1. Лекция № 3. Системная (материнская) плата.
Компоненты материнской платы
Материнская
плата (англ. motherboard, MB, также
используется
название англ. mainboard — главная
плата; сленг. мама, мать,
материнка) — это сложная
многослойная печатная плата, на
которой устанавливаются основные
компоненты персонального
компьютера (центральный процессор,
контроллер ОЗУ и
собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ,
контроллеры базовых интерфейсов
ввода-вывода). Как правило,
материнская плата содержит разъёмы
(слоты) для подключения
дополнительных контроллеров, для
подключения которых обычно
используются шины USB, PCI и PCI-
Express.
Основные компоненты, установленные на материнской плате:
1.ЦПУ.
2.набор системной логики (англ. chipset) — набор микросхем,
обеспечивающих подключение ЦПУ к ОЗУ и контроллерам периферийных
устройств. Как правило, современные наборы системной логики строятся на
базе двух СБИС: «северного» и «южного мостов».
Северный мост (англ. Northbridge), MCH (Memory controller
hub), системный контроллер — обеспечивает подключение ЦПУ к узлам,
использующим высокопроизводительные шины: ОЗУ, графический
контроллер.
Для подключения ЦПУ к системному контроллеру могут
использоваться такие FSB-шины, как Hyper-Transport и SCI.
Обычно к системному контроллеру подключается ОЗУ. В таком случае
он содержит в себе контроллер памяти. Таким образом, от типа
применённого системного контроллера обычно зависит максимальный объём
ОЗУ, а также пропускная способность шины памяти персонального
компьютера. Но в настоящее время имеется тенденция встраивания
контроллера ОЗУ непосредственно в ЦПУ (например, контроллер памяти
встроен в процессор в AMD K8 и Intel Core i7), что упрощает функции
системного контроллера.
В качестве шины для подключения графического контроллера на
современных материнских платах используется PCI Express. Ранее
использовались общие шины (ISA, VLB, PCI) и шина AGP.
2. В новых чипсетах часто имеется интегрированная видеоподсистема.
Контроллер памяти может быть интегрирован в процессор
(например Opteron, Nehalem, UltraSPARC T1).
Южный мост (англ. Southbridge), ICH (I/O controller
hub), периферийный контроллер — содержит контроллеры периферийных
устройств (жёсткого диска, Ethernet, аудио), контроллеры шин для
подключения периферийных устройств (шины PCI, PCI-Express и USB), а
также контроллеры шин, к которым подключаются устройства, не
требующие высокой пропускной способности (LPC — используется для
подключения загрузочного ПЗУ; также шина LPC используется для
подключения мульти контроллера (англ. Super I/O) — микросхемы,
обеспечивающей поддержку «устаревших» низко производительных
интерфейсов передачи данных: последовательного и параллельного
интерфейсов, контроллера клавиатуры и мыши).
Как правило, северный и южный мосты реализуются в виде отдельных
СБИС, однако существуют и одночиповые решения. Именно набор
системной логики определяет все ключевые особенности материнской платы
и то, какие устройства могут подключаться к ней.
3.ОЗУ
4.загрузочное ПЗУ — хранит ПО, которое исполняется сразу после
включения питания. Как правило, загрузочное ПЗУ содержит BIOS, однако
может содержать и ПО, работающие в рамках EFI.
Классификация материнских плат по форм-фактору
Форм-фактор материнской платы — стандарт, определяющий
размеры материнской платы для персонального компьютера, места ее
крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов
ввода/вывода, сокета центрального процессора (если он есть) и слотов
для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока
питания.
Форм-фактор (как и любые другие стандарты) носит
рекомендательный характер. Спецификация форм-фактора определяет
обязательные и опциональные компоненты. Однако подавляющее
большинство производителей предпочитают соблюдать спецификацию,
поскольку ценой соответствия существующим стандартам является
совместимость материнской платы и стандартизированного оборудования
(периферии, карт расширения) других производителей.
Устаревшие: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата
AT; LPX.
Современные: АТХ; microATX; Flex-АТХ; NLX; WTX, CEB.
Внедряемые: Mini-ITX и Nano-ITX; Pico-ITX; BTX, MicroBTX и P
icoBTX
Существуют материнские платы, не соответствующие никаким из
существующих форм-факторов (см. таблицу). Обычно это обусловлено либо
3. тем, что производимый компьютер узко специализирован, либо желанием
производителя материнской платы самостоятельно производить и
периферийные устройства к ней, либо невозможностью использования
стандартных компонентов (так называемый «бренд», например Apple
Computer, Commodore, Silicon Graphics, Hewlett Packard, Compaq чаще других
игнорировали стандарты; кроме того в нынешнем виде распределённый
рынок производства сформировался только к 1987 году, когда многие
производители уже создали собственные платформы).
