link980 link981 link982 link983 link984 link985 link986 link987 link988 link989 link990 link991 link992 link993 link994 link995 link996 link997 link998 link999 link1000 link1001 link1002 link1003 link1004 link1005 link1006 link1007 link1008 link1009 link1010 link1011 link1012 link1013 link1014 link1015 link1016 link1017 link1018 link1019 link1020 link1021 link1022 link1023 link1024 link1025 link1026 link1027 link1028 link1029 link1030 link1031 link1032 link1033 link1034 link1035 link1036 link1037 link1038 link1039 link1040 link1041 link1042 link1043 link1044 link1045 link1046 link1047 link1048 link1049 link1050 link1051 link1052 link1053 link1054 link1055 link1056 link1057 link1058 link1059 link1060 link1061 link1062 link1063 link1064 link1065 link1066 link1067 link1068 link1069 link1070 link1071 link1072 link1073 link1074 link1075 link1076 link1077 link1078 link1079 link1080 link1081 link1082 link1083 link1084 link1085 link1086 link1087 link1088 link1089 link1090 link1091 link1092 link1093 link1094 link1095 link1096 link1097 link1098 link1099 link1100 link1101 link1102 link1103 link1104 link1105 link1106 link1107 link1108 link1109 link1110 link1111 link1112 link1113 link1114 link1115 link1116 link1117

PersCom — Компьютерная Энциклопедия Компьютерная Энциклопедия

Системные платы

Системные платы

Формфакторы плат

Важнейшим узлом компьютера является системная плата (system board), иногда называемая материнской (motherboard), основной или главной платой (main board); все эти термины взаимозаменяемы. Практически все внутренние компоненты персонального компьютера вставляются в материнскую плату, и именно ее характеристики определяют возможности компьютера, не говоря уже об его общей производительности. В этой главе мы рассмотрим основные типы материнских плат, их компоненты и интерфейсные разъемы.

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

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 BTX и ATX, используемым в большинстве полноразмерных настольных и вертикальных систем. Существует несколько вариантов формфактора ATX, в число которых входят microATX (уменьшенная версия формфактора ATX, используемого в системах малых размеров) и FlexATX (еще более уменьшенный вариант, предназначенный для домашних компьютеров низшего ценового уровня). Формфактор BTX предполагает изменение положения основных компонентов с целью улучшения охлаждения системы, а также использование термального модуля. Есть и уменьшенные варианты данного форм-фактора — microBTX и picoBTX. Существуют также другие компактные формфакторы, такие как DTX и mini-ITX, представляющий собой уменьшенную версию FlexATX. Форм-фактор NLX был рассчитан на корпоративные настольные системы, однако со временем был вытеснен формфактором FlexATX. Формфактор WTX разрабатывался для рабочих станций и серверов со средней загрузкой, но широкого распространения не получил. Современные формфакторы и области их применения представлены в таблице ниже.

Несмотря на широкое распространение плат Baby-AT, полноразмерной AT и LPX, им на смену пришли системные платы более современных формфакторов. Современные формфакторы 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 BTX может быть использована другая плата BTX и т.д. Благодаря дополнительным функциональным возможностям современных системных плат компьютерная индустрия смогла быстро перейти к новым формфакторам. Поэтому настоятельно рекомендуется приобретать системы, созданные на основе одного из современных формфакторов.

К системным платам, параметры которых не вписываются в какой-либо из формфакторов промышленного стандарта, следует относиться как к невзаимозаменяемым. Покупать компьютеры с нестандартными системными платами следует только в случае особых обстоятельств. Ремонт и модернизация таких систем достаточно дороги, что связано, прежде всего, с невозможностью замены системных плат, корпусов или источников питания другими моделями. Системы независимых формфакторов иногда называют “одноразовыми” ПК, что становится очевидным, когда приходит время их модернизации или ремонта после окончания гарантийного срока.

Внимание!
В настоящее время ‘‘одноразовые’’ ПК распространены больше, чем когда бы то ни было. По некоторым оценкам, на их долю приходится свыше 60% продаваемых компьютеров. Это связано не столько с используемыми платами (системные платы FlexATX и microATX сегодня используются чаще, чем предшествующие им модели LPX), сколько с миниатюрными источниками питания SFX и узкими корпусами micro-tower, занимающими привилегированное положение на современном рынке ПК. Дешевые системы, использующие малый корпус и небольшой источник питания, в принципе, более пригодны для модернизации по сравнению с предшествующими моделями. Но если понадобится еще один разъем расширения или, например, дополнительный дисковод, то вы через некоторое время в буквальном смысле ‘‘упретесь в стену’’. Системы mini-tower довольно тесны и ограничены, поэтому в скором времени, я полагаю, перейдут в разряд ‘‘одноразовых’’, подобно вытесненным ими системам LPX.

