC, несмотря на то что их небольшие размеры и узкий корпус серьезно ограничивают возможную модернизацию.

Системные платы формфакторов micro-ATX и ATX имеют следующие основные различия:

- уменьшенная ширина (244 мм (9,6 дюйма) вместо 305 мм (12 дюймов) или 284 мм (11,2 дюйма));

- уменьшенное число разъемов;

- уменьшенный блок питания (формфактора SFX).

Максимальные размеры системной платы micro-ATX достигают всего лишь 9.6,9.6 дюймов (244,244 мм) по сравнению с полноразмерной платой ATX (12,9.6 дюймов, или 300,244 мм) либо mini-ATX (11.2,8.2 дюймов, или 284,208 мм). Размеры системной платы могут быть уменьшены, если расположение ее крепежных отверстий и разъемов будет соответствовать промышленному стандарту. Уменьшенное количество разъемов не составит проблемы для обычного пользователя домашнего или офисного компьютера, так как некоторая часть системных компонентов, к числу которых относятся, например, звуковая и графическая платы, часто встраивается в системную плату. Высокая интеграция компонентов уменьшает стоимость системной платы и соответственно всей системы. Внешние разъемы USB, 10/100 Ethernet, иногда SCSI или 1394 (FireWire) также могут содержать дополнительные слоты расширения.

В системах micro-ATX благодаря соответствию разъемов с успехом использовался стандартный блок питания ATX. Но, несмотря на это, специально для таких систем был разработан уменьшенный формфактор блока питания, получивший название SFX. Уменьшение размеров блока питания, в свою очередь, позволяет улучшить компоновку элементов и соответственно уменьшить в целом размеры системы и потребляемую ею мощность. Но при использовании блока питания SFX можно столкнуться с недостатком выходной мощностидля более быстрых или полностью сконфигурированных систем. Потребляемая мощность современных систем существенно выросла, поэтому шасси большей части систем micro-ATX разработано под стандартный блок питания ATX.

Совместимость плат micro-ATX с ATX означает следующее:

- использование одного и того же 20-контактного разъема питания;

- стандартное расположение разъемов ввода-вывода;

- одинаковое расположение крепежных винтов.

Сходство геометрических параметров позволяет установить системную плату micro-ATX как в корпус ATX, содержащий стандартный блок питания, так и в уменьшенный корпус micro-ATX, использующий меньший по размерам блок питания SFX.

Общие размеры системы micro-ATX достаточно малы. Типичная система, созданная на основе платы указанного формфактора, имеет следующие размеры: высота 304,8 или 355,6 мм (12 или 14 дюймов), ширина 177,8 мм (7 дюймов), длина 304,8 мм (12 дюймов), что соответствует корпусу класса micro-tower или desktop. Типичная системная плата micro-ATX показана на рис. 3.

Рис. 3. Системная плата формфактора micro-ATX

Flex-ATX

В марте 1999 года Intel опубликовала дополнение к спецификации micro-ATX, названное flex-ATX. В этом дополнении описывались системные платы еще меньшего размера, чем ATX, которые позволяют производителям создавать небольшие и недорогие системы. Формфактор flex-ATX определяет системную плату, которая является наименьшей из семейства ATX. Размеры этой платы всего лишь 229,191 мм (9.0,7.5 дюймов). В отличие от плат с формфактором micro-ATX, платы flex-ATX имеют меньший размер и поддерживают процессоры, для установки которых используются гнезда типа Socket — Socket 7 или Socket A для процессоров AMD, Socket 370 версии PPGA (Plastic Pin Grid Array) и FCPGA (Flip Chip PGA) для Intel Celeron и Pentium III, а также новое гнездо Socket 423 для Pentium 4. Плата flex-ATX не поддерживает разъемов Slot 1, Slot 2 или Slot A, которые служат для установки процессоров Pentium II/III и Athlon. Как вы знаете, в своих последних разработках компании Intel и AMD используют процессоры исключительно конструкции Socket, поэтому их несовместимость с процессорами других типов большой роли не играет.

Системные платы flex-ATX отличаются, как было уже сказано, меньшими размерами и поддержкой процессоров конструкции Socket. В остальном же платы flex-ATX обратно совместимы со стандартной платой ATX, так как используют единое расположение крепежных отверстий, а также одинаковую спецификацию разъемов питания и ввода-вывода.

В большинстве систем flex-ATX чаще всего используются блоки питания наименьшего формфактора SFX, представленного в спецификации micro-ATX. В то же время, если позволяют размеры корпуса, может использоваться и стандартный блок питания ATX.

ATX Riser

В декабре 1999 года Intel представила очередную модификацию системных плат семейства ATX. Эта конструкция включает в себя дополнительный 22-контактный (2,11) разъем, расположенный в одном из слотов PCI системной платы, в котором размещается вертикальная плата, содержащая, в свою очередь, два или три разъема. Эта плата позволяет установить две или три дополнительные платы PCI. Следует заметить, что данная конструкция не поддерживает AGP.

