Системные платы, виды и спецификация
Жаркентский финансово-экономический колледж
Предметно-цикловая комиссия общественных и специальных дисциплин
КУРСОВАЯ РАБОТА
Предмет: Комплекс технических средств
Тема: «Системные платы, виды и спецификация».
Выполнила: Малякина Надежда Александровна
Руководитель: преподаватель информатики
Ибрагимов Рустэм Александрович
п. Головацкого –2013 год.
Рецензия
Введение...…………………………………………………
- Печатная плата .………………………………………………………………… 6
- Компоненты материнской платы ………………………………………………6
- Чипсет …………………………………………………………………… . .6
- Центральный процессор .………………………………………………….8
- Оперативная память………………………………………………………..9
- Кэш-память.…………………………………………………
…………….11 - BIOS……………………………………………………………………
…. 12 - Системная шина....……………………………………………………….
.13 - Разъёмы, слоты, порты. .………………………………………………….15
- Контроллеры и адаптеры……………………………………………… ...15
- Генератор тактовой частоты……………………………………………..16
- Фирмы–производители системных плат……………………………………. .17
- Форм-факторы системных плат и их спецификации………………………...18
- Устаревшие форм-факторы………………………………………………
19 - Современные форм-факторы.……………………………………………
21 - Внедряемые форм-факторы..…………………………………………
…. 24
Заключение……………………………………………………
Список использованной литературы…………………………………………….30
Приложение ……………………………………………………………………….31
Введение
Как известно, ни одна электронно-вычислительная машина не способна функционировать без её главного компонента – системной (материнской) платы, основным предназначением которой является объединение всех элементов компьютера. Именно эта важнейшая часть компьютерной платформы и стала предметом изучения моей курсовой работы. В данной работе представлено не только описание самой системной платы и составляющих её элементов, но и характеристика видов и спецификаций материнских плат ПЭВМ.
Системная (материнская) плата задаёт, с одной стороны, фундаментальные параметры компьютера (тип процессора и памяти), определяющие возможный уровень производительности, а с другой – практические (форм-фактор, количество слотов расширения, наличие интегрированных устройств), определяющие потребительские свойства и возможную сферу применения.
Большинство пользователей не знают в чём отличие системных плат от материнских, ведь, по сути, это название одной и той же части ПК. Специалисты отмечают, что с технической точки зрения, материнской называется та плата, которая содержит разъёмы для подключения других печатных плат, системная же – напротив, весьма ограничена в этом вопросе и данных разъёмов не имеет. Однако на сегодняшний день такие платы встречаются крайне редко, поэтому термин «материнская плата» получил большее распространение для обозначения данного элемента. По английской терминологии системную плату называют motherboard (материнская) или mainboard (главная или системная), а вот на сленге IT-специалистов она называется «мамкой» или «материнкой».
Системная плата представляет собой многослойную печатную плату, выполненную из диэлектрического материала, т.е. из материала, который не пропускает электрический ток.
Материнская (системная) плата – это главный функциональный модуль и связующее звено ПЭВМ, на котором располагаются:
- набор системной логики (чипсет);
- центральный процессор, сопроцессор;
- оперативная (основная) память;
- кэш-память;
- базовая система ввода-вывода (BIOS);
- набор дополнительных микросхем поддержки кэш-памяти, основной памяти, системных шин и т.п.;
- системная шина (или набор шин, например PCI ISA и др.);
- связанные с системной шиной унифицированные разъёмы (слоты, порты);
- гнёзда увеличения ресурсов;
- контроллеры и адаптеры периферийных устройств;
- генератор тактовой частоты.
Как видим, у материнской
платы большой набор
Рассматривая виды системных плат, необходимо отметить, что они напрямую зависят от форм-фактора, т.е. от типоразмера. Форм-фактор материнской платы — стандарт, определяющий размеры материнской платы для ПК, места её крепления к корпусу, расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода-вывода, сокета центрального процессора и слотов для оперативной памяти, а также тип разъёма для подключения блока питания. Подробнее со всеми типоразмерами системных плат и их спецификациями вы сможете ознакомиться в 4-й части.
