Системные платы. Шины

Системные платы

Системная, или материнская, плата (motherboard – MB) – это важнейшая часть компьютера, содержащая основные электронные компоненты машины. С помощью материнской платы осуществляется взаимодействие между устройствами компьютера.

МВ представляет собой печатную плату, на которой располагаются некоторые микросхемы, остальные компоненты объединяются при помощи системной шины и устанавливаются на дополнительных платах (платах или картах расширения), помещаемых в специальные разъемы (слоты), имеющиеся на материнской плате. Компьютеры, использующие такую технологию, относятся к системам с шинной архитектурой.

Рис. 14. Структурная схема системной платы

Характеристики системных плат:

· Тип процессора.

· Процессорный разъем (Intel – Socket 370, 423, 478, 775; AMD – Socket А, 754, 939. См. Приложение IV – процессоры Intel и Приложение V – процессоры AMD).

· Форм- фактор (типоразмер) определяет размеры системной платы.

– ATX (Advanced Technology eXtended) – один из самых распространенных форматов материнских плат для ПК, идеально подходит для построения домашнего компьютера. Платы ATX имеют размеры 30,5х24,4 см и поддерживают семь слотов расширения.

– mATX (micro ATX) – несколько уменьшенный по размерам стандарт ATX. Подходит для построения офисных компьютеров, когда не требуется много слотов для расширения системы. Платы mATX имеют размеры 24,4х24,4 см и поддерживают четыре слота расширения.

– EATX (Extended ATX) материнские платы отличаются от ATX размерами (до 30,5х33,0 см), требуют специальных блоков питания (24 контакта, в отличие от 20 для ATX) и используются в основном для серверов.

– BTX (Balanced Technology Extended) – новый стандарт, который приходит на смену ATX. При разработке этого форм-фактора большое внимание уделялось эффективному охлаждению установленных на плате элементов. BTX идеально подходит для построения миниатюрных компьютеров. Материнские платы BTX имеют размеры 26,7х32,5 см и поддерживают семь слотов расширения.

– mBTX (micro BTX) – уменьшенный вариант BTX. Размеры таких плат составляют 26,7х26,4 см. mBTX поддерживают четыре слота расширения.

– SSI EEB (Server Standards Infrastructure Entry Electronics Bay). Материнские платы этого стандарта обычно служат для построения серверов. Разъемы для подключения блока питания имеют 24+8 контактов. Габариты таких плат составляют 30,5х33,0 см.

– SSI CEB (SSI Compact Electronics Bay). Материнские платы этого стандарта обычно служат для построения серверов. Разъемы для подключения блока питания имеют 24+8 контактов. Габариты таких плат составляют 30,5х25,9 см.

· Чипсет (chipset) – набор микросхем, реализующих все функции связи основных элементов. Чипсеты состоят из двух микросхем с условными названиями северный мост (North bridge) и южный мост (South bridge). Северный мост обеспечивает управление системной шиной процессора (FSB), шиной оперативной памяти, шиной AGP и интерфейсом связи с южным мостом (либо с шиной PCI в старых чипсетах). Южный мост состоит из контроллеров ввода-вывода, обеспечивает подключение шин PCI, ISA, ATA, USB, памяти CMOS и BIOS.

· Тип памяти и частота работы шины памяти – SDRAM, DDR, DDR-II, RDRAM.

· Число слотов памяти и максимальное емкость поддерживаемой памяти.

· Кэш-память второго и третьего уровней (Cache L2, Cache L3). Обычно кэш-память 2-го уровня устанавливается в один корпус с процессором, а кэш-память 3-го уровня – на материнскую плату.

· BIOS (Basic Input-Output System).

· CMOS память – размещается на системной плате или в составе чипсета. Питается от аккумулятора (батарейки), поэтому энергонезависима (сохраняет информацию при отключении компьютера от сети). Память хранит информацию о параметрах многих устройств, входящих в компьютер, а также о системном времени. Информация может изменяться.

Звуковая карта, видеокарта, адаптер локальной сети – эти устройства могут быть интегрированы в системную плату.

Шины

Шина (bus) – группа проводников, соединяющих несколько устройств и передающих сигналы между ними.

Характеристики шин:

· частота;

· разрядность или ширина шины;

· пропускная способность = частота × разрядность;

· количество подключаемых устройств;

· протокол;

· арбитраж;

· синхронизация.

Операции на шине называют транзакциями. Основные виды транзакций – транзакции чтения и транзакции записи.

Когда два устройства обмениваются информацией по шине, одно из них должно инициировать обмен и управлять им. Такое устройство называют ведущим (bus master). Устройства, не обладающие возможностями инициирования транзакций, называются ведомыми (bus slave).

Виды шин:

1. Системная шина, или шина «процессор-память» (Front-Side Bus, FSB), – шина между процессором и основной памятью (или северным мостом чипсета).

2. Шины расширений (Expansion Bus) – шины общего назначения, позволяющие подключать разнообразные устройства (звуковую карту,сетевую карту, модем, ТВ-тюнер и др.). Слоты шин расширения расположены на системной плате.

3. Локальные шины (Local Bus) – шины для подключения небольшого количества устройств определенного класса, преимущественно видеосистем.

4. Периферийные шины (Peripheral Bus) – шины для внешних запоминающих (винчестер, CD/DVD-дисковод) и периферийных медленнодействующих устройств (принтер, сканер, клавиатура, мышь).

Состав шины

Шина состоит из следующих частей:

· шина адреса;

· шина данных;

· шина управления.

Кроме того, обычно присутствует шина питания.