При добавлении 22-контактного разъема расширения к одному из слотов PCI, в системной плате генерируются дополнительные сигналы, необходимые для поддержки платы ATX Riser, содержащей два или три разъема. В эти разъемы могут быть подключены платы PCI стандартной длины. Следует заметить, что системная плата может использоваться как с платой ATX Riser, так и без нее. Однако если плата ATX Riser установлена, то оставшиеся разъемы PCI системной платы не используются; следовательно, для подключения плат расширения придется сделать выбор между системной платой и ATX Riser. Плата ATX Riser предназначена исключительно для плат PCI (отсутствует поддержка плат AGP или ISA). На рис. 4 показана системная плата ATX с установленной платой ATX Riser.

Разъем расширения с 22 контактами обычно устанавливается в шестой разъем шины PCI (второй с правой стороны). Нумерация разъемов, как правило, начинается с седьмого разъема, наиболее близкого к процессору, и выполняется справа налево.

Разъем PCI платы ATX Riser представляет собой стандартный разъем PCI с идентичными сигналами.

Системы, использующие плату ATX Riser, принадлежат в основном к низкопрофильным конструкциям. Поэтому платы PCI и AGP, имеющие стандартную длину, нельзя установить в свободные разъемы системной платы. Стандарт ATX Riser первоначально разрабатывался для младших моделей системных плат, интегрированных со звуковыми, графическими и сетевыми микросхемами. Несмотря на это, указанный стандарт используется во многих серверах стоечного исполнения. Это связано с тем, что в ATX Riser большая часть требуемых компонентов уже встроена в системную плату. Фактически плата ATX Riser чаще используется в серверах стоечного исполнения, чем в настольных системах Slimline.

Тем не менее платы ATX Riser, совместимые с ними корпуса и системные платы различных производителей позволяют пользователям сконструировать собственную систему Slimline ATX.

Рис. 4. Плата ATX Riser в системной плате формфактора micro-ATX

NLX

NLX представляет собой низкопрофильный формфактор, предназначенный для замены ранее используемой нестандартной конструкции LPX. Многочисленные усовершенствования, отличающие формфактор NLX от конструкции LPX, позволяют в полной мере использовать самые последние технологии в области системных плат. NLX — это улучшенная и, что самое главное, полностью стандартизированная версия независимой конструкции LPX.

Применение системных плат LPX ограничено физическими размерами современных процессоров и соответствующих им теплоотводов, а также новыми типами шин (например, AGP). Эти проблемы были учтены при разработке формфактора NLX (рис. 5). Конструкция системной платы NLX также позволяет разместить сдвоенный процессор Pentium III, установленный в разъемы Slot 1.

В формфакторе LPX дополнительная вертикальная плата подключается к системной плате. Основная особенность системы NLX состоит в том, что, в отличие от LPX, системная плата подключается к разъему вертикально расположенной дополнительной платы. Подобная конструкция позволяет извлечь системную плату без отключения вертикальной платы или подключенных к ней адаптеров. Кроме того, системная плата NLX не содержит каких-либо внутренних кабелей или подключенных к ней разъемов. Устройства, обычно подключаемые к системной плате (кабели дисковода, блоки питания, индикаторные лампы лицевой панели, разъемы выключателей и т.п.) подключены вместо этого к дополнительной вертикальной плате (рис. 6).

Используя то, что основные разъемы находятся на дополнительной плате, можно снять верхнюю крышку корпуса компьютера и без особых усилий извлечь системную плату, не отключив при этом ни одного кабеля или разъема. Это позволяет невероятно быстро заменить системную плату; фактически на замену системной платы NLX у меня уходит не более 30 секунд!

Рис. 5. Системная плата формфактора NLX

Рис. 6. Внешний вид выносной платы формфактора NLX

WTX

Формфактор систем и системных плат WTX разрабатывался для рабочих станций среднего уровня. WTX по своим параметрам ненамного отставал от ATX и определял размер/форму системной платы, а также интерфейс платы и корпуса, разработанный в соответствии с особенностями формфактора.

Некоторые из представленных систем формфактора WTX разрабатывались в качестве серверов. На рис. 7 показана типичная система WTX со снятой крышкой. Обратите внимание, что свободный доступ к внутренним компонентам системы обеспечивается за счет выдвижения сборочных модулей и возможности открывать боковые панели.

Системные платы WTX, максимальная ширина которых достигает 14 дюймов (356 мм), а максимальная длина 16,75 дюйма (425 мм), гораздо больше плат ATX. Минимальные размеры платы не ограничены, поэтому производители могут уменьшать размеры плат в соответствии с монтажными критериями.

Официальные требования по установке и расположению системной платы WTX не определены, что позволяет обеспечить необходимую гибкость конструкции. Точное расположение и размер крепежных отверстий также не указывается; вместо этого системная плата WTX устанавливается на стандартной монтажной плате, которая должна быть поставлена в комплекте с системной платой. Конструкция корпуса WTX позволяет установить монтажную плату с присоединенной к ней системной платой.