Будьте особенно осторожны с недавно появившимися системами промышленного стандарта, к которым относятся, например, модели компьютеров Dell, выпущенные с 1996 года по настоящее время. В этих компьютерах используются модифицированный источник питания и измененные силовые разъемы платы ATX, что делает указанные компоненты совершенно не совместимыми со стандартными системными платами и блоками питания. Поэтому, для того чтобы модернизировать источник питания, придется использовать специальный Dell-совместимый блок. Более того, заменяя системную плату стандартной, потребуется приобрести соответствующий источник питания и, может, даже корпус.

Итак, если вы хотите получить действительно расширяемую систему, остановитесь на компьютере с системной платой ATX или BTX и корпусом mid-tower (или еще большим), имеющим хотя бы пять отсеков для установки дисководов.



Наборы микросхем системной логики

Современные системные платы невозможно представить без микросхем системной логики. Набор микросхем определяет функциональность системной платы. Другими словами, две любые платы с одинаковым набором микросхем системной логики функционально идентичны, если производитель преднамеренно не добавил некоторые функции, отсутствующие в чипсете, либо не отключил некоторые из имеющихся в нем.

Набор микросхем системной логики включает в себя интерфейс шины процессора (FrontSide Bus — 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. Шасси — это рама, подвеска, рулевой механизм, колеса и шины, коробка передач, карданный вал, дифференциал и тормоза. Шасси автомобиля представляют 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 набора 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. При компоновке системы я бы начинал с набора микросхем системной логики, так как именно от его выбора зависят эффективность процессора, модулей памяти, устройств ввода-вывода, а также разнообразные возможности расширения.



Типы, 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 и более системных компонента.

Существует определенная иерархия шин ПК, которая выражается в том, что каждая более медленная шина соединена с более быстрой. Современные компьютерные системы включают в себя три, четыре или более шин. Каждое системное устройство соединено с какой-либо шиной, причем определенные устройства (чаще всего это наборы микросхем) играют роль моста между шинами.

  • Шина процессора. Эта высокоскоростная шина является ядром набора микросхем и системной платы. Она используется в основном процессором для передачи данных между кэш-памятью или основной памятью и северным мостом набора микросхем. В системах на базе процессоров Pentium эта шина работает на частоте 66, 100, 133, 200, 266, 400, 533, 800 или 1066 МГц и имеет ширину 64 разряда (8 байт).
  • Шина AGP. Эта 32-разрядная шина работает на частоте 66 (AGP 1х), 133 (AGP 2х), 266 (AGP 4х) или 533 МГц (AGP 8x), обеспечивает пропускную способность до 2133 Мбайт/с и предназначается для подключения видеоадаптера. Она соединена с северным мостом или контроллером памяти (MCH) набора микросхем системной логики.
  • Шина PCI-Express. Третье поколение шины PCI. Шина PCI-Expres — это шина с дифференциальными сигналами, которые может передавать северный или южный мост. Быстродействие PCI-Express выражается в количестве линий. Каждая двунаправленная линия обеспечивает скорость передачи данных 2,5 или 5 Гбит/с в обоих направлениях (эффективное значение — 250 или 500 Мбайт/с). Разъем с поддержкой одной линии обозначается как PCI-Express x1. Видеоадаптеры PCI-Express обычно устанавливаются в разъем x16, который обеспечивает скорость передачи данных 4 или 8 Гбайт/с в каждом направлении.
  • Шина PCI-X. Это второе поколение шины PCI, которое обеспечивает более высокую скорость передачи данных, но при этом обратно совместимо с PCI. Данная шина преимущественно применяется в рабочих станциях и серверах. PCI-X поддерживает 64-разрядные разъемы, обратно совместимые с 64- и 32-разрядными адаптерами PCI. Шина PCI-X версии 1 работает с частотой 133 МГц, в то время как PCI-X 2.0 поддерживает частоту до 533 МГц. Обычно полоса пропускания PCI-X 2.0 разделяется между несколькими разъемами PCI-X и PCI. Хотя некоторые южные мосты поддерживают шину PCI-X, чаще всего для обеспечения ее поддержки требуется специальная микросхема.
  • Шина PCI. Эта 32-разрядная шина работает на частоте 33 МГц; она используется, начиная с систем на базе процессоров 486. В настоящее время существует реализация этой шины с частотой 66 МГц. Она находится под управлением контроллера PCI — компонента северного моста или контроллера MCH набора микросхем системной логики. На системной плате устанавливаются разъемы, обычно четыре или более, в которые можно подключать сетевые, SCSI- и видеоадаптеры, а также другое оборудование, поддерживающее этот интерфейс. Шины PCI-X и PCI-Express представляют собой более производительные реализации шины PCI; материнские платы и системы, поддерживающие эту шину, появились на рынке в середине 2004 года.
  • Шина ISA. Эта 16-разрядная шина, работающая на частоте 8 МГц, впервые стала использоваться в системах AT в 1984 году (в первоначальном варианте IBM PC она была 8-разрядной и работала на частоте 5 МГц). Эта шина имела широкое распространение, но из спецификации PC99 была исключена. Реализуется с помощью южного моста. Чаще всего к ней 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, не резервируя на них место 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 узкоспециализированное 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-разрядную 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. Некоторые современные наборы микросхем для рабочих станций и серверов, а также последняя серия 9xx от Intel для настольных компьютеров используют более быстродействующие версии этого hub-интерфейса. Сторонние производители наборов микросхем системной логики также реализуют свои конструкции высокоскоростных шин, соединяющих отдельные компоненты набора между собой.