Форм-
фактор
Физические
размеры
Спецификация,
год
Примечание
XT 216 × 279 мм IBM, 1983 архитектура IBM PC XT
AT 305 × 279–330 мм IBM, 1984 архитектура IBM PC AT (Desktop/Tower)
Baby-AT 216 × 254-330 мм IBM, 1990
архитектура IBM PC XT (форм-фактор
считается недействительным с 1996 г.)
ATX 305 × 244 мм Intel, 1995
для системных блоков типов MiniTower,
FullTower
ATX Riser Intel, 1999 для системных блоков типа Slim
eATX 305 × 330 мм
Mini-ATX 284 × 208 мм
для системных блоков типа Tower и
компактных Desktop
microATX 244 × 244 мм Intel, 1997
имеет меньше слотов, чем ATX, также
возможно использование меньшего PSU
LPX 229 × 279–330 мм
Western
Digital, 1987
для системных блоков типа Slim
Mini-LPX
203–229 мм × 254–
279 мм
Western Digital,
1987
для системных блоков типа Slim
NLX
203–229 мм × 254–
345 мм
Intel, 1997
предусмотрен AGP, лучшее охлаждение чем
у LPX
FlexATX 244 × ?-244 мм Intel, 1999
разработан как замена для форм-фактора
MicroATX
WTX 355,6 × 425,4 мм 1999
для высокопроизводительных рабочих
станций и серверов среднего уровня
Mini-ITX 170 × 170 мм
VIA
Technologies, 2003
допускаются только 100 Вт блоки питания
Nano-ITX 120 × 120 мм
VIA
Technologies, 2004
BTX 325 × 267 мм Intel, 2004
допускается до 7 слотов и 10 отверстий для
монтажа платы
MicroBTX 264 × 267 мм Intel, 2004
допускается до 4 слотов и 7 отверстий для
монтажа платы
PicoBTX 203 × 267 мм Intel, 2004
допускается 1 слот и 4 отверстия для
монтажа платы
ETX и PC
-104
используются для встраиваемых (embedded)
систем
CEB 305 × 267 мм 2005
для высокопроизводительных рабочих
станций и серверов среднего уровня
4. Pico-ITX 100 х 72 мм VIA, 2007
используются в ультракомпактных
встраиваемых системах
Наиболее известными производителями материнских плат на
российском рынке в настоящее время являются
фирмы Asus, Gigabyte, Intel, Elitegroup, MSI.
Ранее большой известностью пользовались платы фирм Abit и Epox, но
сейчас доля их на российском рынке невелика. Из российских
производителей материнских плат можно упомянуть только компанию
Формоза, которая производила платы, используя компоненты фирм Lucky
Star и Albatron.
5.
6. СЛОТЫ
PCI
PCI (англ. Peripheral component interconnect, дословно — взаимосвязь
периферийных компонентов) — шина ввода/вывода для подключения
периферийных устройств к материнской плате компьютера.
Стандарт на шину PCI определяет:
физические параметры (например, разъёмы и разводку сигнальных
линий);
электрические параметры (например, напряжения);
логическую модель (например, типы циклов шины, адресацию на
шине).
PCI-устройства с точки зрения пользователя само настраиваемы (Plug and
Play). После старта компьютера системное программное обеспечение
обследует конфигурационное пространство PCI каждого устройства,
подключённого к шине, и распределяет ресурсы.
Спецификация шины PCI
частота шины — 33,33 или 66,66 МГц, передача синхронная;
разрядность шины — 32 или 64 бита, шина мультиплексированная
(адрес и данные передаются по одним и тем же линиям);
пиковая пропускная способность для 32-разрядного варианта,
работающего на частоте 33,33 МГц — 133 Мбайт/с;
адресное пространство памяти — 32 бита (4 байта);
адресное пространство портов ввода-вывода — 32 бита (4 байта);
32-разрядная шина PCI 64-разрядная шина PCI
7. конфигурационное адресное пространство (для одной функции) 256
байт;
напряжение 3,3 или 5 В.
AGP
AGP (от англ. Accelerator Graphics Port – ускоренный графический
порт) – разработанная в 1997 г. компанией Intel специализированная 32-
битная системная шина для видеокарты.
