Системная (материнская) плата. 2

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

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.

Материнской платой называют основную печатную плату персонального компьютера, на которую устанавливаются все системные компоненты. От качества материнской платы зависит надежность и скорость взаимодействия различных узлов компьютера [2,стр.27]. На материнской плате 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 компонентов, которые влияют на работу всего компьютера. Вся эта конструкция устанавливается в корпусе системного блока на специальных пластмассовых стойках и крепится винтами.

Рассматривая виды материнских плат, необходимо отметить, что они напрямую зависят от форм-фактора, т.е. от типоразмера. Форм-фактор – стандарт (спецификация), определяющий размеры материнской платы, расположение крепежных отверстий, сокета центрального процессора, слотов оперативной памяти, интерфейсов шин, портов ввода/вывода, разъемов для подключения питания.

1. ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА

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.

2. КОМПОНЕНТЫ МАТЕРИНСКОЙ ПЛАТЫ

2.1 Чипсет

Контроллеры, обеспечивающие взаимодействие МП с памятью, графической подсистемой, устройствами ввода-вывода и т.д. изготавливаются обычно в виде комплекта микросхем, который называется чипсетом. «Сбалансированность» архитектуры чипсета означает, что он должен обеспечить полное использование пропускной способности процессорной и других шин, по которым происходит передача информации, т.е. чипсет не должен быть «узким местом» ПК и одновременно не должен предлагать больше, чем могут использовать процессор, память и другие компоненты [3, стр.154]. Чипсет состоит из северного моста и южного моста. Иногда северный и южный мосты объединяют в одну микросхему, такое решение называют одночиповым. Классическая структура с двумя микросхемами носит название двухмостовой схемы.

Северный мост выполняет функции контроля и направления потока данных из 4-х шин: шины связи с процессором или системной шины;  шины связи с памятью; шины связи с графическим адаптером; шины связи с южным мостом. 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 включает в себя: контроллер шины связи с северным мостом; контроллер шины связи с платами расширения; контроллер линий связи с периферийными устройствами и другими ЭВМ; контроллер шины связи с жёсткими дисками; контроллер шины связи с медленными устройствами. 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.

На текущее время двухмостовая схема построения чипсетов уходит в прошлое. Всё чаще производители интегрируют контроллер памяти на кристалл процессора (к примеру, это реализовано в структуре некоторых процессоров Intel Core ix и в ряде линеек AMD). Это позволяет поднять производительность системы за счёт уменьшения времени взаимодействия с периферийными устройствами и внутренними компонентами, ранее подключаемыми к южному мосту, но значительно усложняет конструкцию чипсета, тем самым увеличивая стоимость материнской платы.

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. 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 микропроцессор, дополняющий функциональные возможности основного (в том числе центрального) процессора [6, стр.200], но оформленный как отдельный функциональный модуль.

Центральный процессор компьютера имеет ряд технических характеристик, которые определяют самую главную характеристику любого процессора – его производительность. К таким характеристикам относятся:

- Тактовая частота;

- Разрядность;  

- Кэш-память;

- Количество ядер;

- Частота и разрядность  системной шины.

Процессор на материнской плате установлен в специальном разъёме, который носит название сокет или слот1. 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 – энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операций. 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 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. 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).

2.4 Кэш-память

Кэш-память играет важную роль в поддержании производительности процессора. Если отключить кэширование, то производительность компьютера может упасть в десятки раз[4, стр.298].  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 оперативной памяти, сравнительно с производительностью ЦП, намного ниже. Получается, что процессор ждёт, когда поступят данные от оперативной памяти, что понижает производительность процессора, а значит и производительность всей системы. Когда процессору нужно обратиться в память для чтения или записи данных, он сначала проверяет, доступна ли их копия в кэше. Кэш-память уменьшает время ожидания ЦП, сохраняя в себе данные и код выполняемых программ, к которым наиболее часто обращался процессор (отличие кэш-памяти от ОЗУ – скорость работы кэш-памяти в десятки раз выше).

Большинство современных процессоров для компьютеров и серверов имеют как минимум три независимых кэша: кэш инструкций; буфер ассоциативной трансляции; кэш 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 (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).

- 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. 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. 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, и систему протоколов соединения устройств, при помощи этих проводников. Рассмотрим основные технические характеристики системных шин разных стандартов. В персональных компьютерах используются системные шины стандартов ISA, EISA, VLB и PSI.

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, так и специализированными.

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.

2.8 Контроллеры и  адаптеры

Все устройства подключаются к ПК через внешние интерфейсы или с помощью специализированных адаптеров и контроллеров, встраиваемых в системную плату или размещаемых на платах (картах) расширения. Адаптер является средством сопряжения какого-либо устройства с какой-либо шиной или интерфейсом. Контроллер служит тем же целям сопряжения, но при этом подразумевается его некоторая активность – способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своём составе и собственный процессор. На эти тонкости терминологии не всегда обращают внимание и понятия "адаптер" и "контроллер" считают почти синонимами.