Для подобных целей предназначена и шина LPC, которая представляет собой 4-разрядную шину с максимальной пропускной способностью 16,67 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. Она позволяет полностью отказаться от использования шины ISA в системных платах.

Набор микросхем системной логики можно сравнить с дирижером, который руководит оркестром системных компонентов системы, позволяя каждому из них подключиться к собственной шине.

  • Шины ISA, EISA, VL-Bus и MCA в современных конструкциях системных плат не используются. Мбайт/с. Мегабайт в секунду.
  • ISA. Industry Standard Architecture (архитектура промышленного стандарта), известная также как 8-разрядная PC/XT или 16разрядная AT-Bus.
  • LPC. Шина Low Pin Count (шина с малым количествомконтактов).
  • VL-Bus. VESA (Video Electronics Standards Association) Local Bus (расширение ISA).
  • MCA. MicroChannel Architecture (микроканальная архитектура) (системы IBM PS/2).
  • PC-Card. 16-разрядный интерфейс PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). CardBus. 32-разрядная шина PC-Card.
  • Hub Interface. Шина набора микросхем Intel серии 8xx.
  • PCI. Peripheral Component Interconnect (шина взаимодействия периферийных компонентов).
  • AGP. Accelerated Graphics Port (ускоренный графический порт).
  • RS-232. Стандартный последовательный порт, 115,2 Кбайт/с.
  • RS-232 HS. Высокоскоростной последовательный порт, 230,4 Кбайт/с.
  • IEEE-1284 Parallel. Стандартный двунаправленный параллельный порт.
  • IEEE-1284 EPP/ECP. Enhanced Parallel Port/Extended Capabilities Port (параллельный порт с расширенными возможностями).
  • USB. Universal Serial Bus (универсальная последовательная шина).
  • IEEE-1394. Шина FireWire, называемая также i.Link.
  • ATA PIO. AT Attachment (известный также как IDE) Programmed I/O (шина ATA с программируемым вводом-выводом).
  • ATA-UDMA. AT Attachment Ultra DMA (режим Ultra-DMA шины ATA).
  • SCSI. Small Computer System Interface (интерфейс малых компьютерных систем).
  • FPM. Fast Page Mode (быстрый постраничный режим).
  • EDO. Extended Data Out (расширенный ввод-вывод).
  • SDRAM. Synchronous Dynamic RAM (синхнонное динамическое ОЗУ).
  • RDRAM. Rambus Dynamic RAM (динамическое ОЗУ технологии Rambus).
  • RDRAM Dual. Двухканальная RDRAM (одновременное функционирование).
  • DDR-SDRAM. Double-Data Rate SDRAM (SDRAM с удвоенной скоростью).
  • CPU FSB. Шина процессора (или Front-Side Bus).
  • Hub-интерфейс. Шина набора микросхем Intel 8xx.
  • HyperTransport. Шина набора микросхем AMD.
  • V-link. Шина набора микросхем VIA Technologies.
  • MuTIOL. Шина набора микросхем SiS.
  • DDR2. Новое поколение памяти стандарта DDR.