Любая транзакция начинается с выставления ведущим устройством адреса. На шине адреса могут выдаваться адреса ячеек памяти, номера регистров процессора, адреса портов ввода-вывода. Число линий, выделенных для передачи адреса, определяет максимально возможный размер адресного пространства.

Размер адресного пространства = 2n, где n – число адресных линий.

Пример. Первый персональный компьютер IBM PC с процессором Intel 8088 содержал 20-разрядную шину адреса. Следовательно, процессор мог обращаться к 220= 1 Мбайт памяти.

Пример. Процессор Pentium 4 имеет 36-разрядную шину адреса, что позволяет адресовать 236= 64 Гбайт памяти.

Для передачи данных служит шина данных. Ширина (разрядность) шины данных определяет количество битов, которое может быть передано по шине за одну транзакцию (цикл шины). Цикл шины следует отличать от периода тактовых импульсов – одна транзакция на шине может занимать несколько тактовых импульсов. Пропускная способность определяет скорость передачи данных именно по шине данных.

Пример. Шина расширения ISA (компьютер IBM PC) содержит 16-разрядную шину данных, частота шины – 8 МГц. Пропускная способность = 2 байта * 8 МГц = 16 Мбайт/с.

Пример. В системной шине FSB процессора Pentium 4 ширина шины данных – 64 разряда, частота до 800 МГц. Пропускная способность = 8 байт

800 МГц = 6,4 Гбайт/с.

Можно увеличить пропускную способность шин двумя способами:

1) Увеличить ширину шины данных. Но в этом случае увеличиваются взаимные помехи, наводимые сигналами в одном проводнике на сигналы в другом, и наоборот.

2) Увеличить частоту работы шины. При этом усиливается явление перекоса. Явление перекоса состоит в том, что сигналы, одновременно посланные по разным проводникам шины, достигают пункта назначения в разное время (вследствие отличия характеристик проводников шины и электронных схем, через которые проходят сигналы).

По шине управления передаются следующие сигналы:

· управления транзакциями;

· состояния устройств;

· арбитража;

· прерываний;

· синхронизации;

· питания.

В некоторых шинах линии адреса и данных объединены в единую мультиплексируемую шину адреса/данных. Сначала линии шины используются для передачи адреса, а затем те же самые линии – для передачи данных. Объединение линий сокращает ширину и стоимость шины, но замедляет ее работу.

Пример. В шине расширения PCI используются 64 объединенные линии для данных и адреса.

По количеству проводников для передачи данных различают последовательные и параллельные шины. В последовательных шинах (serial bus) для передачи данных используют одну линию, по которой биты передаются один за другим – последовательно. В параллельных шинах присутствуют несколько проводников, по которым данные могут передаваться одновременно.

Пример. Периферийная шина для подключения внешних накопителей ATA (IDE) – параллельная, в ней 40 или 80 проводов, а новая шина Serial ATA – последовательная, в ней 7 проводов (пара на передачу данных, пара – на прием, 3 – «земля»).

Рассмотрим последовательность событий, происходящих на шине во время одной транзакции (рис. 15). Сначала устройство, которое является ведущим (Bus master), получает управление шиной, после чего оно может выдавать на шину свои данные. Через некоторый интервал времени, определяемый скоростью распространения сигналов по шине, данные достигают ведомого устройства (Bus slave). Скорость распространения

сигналов обычно не превышает 70% скорости света (300 000 км/с). После появления данных на ведомом устройстве выдерживается пауза, для того чтобы сигнал стал устойчивым. Затем сигнал может быть считан и удален с шины.

На рис. 15 приведены примерные значения интервалов для шины частотой 133 МГц.

Рис. 15. Диаграмма пересылки данных

Арбитраж шин

На роль ведущего могут претендовать одновременно несколько устройств (центральный процессор, сопроцессор, устройства ввода-вывода), однако управлять шиной в каждый момент времени может только одно из них. Чтобы исключить конфликты вводится механизм арбитража.

Арбитраж может быть централизованным и децентрализованным. При централизованном арбитраже в системе имеется специальное устройство – центральный арбитр, который в соответствии с приоритетами каждого устройства предоставляет им доступ к шине. При децентрализованном арбитраже каждое ведущее устройство содержит блок управления доступом к шине. При совместном использовании шины такие блоки взаимодействуют друг с другом, разделяя доступ.

Пример. Шина расширения PCI является шиной с централизованным арбитражем. Периферийная шина SCSI – шина с децентрализованным арбитражем.

Протокол шины

Вследствие явления перекоса шины все устройства, использующие шины, должны «знать», когда адреса, данные и управляющие сигналы следует считать достоверными. Метод, выбираемый для информирования одостоверности адресов, данных и сигналов управления шины, называется

протоколом шины.

Существует два основных класса протоколов:

1) Синхронные – все сигналы «привязаны» к импульсам тактового генератора. Изменение управляющих сигналов совпадает с фронтом или спадом тактового импульса (см. SDRAM).

2) Асинхронные – начало очередного события на шине определяется не тактовым импульсом, а предыдущим событием (см. виды памяти: традиционная DRAM, FPM, EDO и BEDO).

В прошлом разработчики ЭВМ предпочитали асинхронные шины, сейчас чаще используются синхронные. Современные синхронные шины несколько быстрее асинхронных, поэтому применяются в канале

«процессор-память», а асинхронные – для периферийных устройств.

Пример. Системная шина Pentium 4, так же как шина расширения PCI, является синхронной, периферийная шина ATA (IDE) асинхронная, а шина SCSI может работать как по синхронному, так и по асинхронному протоколам.