Рис. 7. Область разъемов системной платы формфактора NLX

Рис. 8. Корпус WTX упрощает доступ к компонентам системы

Системные платы оригинальной разработки

Системные платы, которые не обладают одним из стандартных формфакторов (полноразмерный AT, Baby-AT, ATX, mini-ATX, micro-ATX или NLX), называются системными платами оригинальной разработки. Не рекомендуется покупать компьютер с системными платами нестандартных конструкций, поскольку в них не предусмотрено условие замены системной платы, источника питания или корпуса, что значительно ограничивает возможности модернизации. Компьютеры с такими платами также трудно ремонтировать. Проблема состоит в том, что комплектующие для замены можно достать только у изготовителя системы и они обычно во много раз дороже стандартных. По истечении срока гарантии систему с такой платой не стоит восстанавливать. Если системная плата выйдет из строя, дешевле купить новую стандартную систему целиком, поскольку такая плата в пять раз дороже новой стандартной системной платы. Кроме того, новая системная плата со стандартным формфактором, скорее всего, будет обладать более высоким быстродействием, чем заменяемая.

Объединительные платы

Системные платы в полном комплекте установлены не во всех компьютерах. В некоторых системах компоненты, обычно расположенные на системной плате, устанавливаются в плату расширения. В таких компьютерах главная плата с разъемами называется объединительной платой, а компьютеры, использующие такую конструкцию, — компьютерами с объединительной платой.

Существует два основных типа систем с объединительными платами: пассивные и активные.

Пассивные объединительные платы вообще не содержат никакой электроники, кроме разве что разъемов шины и нескольких буферов и драйверных схем. Все остальные схемы обычных системных плат размещены на платах расширения. Есть пассивные системы, в которых вся системная электроника находится на единственной плате расширения. Практически это настоящая системная плата, но она должна быть вставлена в разъем на пассивной объединительной плате. Такая конструкция была разработана для того, чтобы как можно более упростить модернизацию системы и замену в ней любых плат. Но из-за высокой стоимости системных плат нужного типа подобные конструкции крайне редко встречаются в персональных компьютерах. А вот в промышленных системах пассивные объединительные платы весьма популярны. И еще их можно встретить в некоторых мощных серверах.

Активные объединительные платы включают схемы управления шиной и множество других компонентов. Большинство таких плат содержат всю электронику обычной системной платы, кроме процессорного комплекса. Процессорным комплексом называют ту часть схемы платы, которая включает сам процессор и непосредственно связанные с ним компоненты — тактовый генератор, кэш и т.д. Если процессорный комплекс расположен на отдельной плате, то упрощается операция замены процессора более новым. В такой системе достаточно заменить только эту плату, а системную плату менять не обязательно. Получается, что у вас как бы модульная системная плата с заменяемым процессорным комплексом. Большинство современных компьютеров с объединительной платой используют именно активную плату с отдельным процессорным комплексом. Компании Compaq и IBM используют такую конструкцию в своих самых мощных системах серверного класса. Активные объединительные платы позволяют легко и с наименьшими затратами модернизировать систему, поскольку плата процессорного комплекса гораздо дешевле системной. К сожалению, интерфейс процессорных комплексов до сих пор не стандартизирован, поэтому такие платы рекомендуется покупать только у производителя системы.

Компоненты системной платы

В современную системную плату встроены такие компоненты, как гнезда процессоров, разъемы и микросхемы. Самые современные системные платы содержат следующие компоненты:

- гнездо для процессора;

- набор микросхем системной логики (компоненты North/South Bridge или Hub);

- микросхема Super I/O;

- базовая система ввода-вывода (ROM BIOS);

- гнезда модулей памяти SIMM/DIMM/RIMM;

- разъемы шин ISA/PCI/AGP;

- разъем AMR (Audio Modem Riser);

- разъем CNR (Communications and Networking Riser);

- преобразователь напряжения для центрального процессора;

- батарея.

Некоторые системные платы также включают интегрированные аудио- и видеоадаптеры, сетевой и SCSI-интерфейсы, а также другие элементы, в зависимости от типа системной платы.

Гнезда для процессоров

Процессоры можно устанавливать в гнезда типа Socket или Slot.

Были разработаны стандарты для гнезд типа Socket, в которые можно установить различные модели конкретного процессора. Каждый тип гнезда Socket или Slot имеет свой номер. Любая системная плата содержит гнездо типа Socket или типа Slot; по номеру можно точно определить, какие типы процессоров могут быть установлены в данное гнездо.