- Печатная плата
Основу системной платы составляет печатная плата. На ней располагаются сигнальные линии, часто называемые сигнальными дорожками, соединяющими между собой все элементы материнской платы. Если сигнальные дорожки расположены слишком близко друг к другу, то передаваемые по ним сигналы будут создавать друг для друга помехи. Чем длиннее дорожка и выше скорость передачи данных по ней, тем больше она создаёт помех для соседних дорожек. В результате, могут возникать сбои в работе даже сверхнадёжных и дорогих компонентов ЭВМ. Поэтому основная задача при производстве печатной платы так разместить сигнальные дорожки, чтобы минимизировать действие помех на передаваемые сигналы. Для этого печатную плату делают многослойной, многократно увеличивая полезную площадь печатной платы и расстояние между дорожками. Обычно современные материнские платы имеют шесть слоёв: три сигнальных слоя, слой заземления и две пластины питания. Однако, количество слоёв питания и сигнальных слоёв может варьироваться в зависимости от особенностей материнских плат.
На печатной плате располагаются все основные компоненты и разъёмы для подключения плат расширения и периферийных устройств. Рассмотрим более подробно все компоненты материнской платы и начнём с главного – чипсета.
- Компоненты материнской платы
- Чипсет
На первых этапах развития компьютерной техники для организации взаимодействия между основными компонентами компьютера, использовались десятки микросхем, что вызвало ряд неудобств, которые должен был исправить чипсет. Фактически 90% функциональности материнской платы зависят от выбора чипсета. Он определяет тип процессора, тип памяти, который будет установлен в системе, также чипсетом определяется возможность подключения тех или иных периферийных устройств.
Чипсет (набор системной логики) – это набор микросхем, обеспечивающий совместное функционирование центрального процессора, памяти, видеокарты, устройств ввода-вывода и других компонентов, подключаемых к материнской плате. Чипсет состоит из северного моста и южного моста (см. схему 1). Иногда северный и южный мосты объединяют в одну микросхему, такое решение называют одночиповым. Классическая структура с двумя микросхемами носит название двухмостовой схемы.
Северный мост (North Bridge, MCH – Memory Controller Hub, системный контроллер) выполняет функции контроля и направления потока данных из 4-х шин: - шины связи с процессором или системной шины (FSB, DMI, Hyper Transport, QPI); - шины связи с памятью; - шины связи с графическим адаптером (AGP, PCI Express); - шины связи с южным мостом (PCI, Hublink, PCI Express). То есть северный мост является центральным узлом материнской платы, который связывает между собой видеоадаптер, память, процессор и элементы, управление которыми совершает южный мост.
Южный мост (South Bridge, ICH – I/O Controller Hub, периферийный контроллер) включает в себя: - контроллер шины связи с северным мостом (PCI, Hublink, DMI, Hyper Transport); - контроллер шины связи с платами расширения (PCI, PCI Express); - контроллер линий связи с периферийными устройствами и другими ЭВМ (USB, FireWire, Ethernet, Wi-Fi); - контроллер шины связи с жёсткими дисками (ATA, SATA, SCSI, SAS); - контроллер шины связи с медленными устройствами (шины ISA, LPC, MCA, SPI). Так же южный мост соединяется с микросхемой BIOS и микросхемой Super I/O, отвечающей за последовательные и параллельные порты.
Для соединения северного и южного мостов используется специальная шина. Разные производители чипсетов используют разные шины: Intel (шина QPI, DMI), AMD (Hyper Transport, PCI Express), Nvidia (Hyper Transport).
На текущее время двухмостовая
схема построения чипсетов постепенно
уходит в прошлое. Всё чаще производители
интегрируют контроллер памяти на кристалл
процессора (к примеру, это реализовано
в структуре некоторых
2.2. Центральный процессор
Центральный процессор управления (ЦПУ) – это основное устройство ЭВМ, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде (рисунок 1). В основе работы современных процессоров лежит вероятностная модель. Её смысл заключается в том, что процессор предсказывает последующие действия программы или пользователя, основываясь на их предыдущих действиях.
Сопроцессор – специализированный процессор, расширяющий возможности ЦПУ, но оформленный как отдельный функциональный модуль. Физически сопроцессор может быть отдельной микросхемой или может быть встроен в центральный процессор (как это делается в случае математического сопроцессора в процессорах для ПК, начиная с Intel 486DX).
ЦП компьютера имеет ряд
технических характеристик, которые
определяют самую главную характеристику
любого процессора – его производительность.