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 материнская 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 располагается генератор тактовой частоты, состоящий из двух частей – кварцевого резонатора и тактового генератора. Это деление вызвано тем, что кварцевый резонатор не способен генерировать импульсы с частотой, требуемой для работы процессоров, памяти и шин. Поэтому синхросигналы, вырабатываемые кварцевым резонатором, изменяют с помощью тактового генератора. Изменение происходит путём деления или умножения исходной частоты для получения требуемой частоты. Таким образом, основная задача тактового генератора материнской платы – это формирование высокостабильного периодического сигнала для синхронизации работы элементов ПЭВМ.

Частота тактовых импульсов во многом определяет скорость вычислений. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность процессора.

Кроме тактового генератора, на материнской плате располагается множество конденсаторов, которые сглаживают скачки напряжения, тем самым повышая стабильность работы и срок службы всех элементов ЭВМ.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИНСКИХ  ПЛАТ ПО ФОРМ-ФАКТОРУ

Форм-фактор материнской платы определяет ее геометрические размеры и параметры электропитания. Выбор форм-фактора определяется требованиями по энергопотреблению, а также по занимаемой площади, в зависимости от этого предпочтение отдается той или иной материнской плате. От форм-фактора зависит тип системного блока ПК. Существует несколько наиболее распространенных форм-факторов, учитываемых при разработке системных плат. Форм-фактор представляет собой физические параметры платы и определяет тип корпуса, в котором она может быть установлена. Форм-факторы системных плат могут быть стандартными (т. е. взаимозаменяемыми) или нестандартными.

Форм-фактор носит рекомендательный характер. Спецификация форм-фактора определяет обязательные и опциональные компоненты. Однако большинство производителей предпочитают соблюдать спецификацию, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость материнской платы и стандартизированного оборудования других производителей.

3.1 Форм-факторы материнских плат

1. ATX (Advanced Technology eXtended) - форм-фактор, который был предложен еще в 1995 г. компанией Intel и с тех пор по сей день сохранил огромную популярность. Системные платы форм фактора ATX имеют размеры 30,5 x 24,4 см. В настоящее время большинство системных плат, корпусов и блоки питания на базе процессоров Intel и AMD выпускаются в формате ATX.

К особенностям спецификации ATX относится следующее:

• размещение портов ввода/вывода на системной плате;
• встроенный разъем типа PS/2 для клавиатуры и мыши;
• расположение разъемов IDE и FDD ближе к самим устройствам;
• размещение гнезд процессора в задней части платы, рядом с блоком питания;
• использование единого 20-контактного и 24-контактного разъемов питания.

2. mATX (micro ATX) – форм-фактор материнской платы 9,6х9,6" (244х244 мм), разработан Intel в 1997 году. Используется как для процессоров архитектуры x86, так и архитектуры x64. Был разработан в качестве естественной эволюции форм-фактора ATX для решения новых тенденций рынка и технологий ПК.

Форм-фактор разрабатывался с учётом полной электрической и обратной механической совместимости с форм-фактором ATX. Материнские платы MicroATX могут использоваться в корпусах для ATX (но не наоборот). При выпуске материнских плат часто выпускают на одном и том же чипсете платы как формата ATX, так и MicroATX, при этом различие обычно состоит в количестве PCI слотов и интегрированной периферии. Весьма часто встречается следующее различие: платы MicroATX выпускаются со встроенной видеокартой, ATX — без (MicroATX предполагается для офисной работы и, в основном, не рассчитан на игровое применение, требующее мощных видеокарт).

3. EATX (Extended ATX) материнские платы отличаются от ATX размерами (до 30.5 x 33.0 см), используются в основном для серверов.

4. 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 26.7 х 32.5 см и поддерживают семь слотов расширения.

5. mBTX (micro BTX) - уменьшенный вариант BTX. Размеры таких плат составляют 26.7 х 26.4 см. mBTX поддерживают четыре слота расширения.

6. mini-ITX - форм-фактор для материнских плат, разработанный компанией VIA Technologies. Электрически и механически совместимы с форм-фактором ATX. Материнские платы mini-ITX имеют небольшие габариты (17 х 17 см).

7. 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 30.5 x 33.0 см.

8. 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 30.5 x 25.9 см.

Устаревшие стандарты: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата AT; LPX.

Современные стандарты: АТХ; microATX; Flex-АТХ; NLX; WTX, CEB.

Внедряемые стандарты: Mini-ITX и Nano-ITX; Pico-ITX; BTX, MicroBTX и PicoBTX.