Изначально, процессоры всех типов устанавливались в гнезда (или впаивались непосредственно в системную плату). С появлением Pentium II и первых версий процессоров Athlon, компании Intel и AMD перешли к другой конструкции, разработанной вследствие того, что в процессоры была включена встроенная кэш-память второго уровня, приобретаемая в виде отдельных микросхем памяти Static RAM (SRAM) у сторонних производителей. Таким образом, процессор содержал в себе уже несколько различных микросхем, установленных на дочерней плате, которая, в свою очередь, была подключена в разъем системной платы. Основным недостатком этой весьма неплохой конструкции являются дополнительные расходы, связанные с приобретением микросхем кэш-памяти, дочерней платы, разъема, корпуса или упаковки, механизмов поддержки и подставок для установки процессора и теплоотвода.

С появлением второго поколения процессоров Celeron компания Intel начала интегрировать кэш-память второго уровня непосредственно в кристалл процессора, не добавляя в схему процессора каких-либо дополнительных микросхем. Второе поколение процессоров Pentium III (кодовое имя Coppermine), процессоры K6-3, Duron (кодовое имя Spitfire) и второе поколение процессоров Athlon (кодовое имя Thunderbird) компании AMD (ранние версии процессора Thunderbird Athlon имеют конфигурацию Slot A) также содержат встроенную кэш-память второго уровня. Появление встроенного кэша позволило вернуться к однокристальной конструкции процессора, а следовательно, отказаться от его установки на отдельной плате. В результате интеграции кэш-памяти второго уровня производители вернулись к конструкции Socket, которая сохранится, вероятно, в обозримом будущем. В настоящее время конструкция процессоров Socket используется практически во всех современных моделях.

Кроме того, интеграция кэш-памяти позволила повысить рабочую частоту кэша второго уровня с половины или одной трети до полной тактовой частоты процессора. Характерной особенностью процессора Itanium является корпус, содержащий кэш-память третьего уровня, также устанавливаемый в гнездо системной платы.

Наборы микросхем системной логики

Современные системные платы невозможно представить без микросхем системной логики. Набор микросхем подобен системной плате. Другими словами, две любые платы с одинаковым набором микросхем функционально идентичны. Набор микросхем системной логики включает в себя интерфейс шины процессора (которая называется также Front-Side Bus или FSB), контроллеры памяти, контроллеры шины, контроллеры ввода-вывода и т.п. Все схемы системной платы также содержатся в наборе микросхем. Если сравнивать процессор компьютера с двигателем автомобиля, то аналогом набора микросхем является, скорее всего, шасси. Оно представляет собой металлический каркас, служащий для установки двигателя и выполняющий роль промежуточного звена между двигателем и внешним миром. Набор микросхем — это рама, подвеска, рулевой механизм, колеса и шины, коробка передач, карданный вал, дифференциал и тормоза. Шасси автомобиля представляет собой механизм, преобразующий энергию двигателя в поступательное движение транспортного средства. Набор микросхем, в свою очередь, является соединением процессора с различными компонентами компьютера. Процессор не может взаимодействовать с памятью, платами адаптера и различными устройствами без помощи наборов микросхем. Если воспользоваться медицинской терминологией и сравнить процессор с головным мозгом, то набор микросхем системной логики по праву займет место позвоночника и центральной нервной системы.

Набор микросхем управляет интерфейсом или соединениями процессора с различными компонентами компьютера. Поэтому он определяет в конечном счете тип и быстродействие используемого процессора, рабочую частоту шины, скорость, тип и объем памяти. В сущности, набор микросхем относится к числу наиболее важных компонентов системы, даже, наверное, более важных, чем процессор. Мне приходилось видеть системы с мощными процессорами, которые проигрывали в быстродействии системам, содержащим процессоры меньшей частоты, но более функциональные наборы микросхем. Во время соревнований опытный гонщик часто побеждает не за счет высокой скорости, а за счет умелого маневрирования.

Наборы микросхем системной логики компании Intel

В 1993 году Intel одновременно с первым процессором Pentium представила набор микросхем системной логики 430LX, а также полностью законченную системную плату. Это вызвало огорчения не только производителей наборов микросхем, но и компаний, занимающихся сборкой системных плат. Мало того что Intel была основным поставщиком компонентов, необходимых для формирования системных плат (процессоры и наборы микросхем системной логики), но она занялась производством и продажей готовых системных плат!

В наши дни, наряду с разработкой процессоров, Intel продолжает заниматься созданием наборов микросхем системной логики и системных плат, т.е. представление и выпуск нового продукта происходит практически одновременно. Подобный подход позволяет избавиться от свойственных началу компьютерной эпохи задержек, которые возникают между созданием новых процессоров и появлением системных плат, где они могут быть использованы. С точки зрения потребителя, это означает, в первую очередь, возможность скорейшего использования новой системы.

Во многих недорогих системах, продаваемых в розницу и созданных на основе формфактора micro-ATX, используются системные платы других производителей, что позволяет удерживать цены на постоянном уровне. Несмотря на то что многие компании производят Intel-совместимые системные платы, используемые для модернизации систем или локальных компьютерных сборок, Intel все еще занимает доминирующее положение среди основных поставщиков OEM на рынке систем средней и высшей ценовых категорий.