К таким характеристикам
- Тактовая частота – это показатель скорости выполнения команд центральным процессором. Единицей одного такта принято считать 1Гц. Это значит, что если частота равна 1ГГц, то ядро процессора выполняет 1 млрд. тактов. Тактовая частота процессора пропорциональна частоте системной шины.
- Разрядность – это величина, определяющая количество информации, которое ЦП способен обработать за один такт. Если разрядность процессора равна 16, значит, он способен обработать 16 бит информации за один такт. В настоящее время используются 32- и 64-разрядные процессоры.
- Кэш-память – это быстродействующая память компьютера, предназначенная для временного хранения информации (кода выполняемых программ и данных), необходимых центральному процессору. Подробнее о кэш-памяти вы сможете узнать из пункта 2.4.
- Количество ядер. Современные
технологии позволяют
- Частота и разрядность системной шины. Частота шины – это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и системной шиной компьютера. Естественно, чем выше разрядность и частота системной шины, тем выше производительность процессора. Функции системной шины представлены ниже в пункте 2.6.
Процессор на материнской плате установлен в специальном разъёме, который носит название сокет или слот1 (см. рисунок 2). Использование сокета вместо непосредственного припаивания процессора на материнской плате упрощает замену процессора для модернизации или ремонта компьютера, а также снижает стоимость материнской платы. Сокеты различаются по размеру, количеству ножек, соответственно для каждого типа процессора необходимо использовать свой слот для установки. Сокеты имеют разные варианты крепления кулера для охлаждения процессора. Существует всего несколько фирм, специализирующихся на изготовлении процессоров: Intel, AMD, Cyrix, IBM и Texas Instruments. К текущему времени популярной фирмой Intel было выпущено 7 поколений процессоров Pentium.
2.3. Оперативная память
Оперативная (основная) память (от англ. Random Access Memory – «память с произвольным доступом») – энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операций (рисунок 3). Содержащиеся в оперативной памяти данные доступны только тогда, когда на модули памяти подаётся напряжение, т.е. компьютер включён. Пропадание на модулях памяти питания, даже кратковременное, приводит к искажению либо полному уничтожению данных в ОЗУ (оперативном запоминающем устройстве). Обязательным условием является адресуемость памяти (каждое машинное слово имеет индивидуальный адрес). Оперативная память передаёт данные процессору непосредственно, либо через кэш-память.
Оперативная память на современных платах формируется с использованием модулей памяти типа SIMM или DIMM, или модулей обоих типов одновременно. SIMM (Single Inline Memory Module – модуль памяти в одну линейку), односторонняя планка – модуль памяти, у которого микросхемы памяти расположены с одной стороны. DIMM (Dual Inline Memory Module – модуль памяти в две линейки), двусторонняя планка – модуль памяти, у которого микросхемы памяти расположены с двух сторон. Самые распространённые объёмы оперативной памяти сейчас: 1, 2, 3, 4 Гб. Этот объём может состоять как из одной линейки, так и из нескольких, установленных в разные слоты. Одной ОЗУ для нормальной работы компьютера не достаточно, поэтому рассмотрим ещё несколько видов памяти.
Запоминающее устройство с произвольным доступом (ЗУПД) – один из видов памяти компьютера, позволяющий единовременно получить доступ к любой ячейке (всегда за одно и то же время, вне зависимости от расположения) по её адресу на чтение или запись.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – энергозависимая память, которая используется для хранения массива неизменяемых данных. Она даёт процессору инструкции для загрузки данных с ОЗУ. Программы, находящиеся в ПЗУ называют «зашитыми», т.к. они были внесены туда на этапе изготовления микросхемы. Этот комплект программ называют базовой системой ввода-вывода (BIOS). BIOS – своеобразный инстинкт компьютера.
Для того, чтобы компьютер правильно работал, необходима информация о конфигурации компьютера, которая постоянно меняется (собственно поэтому её нельзя хранить в ПЗУ). Для этого служит микросхема памяти, изготовленная по технологии CMOS. От ОЗУ эта память отличается тем, что её содержимое не стирается при выключении питания, а от ПЗУ – тем, что её содержимое можно менять.
2.4. Кэш-память
Для того, чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – кэш-память.
Кэш-память – это память компьютера с очень высокой скоростью доступа, предназначенная для временного хранения информации, необходимой центральному процессору. В кэш-памяти хранятся наиболее часто используемые данные.