Графическая карта AGP (сверху) и графическая карта PCI Express
(снизу).
Большинство графических карт в пользовательских ПК используют
интерфейс Accelerated Graphics Port (AGP). У самых старых систем для той
же цели применяется интерфейс PCI. Впрочем, на замену обоим интерфейсам
призван PCI Express (PCIe). Несмотря на название, PCI Express является
последовательной шиной, а PCI (без суффикса Express) - параллельной. В
общем, шины PCI и PCI Express не имеют ничего общего, помимо названия.
Стандарт AGP пережил несколько обновлений.
Стандарт Пропускная способность
AGP 1X 256 Мбайт/с
8. AGP 2X 533 Мбайт/с
AGP 4X 1066 Мбайт/с
AGP 8X 2133 Мбайт/с
У верхней карты есть прорезь для AGP 3,3 В. В середине:
универсальная карта с двумя вырезами (один для AGP 3,3 В, второй - для
AGP 1,5 В). Снизу показана карта с вырезом справа для AGP 1,5 В.
Если вы любите копаться в "железе", то следует помнить о двух
уровнях напряжения интерфейса. Стандарты AGP 1X и 2X работают на 3,3 В,
в то время как AGP 4X и 8X требуют всего 1,5 В. Кроме того, существуют
карты типа Universal AGP, которые подходят для разъёма любого типа.
Чтобы предотвратить ошибочную установку карт, слоты AGP используют
специальные выступы. А карты – прорези.
PCI Express: последовательная шина.
10. Два слота PCI Express для установки двух графических карт nVidia
SLi. Между ними можно заметить маленький слот PCI Express x1.
PCI Express является последовательным интерфейсом, и его не следует
путать с шинами PCI-X или PCI, которые используют параллельную
передачу сигналов.
Графическая карта AGP (сверху) в сравнении с графической картой PCI
Express (снизу).
PCI Express (PCIe) является самым современным интерфейсом для
графических карт. В то же время, он подходит и для установки других карт
расширения, хотя на рынке пока их очень мало. PCIe x16 обеспечивает в два
раза большую пропускную способность, чем AGP 8x. Но на практике это
преимущество так себя и не проявило.
11. Сверху вниз: PCI Express x16 (последовательный), два интерфейса
параллельной PCI и PCI Express x1 (последовательный).
PCI и PCI-X: параллельные шины
PCI является стандартной шиной для подключения периферийных
устройств. Среди них можно отметить сетевые карты, модемы, звуковые
карты и платы захвата видео.
Среди материнских плат для широкого рынка больше всего
распространена шина PCI стандарта 2.1, работающая на частоте 33 МГц и
12. имеющая ширину 32 бита. Она обладает пропускной способностью до 133
Мбит/с. Производители так широко и не приняли шины PCI 2.3 с частотой до
66 МГц. Именно поэтому карт данного стандарта очень мало. Но некоторые
материнские платы этот стандарт поддерживают.
Классический 32-битный слот PCI сверху, а три 64-битных слота PCI-X
снизу. Зелёный слот поддерживает ZCR (Zero Channel RAID).
Ещё одна разработка в мире параллельной шины PCI известна как PCI-
X. Данные слоты чаще всего встречаются на материнских платах для
серверов и рабочих станций, поскольку PCI-X обеспечивает более высокую
пропускную способность для RAID-контроллеров или сетевых карт. К
примеру, шина PCI-X 1.0 предлагает пропускную способность до 1 Гбит/с с
частотой шины 133 МГц и разрядностью 64 бита.
Что такое чипсет (chipset)
Чипсет ( Chipset ) – основа
системной платы, - это набор
микросхем системной логики.
Посредством чипсета происходит
взаимодействие всех подсистем ПК.
Чипсеты обладают высокой степенью
интеграции, и представляют собой
(чаще всего) две микросхемы (реже
встречаются однокристальные
решения), в которых реализованы
интегрированные контроллеры,
обеспечивающие работу и
взаимодействие основных подсистем
компьютера.
13. Практически у всех современных чипсетов, набор системной логики
состоит двух микросхем северного и южного мостов. Название микросхем
обусловлено их положением относительно шины PSI: северный - выше,
южный - ниже.
Микросхема северного моста обеспечивает работу с наиболее
скоростными подсистемами.