По номеру на большей микросхеме системной платы можно идентифицировать набор микросхем системной логики. Например, в системах на базе процессоров Pentium II/III широко используется набор микросхем системной логики 440BX, который состоит из двух компонентов: 82443BX North Bridge и 82371EX South Bridge. Набор микросхем 850 поддерживает Pentium 4 и состоит из двух основных частей: 82850 Memory Controller Hub (MCH) и 82801BA I/O Controller Hub (ICH2). Прочитав логотип компании (Intel или какой-либо другой), а также номера компонентов и комбинации символов микросхем системной платы, можно легко идентифицировать набор микросхем, используемый в конкретной системе. При создании наборов микросхем Intel использует два различных типа архитектуры: North/South Bridge и более современную hub-архитектуру, которая используется во всех последних наборах микросхем системной логики серии 800.

Наборы микросхем для процессоров AMD Athlon/Duron

Выпустив на рынок процессоры Athlon/Duron, компания AMD пошла на рискованный шаг: для них не существовало наборов микросхем системной логики, а кроме того, они были несовместимы с существующими разъемами Intel для процессоров Pentium II/III и Celeron. Вместо “подгонки” к существующим стандартам Intel компания AMD разработала собственный набор микросхем и на его базе системные платы для процессоров Athlon/Duron.

Этот набор микросхем получил название AMD 750 (кодовое название Irongate) и поддерживает процессоры Socket/Slot A. Он состоит из микросхем 751 System Controller (компонент North Bridge) и 756 Peripheral Bus Controller (компонент South Bridge). Не так давно AMD представила набор микросхем AMD-760 для процессоров Athlon/Duron, который является первым основным набором микросхем системной логики, поддерживающим память DDR SDRAM. Он состоит из двух микросхем: AMD-761 System Bus Controller (компонент North Bridge) и AMD-766 Peripheral Bus Controller (компонент South Bridge). Ряд компаний, в число которых вошли VIA Technologies и SiS, создали несколько наборов микросхем, разработанных специально для процессоров AMD типа Socket/Slot A. Это дало возможность компаниям производителям разработать несколько типов системных плат, поддерживающих указанные микросхемы и процессоры Athlon/Duron, что позволило, в свою очередь, отхватить изрядную долю рынка у компании Intel.

Архитектура North/South Bridge

Большинство ранних версий наборов микросхем Intel (и практически все наборы микросхем других производителей) созданы на основе многоуровневой архитектуры и содержат компоненты North Bridge и South Bridge, а также микросхему Super I/O.

North Bridge. Этот компонент представляет собой соединение быстродействующей шины процессора (400/266/200/133/100/66 МГц) с более медленными шинами AGP (533/266/133/66 МГц) и PCI (33 МГц)

South Bridge. Этот компонент является мостом между шиной PCI (66/33 МГц) и более медленной шиной ISA (8 МГц)

Super I/O. Это отдельная микросхема, подсоединенная к шине ISA, которая фактически не является частью набора микросхем и зачастую поставляется сторонним производителем, например National Semiconductor или Standard Microsystems Corp. (SMSC). Микросхема Super I/O содержит обычно используемые периферийные элементы, объединенные в одну микросхему

Наборы микросхем, созданные за последние годы, позволяют поддерживать различные типы процессоров, скорости шин и схемы периферийных соединений.

North Bridge иногда называют контроллером PAC (PCI/AGP Controller). В сущности, он является основным компонентом системной платы и единственной, за исключением процессора, схемой, работающей на полной частоте системной платы (шины процессора). В современных наборах микросхем используется однокристальная микросхема North Bridge; в более ранних версиях находилось до трех отдельных микросхем, составляющих полную схему North Bridge.

South Bridge — компонент в наборе микросхем системной логики с более низким быстродействием; он всегда находился на отдельной микросхеме. Одна и та же микросхема South Bridge может использоваться в различных наборах микросхем системной логики. South Bridge подключается к шине PCI (33 МГц) и содержит интерфейс шины ISA (8 МГц). Кроме того, обычно он содержит две схемы, реализующие интерфейс контроллера жесткого диска IDE и интерфейс USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина), а также схемы, реализующие функции памяти CMOS и часов. South Bridge содержит также все компоненты, необходимые для шины ISA, включая контроллер прямого доступа к памяти и контроллер прерываний.

Микросхема Super I/O, которая является третьим компонентом системной платы, соединена с шиной ISA (8 МГц) и содержит все стандартные периферийные устройства, встроенные в системную плату. Например, большая часть микросхем Super I/O поддерживает параллельный порт, два последовательных порта, контроллер гибких дисков, интерфейс клавиатура/мышь. К числу дополнительных компонентов могут быть отнесены CMOS RAM/Clock, контроллеры IDE, а также интерфейс игрового порта. Системы, содержащие порты IEEE1394 и SCSI, используют для портов этого типа отдельные микросхемы.