Производительность
Большинство современных процессоров для компьютеров и серверов имеют как минимум три независимых кэша: - кэш инструкций (для ускорения загрузки машинного кода); - буфер ассоциативной трансляции (для ускорения трансляции математических адресов в физические); - кэш данных (для ускорения чтения и записи данных). Кэш данных часто реализуется в виде многоуровневого кэша:
- кэш-память первого уровня (L1) является самой быстрой и самой дорогой памятью. Она расположена на процессорном кристалле, работает на чистоте процессора и используется непосредственно его ядром. Ёмкость кэш-памяти первого уровня не велика в силу дороговизны и исчисляется килобайтами (обычно не более 128 Кбайт).
- кэш-память второго уровня (L2) – высокоскоростная память, выполняющая те же функции, что и кэш L1. Разница между L1 и L2 в том, что последняя имеет более низкую скорость, но больший объём (от 128 Кбайт до 12 Мбайт), что очень полезно для выполнения ресурсоёмких задач.
- кэш-память третьего уровня (L3) выполнена на быстродействующих микросхемах типа SRAM и расположена непосредственно на самой материнской плате вблизи процессора. Она значительно медленнее L1 и L2, но быстрее оперативной памяти. Понятно, что объём L3 больше объёма L1 и L2. Кэш-память третьего уровня встречается только в очень мощных компьютерах.
Кэш-память, как и обычная память, имеет разрядность. Чем она выше, тем с большими объёмами данных кэш может работать.
2.5. BIOS
BIOS (Basic Input / Output System – базовая система ввода-вывода) – это программа, служащая интерфейсом между аппаратным обеспечением компьютера и операционной системой (ОС). Сама программа BIOS записана в специальную микросхему (см. рисунок 4). В старых системах BIOS прошивалась в микросхему ПЗУ. В современных системах используется флэш-память, и теперь, после выхода обновлений для определённых версий BIOS, с помощью перезаписи данной микросхемы возможен процесс обновления (перепрошивки).
Как только пользователь включает компьютер, первой начинает работать именно эта программа. BIOS производит начальное тестирование всей системы. Эта процедура называется POST (Power-on-Self Test). Во время неё проверяется работоспособность всех компонентов компьютера, а так же она находит и настраивает всё остальное оборудование. Если проверяемые контроллеры и аппаратура исправны и настроены, то BIOS передаёт управление операционной системе. Процедурой POST, помимо этого, выполняется и ряд других важных проверок. По планам разработчиков, основная функция BIOS должна была состоять в работе операций ввода-вывода, но это было актуально лишь во время «правления» операционных систем типа MS-DOS. В современных ОС эти функции BIOS практически не используются.
Для того, чтобы изменить настройки BIOS, существует подпрограмма BIOS Setup. Чтобы зайти в неё, необходимо нажать клавишу Delete (иногда это могут быть кнопки F2 или F10) либо сочетание клавиш, указанных на экране монитора во время включения компьютера (т.е. во время проведения тестов POST). В этом меню можно установить системное время, параметры работы дисководов и жестких дисков, увеличить (или уменьшить) тактовую частоту процессора, памяти и системной шины, шин связи и настроить другие параметры работы компьютера. Однако тут стоит быть крайне осторожным, так как неправильно установленные параметры могут привести к ошибкам в работе или даже вывести компьютер из строя. Все настройки BIOS хранятся в энергозависимой памяти CMOS, работающей от батарейки или аккумулятора. На сегодняшний день основными производителями BIOS являются Award Software, American Megatrends (AMI), Mylex, Phoenix Technologies.
2.6. Системная шина
Системная шина – это «паутина», предназначенная для передачи информации между процессором и остальными электронными компонентами компьютера. Системная шина представляет собой набор проводников (металлизированных дорожек, по которым передаётся информация в виде электрических сигналов) и систему протоколов соединения устройств при помощи этих проводников. В персональных компьютерах используются системные шины стандартов PCI, ISA, EISA и VLB. Специализированная шина AGP используется для подключения видеоадаптера. В настоящее время ISA, EISA и VLB являются устаревшими системными шинами и не выпускаются на современных материнских платах. Рассмотрим основные технические характеристики системных шин разных стандартов, и начнём с шины ISA.
ISA (Industry Standard Architecture) применялась, начиная с процессора i80286 вплоть до Pentium II (в последующих моделях исключена). Тактовая частота данной шины – 8МГц, максимальная скорость передачи данных – 16Мбайт/с.