Он содержит: контроллер системной шины, посредством которого
происходит взаимодействие с процессором; контроллер памяти,
осуществляющий работу с системной памятью контроллер графической
шины AGP (Accelerated Graphics Port), обеспечивающий взаимодействие с
графической подсистемой (сегодня большинство чипсетов поддерживают
интерфейсы 1х/2х/4х, скоро в перспективе 8-я скорость AGP); контроллер
шины связи с южным мостом (PCI – шины в классическомпонимании).
Задача северного моста - с минимальными задержками организовать
обслуживание запросов к системной памяти. Решения этой задачи основаны
на реализации контроллера памяти, позволяющего одновременно
обрабатывать большое количество запросов и данных, расставляя
приоритеты и очерёдность доступа к основной памяти. Для более
эффективного использования шины памяти применяется буферизация
данных, обеспечивающая одновременную работу с памятью нескольких
устройств в режиме разделения времени доступа.
Как уже упоминалось ранее, классическая реализация двух мостовой
архитектуры подразумевает использование шины PCI в качестве канала
связи между мостами. Но 32-битная PCI-шина, работающая на частоте
33МГц, имеет пиковую пропускную способность 133Мb/c, что
недостаточно для обеспечения потребностей современных периферийных
устройств. Поэтому большинство производителей для связи микросхем
чипсета используют другие интерфейсы, что в свою очередь, позволило
вывести контроллер PCI- шины из северного моста в южный. Пионером в
этой области стала хаб-архитектура (Intel 800-серии чипсетов). Суть её
сводится к переходу на соединение мостов по схеме “точка-точка”. При
этом была использована специальная 8-битная шина, обеспечивающая
полосу пропускания 266МЬ/с. Контроллер этой шины, использующий
фирменные технологии, оптимизирует работу с запросами от
периферийных устройств к основной памяти. Всё это делает работу хабов
(северный и южный мосты) более независимыми и снимает ограничения,
которые налагают использование PCI-шины в качестве связующего звена.
Подобные технологии реализованы в чипсетах компании VIA (V-Link Hub-
архитектура), и в двухпроцессорных решениях компании SiS (MnTIOL-
шина).
14. Южный мост обеспечивает работу с более медленными
компонентами системы и периферийными устройствами. Для южного моста
стало стандартом наличие следующих контроллеров и устройств:
1. Двухканальный (Primary Secondary) IDE-контроллер,
обеспечивающий работу с внутренними (то есть расположенными
внутри корпуса ПК) накопителями, в частности с винчестерами и
оптическими дисководами (CD-ROM, DVD-ROM, CD-R/RW и т.д.),
оснащенными соответствующим интерфейсом.
2. USB-контроллер (один и более), обеспечивающий работу с
устройствами, подключаемыми к универсальной последовательной
шине (USB), USB должен заменить устаревшие внешние интерфейсы,
такие как последовательный RS-232 (COM-порт) и параллельный
IEEE-1284 (LPT-порт). Недостатки старых решений: невысокая
пропускная способность, невозможность горячей замены и
подключение по цепочке нескольких устройств к одному и тому же
порту, а также малая длина интерфейсного кабеля.
3. Контроллер шины LPC (Low Pin Count Interface), который пришел на
смену устаревшей ISA. Шина LPC имеет 4-битный интерфейс,
соединённый с чипом ввода-вывода (Super I/O chip), который
поддерживает работу внешних портов (последовательный COM и
параллельный LPT, PS/2 и инфракрасного), а так же контроллер
флоппи-дисковода.
Большинство современных чипсетов реализуют в своём южном мосте
аудиоконтроллер АС’97 (Audio Codec). Спецификация АС’97
подразумевает разделение процессов обработки цифрового и аналогового,
каждый из которых выполняется отдельной микросхемой, при этом
определяется и интерфейс для их взаимодействия AC-Link. Таким образом в
южном мосте осуществляется обработка звукового сигнала в цифровом
виде – иными словами в нём реализована цифровая часть (Digital AC’97
Controller). Для реализации всех возможностей предоставляемых
спецификацией AC’97, в микросхему южного моста интегрирован
контроллер AMP. На поддерживаемых им AMP-картах (Audio/Modem Riser
Card) располагаются аналоговые цепи аудиокодека AC’97 и/или модемного
кодека MC’97 (Modem Codec).
Использование двухкристальных чипсетов позволяет использовать
различные комбинации северных и южных мостов, при условии что они
поддерживают один и тот же интерфейс. Это даёт возможность создавать
наиболее производительные системы с минимальными затратами и в
кратчайшее время, поскольку для внедрения последних спецификаций