Hub-архитектура

В новой серии 800 набора микросхем используется hub-архитектура, в которой компонент North Bridge получил название Memory Controller Hub (MCH), а компонент South Bridge — I/O Controller Hub (ICH). В результате соединения компонентов посредством шины PCI образуется стандартная конструкция North/South Bridge. В hub-архитектуре соединение компонентов выполняется с помощью выделенного hub-интерфейса, скорость которого вдвое выше скорости шины PCI. Hub-архитектура обладает некоторыми определенными преимуществамипо отношению к традиционной конструкции North/South Bridge.

Увеличенная пропускная способность. Hub-интерфейс представляет собой 8-разрядный интерфейс 4X (четырехтактный) с тактовой частотой 66 МГц (4 Ч 66 МГц Ч 1 байт = 266 Мбайт/с), имеющий удвоенную по отношению к PCI пропускную способность (33 МГц Ч 32 байт = 133 Мбайт/с).

Уменьшенная загрузка PCI. Hub-интерфейс не зависит от PCI и не участвует в перераспределении или захвате полосы пропускания шины PCI при выполнении трафика набора микросхем или Super I/O. Это повышает эффективность всех остальных устройств, подсоединенных к шине PCI, которая не участвует в выполнении групповых операций.

Уменьшение монтажной схемы. Несмотря на удвоенную по сравнению с PCI пропускную способность, hub-интерфейс имеет ширину, равную 8 разрядам, и требует для соединения с системной платой всего лишь 15 сигналов. Шине PCI, например, для выполнения подобной операции требуется не менее 64 сигналов, что приводит к повышению генерации электромагнитных помех, ухудшению сигнала, появлению “шума” и в конечном итоге к увеличению себестоимости плат.

Разъемы системной платы

В современных системных платах существует множество различных разъемов. На рис. 9 показано расположение разъемов типичной системной платы Intel DB850GB.

Рис. 9. Расположение разъемов на типичной системной плате Intel DB850GB:

A — Communications and Network Riser (CNR),

B — вспомогательный линейный вход типа ATAPI,

C — аудиовход CD-ROM (необязательно),

D — аудиовход CD-ROM традиционного двухмиллиметрового типа (необязательно),

E — разъем расширения AGP Pro (необязательно),

F — силовой разъем ATX 12V,

G — разъемы расширения 32-разрядной шины PCI,

H — разъем AGP,

I — PC/PCI,

J — SCSI LED,

K — вентилятор корпуса (Fan 1),

L — активизация при доступе из локальной сети (LAN),

M — активизация по входящему звонку,

N — вспомогательная лицевая панель LED,

О — лицевая панель USB,

P — лицевая панель,

Q — первичный и вторичный каналы IDE,

R — разъем для подключения дисковода,

S — дополнительный силовой разъем,

T — основной силовой разъем,

V — вентилятор RIMM (Fan 2),

V — регулятор напряжения процессора (Fan 4),

W — Socket 423 (для процессора Pentium 4),

X — теплоотвод процессора (Fan 3),

Y — разъемы RIMM

Назначение и функционирование шин

Основой системной платы являются различные шины, служащие для передачи сигналов компонентам системы. Шина (bus) представляет собой общий канал связи, используемый в компьютере и позволяющий соединить два или более системных компонента. Существует определенная иерархия шин PC, которая выражается в том, что каждая более медленная шина соединена с более быстрой. Современные компьютерные системы включают три, четыре или более шин. Каждое системное устройство соединено с какой-либо шиной, причем определенные устройства (чаще всего это наборы микросхем) выполняют роль моста между шинами.

Шина процессора. Эта высокоскоростная шина является ядром набора микросхем и системной платы. Используется в основном процессором для передачи данных между кэш-памятью или основной памятью и компонентом North Bridge набора микросхем. В системах на базе процессоров Pentium II эта шина работает на частоте 66, 100, 133 или 200 МГц и имеет ширину 64 разряда.

Шина AGP. Эта 32-разрядная шина работает на частоте 66 (AGP 1х), 133 (AGP 2х) или 266 МГц (AGP 4х) и предназначена для подключения видеоадаптера. Она подключается к компоненту North Bridge или Memory Controller Hub (MCH) набора микросхем системной логики.

Шина PCI. Эта 32-разрядная шина работает на частоте 33 МГц; используется начиная с систем на базе процессоров 486. В настоящее время есть реализация этой шины с частотой 66 МГц. Находится под управлением контроллера PCI — части компонента North Bridge или Memory Controller Hub (MCH) набора микросхем. На системной плате устанавливаются разъемы, обычно четыре или более, в которые можно подключать сетевые, SCSI- и видеоадаптеры, а также другое оборудование, поддерживающее этот интерфейс. К шине PCI подключается компонент South Bridge набора микросхем, который содержит реализации интерфейса IDE и USB.