EISA (Extended Industry Standard Architecture ) разработана для процессора i80386 с целью повышения производительности. Разъём шины EISA универсальный. Тактовая частота шины – 8–10МГц, максимальная скорость передачи данных в пакетном режиме – 33Мбайт/с, в стандартном – такая же, как у ISA.
VLB (VESA Local Bus) предложена ассоциацией VESA (Video Electronics Standard Association), является расширением шины процессора и предназначена для работы с контроллерами накопителей и видеоадаптером. Цель разработки – увеличение быстродействия ПК за счёт повышения тактовой частоты работы периферийных устройств (до 33МГц и выше). Максимальная скорость передачи данных по шине – 130Мбайт/с.
PCI (Peripherals Component Interconnect) разработана фирмой Intel, является стандартом для систем на базе Pentium, может использоваться вне зависимости от типа процессора. Спецификация PCI 2.1 обеспечивает работу с частотой 66МГц и скоростью обмена до 520Мбайт/с.
PCI Express – более усовершенствованная системная шина, пришедшая на замену PCI. Последняя ревизия шины PCI Express 3.0 была представлена в ноябре 2010 года. Суммарная пропускная способность одного канала шины равна 1.6Гбайт/с, а для 32-канальной шины – 51.2Гбайт/с. В будущем планируется выпуск ревизии PCI Express 4.0, в которой скорость будет увеличена ещё в два раза.
Наличие этих шин и интерфейсов в ПЭВМ обеспечивают контроллеры, связывающие системную шину с соответствующей локальной шиной (например, системная шина – шина PCI), или различные интерфейсы (например, шина PCI – шина ISA).
2.7. Разъёмы, слоты, порты
В самом широком смысле, разъём – это общее название приспособлений для механического соединения различных устройств друг с другом. В компьютере имеется несколько разновидностей разъёмов, каждый из которых, в зависимости от назначения, имеет то или иное наименование – сокеты, слоты, порты, гнёзда, выводы, выходы, интерфейсы и др. Например, сокет – разъём для установки процессора; порт USB – разъём для подключения внешних устройств через USB-интерфейс; слот – щелевой разъём для установки печатной платы. Разъёмы, связанные с системной шиной, называемые слотами расширения.
Слот расширения – щелевой разъём, соединённый с системной шиной и предназначенный для установки дополнительных модулей (карт расширения), расширяющих конфигурацию устройства. Через слот обычно подключаются видеокарты, звуковые карты, сетевые карты, POST-карты, оперативная память Apple II (в редких случаях). Слоты расширения могут быть как универсальными (PCI, PCI-Express, ISA, EISA, VLB, MCA), так и специализированными (AGP – слот для видеокарты).
Порт (от лат. portare – «нести») – один из физических каналов ввода-вывода компьютера, обычно представляемый в виде разъёма на задней стенке. На каждой материнской плате присутствуют порты PS/2 для клавиатуры и мышки, порты USB, COM- и LPT-порты.
Разъёмы и порты для подключения внешних устройств вы сможете рассмотреть на рисунке 5. Разъёмы (слоты, порты) являются не менее важным компонентом материнской платы, т.к. они обеспечивают связь устройств друг с другом.
2.8. Контроллеры и адаптеры
Все устройства подключаются
к ПК через внешние интерфейсы
или с помощью
Кроме того, что адаптеры и контроллеры обеспечивают обмен информацией между компьютером и внешним устройством, они также сообщают машине о его состоянии и произошедших в нём сбоях. Адаптер может прервать работу процессора, чтобы тот выполнил для данного устройства некую работу.
Сейчас каждая системная плата имеет встроенный сетевой или Ethernet – контроллер, который обеспечивает работу компьютера в локальной сети.
Периферийные устройства подключаются к тем или иным интерфейсам системных устройств. Так, например, жёсткий диск (винчестер), подключённый к контроллеру SATA системной платы, является периферийным устройством; отдельных ресурсов он не занимает – процессор к нему обращается через ресурсы контроллера SATA. Точно так же периферийным устройством является и принтер – он подключается к системному устройству (LPT-порту, контроллеру USB).
2.9. Генератор тактовой частоты
Кроме описанных выше элементов,
на материнской плате
Частота тактовых импульсов во многом определяет скорость вычислений. Так как на любую операцию, выполняемую процессором, затрачивается определенное количество тактов, то, следовательно, чем выше тактовая частота, тем выше производительность процессора.