Шина ISA. Это 16-разрядная шина, работающая на частоте 8 МГц; впервые стала использоваться в системах AT в 1984 году (была 8-разрядной и работала на частоте 5 МГц). Имела широкое распространение до настоящего времени, но из спецификации PC99 исключена. Реализуется с помощью компонента South Bridge. Чаще всего к этой шине подключается микросхема Super I/O.

Некоторые современные системные платы содержат специальный разъем, получивший название Audio Modem Riser (AMR) или Communications and Networking Riser (CNR). Подобные специализированные разъемы предназначены для плат расширения, обеспечивающих выполнение сетевых и коммуникационных функций. Следует заметить, что эти разъемы не являются универсальным интерфейсом шины, поэтому лишь немногие из специализированных плат AMR или CNR присутствуют на открытом рынке. Как правило, такие платы прилагаются к какой-либо определенной системной плате. Их конструкция позволяет легко создавать как стандартные, так и расширенные системные платы, без необходимости резервировать место на платах для установки дополнительных микросхем. Большинство системных плат, обеспечивающих стандартные сетевые функции и функции работы с модемом, созданы на основе шины PCI, так как разъемы AMR/CNR имеют специализированное назначение.

В современных системных платах существуют также скрытые шины, которые никак не проявляются в виде гнезд или разъемов. Имеются в виду шины, предназначенные для соединения компонентов наборов микросхем, например hub-интерфейса и шины LPC. Hub-интерфейс представляет собой четырехтактную (4x) 8-разрядная шину с рабочей частотой 66 МГц, которая используется для обмена данными между компонентами MCH и ICH набора микросхем (hub-архитектура). Пропускная способность hub-интерфейса достигает 266 Мбайт/с, что позволяет использовать его для соединения компонентов набора микросхем в недорогих конструкциях.

Для подобных целей предназначена и шина LPC, которая представляет собой 4-разрядную шину с максимальной пропускной способностью 6,67 Мбайт/с и применяется в качестве более экономичного по сравнению с шиной ISA варианта. Обычно шина LPC используется для соединения Super I/O или компонентов ROM BIOS системной платы с основным набором микросхем. Шина LPC имеет примерно равную рабочую частоту, но использует значительно меньше контактов. Это позволяет полностью отказаться от использования шины ISA в системных платах.

Шина процессора

Эта шина соединяет процессор с компонентом набора микросхем North Bridge или Memory Controller Hub. Она работает на частотах 66–200 МГц. Используется для передачи данных между процессором и основной системной шиной или между процессором и внешней кэш-памятью в системах на базе процессоров пятого поколения. Взаимодействие шин в типичном компьютере на базе процессора Pentium (Socket 7) показано на рис. 10.

В системах, созданных на основе процессоров Socket 7, внешняя кэш-память второго уровня установлена на системной плате и соединена с шиной процессора, которая работает на частоте системной платы (обычно от 66 до 100 МГц). Таким образом, при появлении процессоров Socket 7 с более высокой тактовой частотой рабочая частота кэш-памяти осталась равной сравнительно низкой частоте системной платы. Например, в наиболее быстродействующих системах Intel Socket 7 частота процессора равна 233 МГц, а частота шины процессора при множителе 3,5х достигает только 66 МГц. Следовательно, кэш-память второго уровня также работает на частоте 66 МГц. Возьмем, например, систему Socket 7, использующую процессоры AMD K6-2 550, которые работают на частоте 550 МГц; при множителе 5,5х частота шины процессора равна 100 МГц. Следовательно, в этих системах частота кэш-памяти второго уровня достигает только 100 МГц.

Шина памяти

Шина памяти предназначена для передачи информации между процессором и основной памятью системы. Эта шина соединена с набором микросхем системной платы North Bridge или микросхемой Memory Controller Hub. В зависимости от типа памяти, используемой набором микросхем (и, следовательно, системной платой), шина памяти может работать с различными скоростями. Наилучший вариант, если рабочая частота шины памяти будет совпадать со скоростью шины процессора. Пропускная способность систем, использующих память PC133 SDRAM, равна 1066 Мбайт/с, что совпадает с пропускной способностью шины процессора, работающей на частоте 133 МГц. Рассмотрим другой пример: в системах Athlon и некоторых Pentium III используется шина процессора с частотой 266 МГц и память PC2100 DDR SDRAM, имеющая пропускную способность 2133 Мбайт/с — такую же, как и у шины процессора. В системе Pentium 4 используется шина процессора с частотой 400 МГц, а также двухканальная память RDRAM со скоростью передачи данных для каждого канала 1600 или 3200 Мбайт/с при одновременной работе обоих каналов памяти, что совпадает с пропускной способностью шины процессора Pentium 4.

Память, имеющая ту же частоту, что и шина процессора, позволяет отказаться от расположения внешней кэш-памяти на системной плате. Именно поэтому кэш-память второго и третьего уровней была непосредственно интегрирована в процессор.

Назначение разъемов расширения

Шина ввода-вывода позволяет подключать к компьютеру дополнительные устройства для расширения его возможностей. В разъемы расширения устанавливают такие жизненно важные узлы, как контроллеры накопителей на жестких дисках и платы видеоадаптеров; к ним можно подключить и более специализированные устройства, например звуковые платы, сетевые интерфейсные платы, адаптеры SCSI и др.

Типы шин ввода-вывода

За время, прошедшее после появления первого PC, особенно за последние годы, было разработано довольно много вариантов шин ввода-вывода. Объясняется это просто: для повышения производительности компьютера нужна быстродействующая шина ввода-вывода. Производительность определяется тремя основными факторами:

- быстродействием процессора;

- качеством программного обеспечения;

- возможностями мультимедиа-компонентов.

Чтобы улучшить каждый из этих параметров, нужна шина ввода-вывода с максимальным быстродействием. Как это ни удивительно, значительное число компьютеров до сих пор выпускается с такой же архитектурой шины, которая применялась в компьютерах IBM класса PC/AT. Однако сейчас ситуация изменилась, поскольку в новых компьютерах используются принципиально другие шины ввода-вывода; их структура постоянно совершенствуется, а стоимость снижается. Шины ввода-вывода различаются архитектурой.

Основными на сегодняшний день являются:

ISA (Industry Standard Architecture);

MCA (Micro Channel Architecture);

EISA (Extended Industry Standard Architecture);

VESA (также называемая VL-Bus или VLB);

локальная шина PCI;

AGP;

PC Card (или PCMCIA);

FireWire (IEEE-1394);

USB (Universal Serial Bus).

Различия между этими шинами в основном связаны с объемом одновременно передаваемых данных (разрядностью) и скоростью передачи (быстродействием). Каждая шина строится на основе специальных микросхем, которые подключаются к шине процессора. Обычно эти же микросхемы используются и для управления шиной памяти.

Локальные шины

Шины ISA, МСA и EISA имеют один общий недостаток — сравнительно низкое быстродействие. Это ограничение существовало еще во времена первых PC, в которых шина ввода-вывода работала с той же скоростью, что и шина процессора. Быстродействие шины процессора возрастало, а характеристики шин ввода-вывода улучшались в основном за счет увеличения их разрядности. Ограничивать быстродействие шин приходилось потому, что большинство произведенных плат адаптеров не могли работать при повышенных скоростях обмена данными.

Шина PCI

В начале 1992 года Intel организовала группу разработчиков, перед которой была поставлена та же задача, что и перед группой VESA, — разработать новую шину, в которой были бы устранены все недостатки шин ISA и EISA. В июне 1992 года была выпущена спецификация шины PCI версии 1.0, которая с тех пор претерпела несколько изменений.

Создатели PCI отказались от традиционной концепции, введя еще одну шину между процессором и обычной шиной ввода-вывода. Вместо того чтобы подключить ее непосредственно к шине процессора, весьма чувствительной к подобным вмешательствам (что отмечалось в предыдущем разделе), они разработали новый комплект микросхем контроллеров для расширения шины

PCI добавляет к традиционной конфигурации шин еще один уровень. При этом обычная шина ввода-вывода не используется, а создается фактически еще одна высокоскоростная системная шина с разрядностью, равной разрядности данных процессора. Компьютеры с шиной PCI появились в середине 1993 года, и вскоре она стала неотъемлемой частью компьютеров высокого класса.

Тактовая частота стандартной шины PCI равна 33 МГц, а разрядность соответствует разрядности данных процессора. Для 32-разрядного процессора пропускная способность составляет 132 Мбайт/с:

33 МГц х 32 бит = 1 056 Мбит/с;

1056 Мбит/с : 8 = 132 Мбайт/с.

В настоящее время 64-разрядные шины или шины с рабочей частотой 66 и 133 МГц используются только в системных платах серверов или рабочих станций. Одно из основных преимуществ шины PCI заключается в том, что она может функционировать одновременно с шиной процессора. Это позволяет процессору обрабатывать данные внешней кэш-памяти одновременно с передачей информации по шине PCI между другими компонентами системы. Для подключения адаптеров шины PCI используется специальный разъем. Эти разъемы легко распознать, так как они обычно устанавливаются отдельно от разъемов шин ISA, MCA или EISA (рис. 12). Платы PCI могут быть тех же размеров, что и платы для обычной шины ввода-вывода.

Стандарт PCI предлагает три вида плат для компьютеров разных типов и с различным напряжением питания. Платы с напряжением 5 В предназначены для стационарных компьютеров, а с напряжением 3,3 В — для портативных. Предусмотрены также универсальные адаптеры и системные платы, которые могут работать в компьютерах обоих типов.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите основные характеристики шин ПК

2. Что входит в состав основных компонентов материнской платы ПК

3. В чем отличие шины и порта ПК

Ссылки на дополнительные материалы (печатные и электронные ресурсы)

Гребенюк Е.И., Гребенюк Н.А. Технические средства информатизации издательский дом «Академия»-Москва, 2007 /стр.28-42/