Для повышения эффективности во многих шинах в течение одного такта выполняется несколько циклов передачи данных. Это означает, что скорость передачи данных выше, чем это может показаться на первый взгляд. Существует достаточно простой способ повысить быстродействие шины с помощью обратно совместимых компонентов.



Типы шин ввода-вывода

За время, прошедшее момента появления первого PC, особенно за последние годы, было разработано довольно много вариантов шин ввода-вывода, так как повышение производительности компьютера всегда было первостепенной задачей. Потребность в повышении производительности определяется тремя факторами:

  • быстродействием процессора;
  • качеством программного обеспечения;
  • возможностями компонентов мультимедиа.

Одной из главных причин, препятствующих появлению новых структур шин ввода-вывода, является их несовместимость со старым стандартом PC, который, подобно крепкому морскому узлу, связывает нас с прошлым. В свое время успех компьютеров класса PC предопределила стандартизация — многие компании разработали тысячи плат, соответствующих требованиям этого стандарта шины. Новая, более быстродействующая шина должна быть совместимой с прежним стандартом, иначе все старые платы придется просто выбросить. Поэтому технология производства шин эволюционирует медленно, без резких скачков. Шины вводавывода различаются архитектурой. Основные типы шин были представлены ранее.

Различия между этими шинами в основном связаны с объемом одновременно передаваемых данных (разрядностью) и скоростью их передачи (быстродействием).

Локальные шины

Шины ISA, MCA и EISA имеют один общий недостаток — сравнительно низкое быстродействие. Описанные в следующих разделах четыре типа шин являются локальными. К основным типам локальных шин, используемых в ПК, относятся следующие.

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.

Некоторым пользователям не дает покоя мысль о том, что компьютер работает медленнее, чем может. Однако быстродействие шины ввода-вывода в большинстве случаев не играет роли. Например, при работе с клавиатурой или мышью высокое быстродействие не требуется, поскольку в этой ситуации производительность компьютера определяется самим пользователем. Оно действительно необходимо только в подсистемах, где важна высокая скорость обмена данными, например в графических и дисковых контроллерах.

Проблема, связанная с быстродействием шины, стала актуальной в связи с распространением графических пользовательских интерфейсов (например, Windows). Ими обрабатываются такие большие массивы данных, что шина ввода-вывода становится самым узким местом системы. В конечном счете высокое быстродействие процессора с тактовой частотой 66 или даже 450 МГц оказывается совершенно бесполезным, поскольку данные по шине вводавывода передаются в несколько раз медленнее (тактовая частота — около 8 МГц).

Очевидное решение этой проблемы состоит в том, чтобы часть операций по обмену данными осуществлялась не через разъемы шины ввода-вывода, а через дополнительные быстродействующие разъемы. Наилучший подход к решению этой проблемы — расположить дополнительные разъемы ввода-вывода на самой быстродействующей шине, т.е. на шине процессора (это напоминает подключение внешней кэш-памяти). Соответствующая блок-схема представлена на рисунке нижеТакая конструкция получила название локальной шины, поскольку внешние устройства (платы адаптеров) теперь имеют доступ к шине процессора (т.е. ближайшей к нему шине). Конечно, разъемы локальной шины должны отличаться от слотов шины ввода-вывода, чтобы в них нельзя было вставить платы “медленных” адаптеров.

Интересно отметить, что первые 8- и 16-разрядные шины ISA имели архитектуру локальных шин. В этих системах в качестве основной использовалась шина процессора, и все устройства работали со скоростью процессора. Когда тактовая частота в системах ISA превысила 8 МГц, основная шина компьютера отделилась от шины процессора, которая уже не могла выполнять эти функции. Появившийся в 1992 году расширенный вариант шины ISA, который назывался VESA Local Bus (или VL-Bus), ознаменовал возврат к архитектуре локальных шин. В дальнейшем локальную шину VESA заменила шина PCI, а ее дополнением выступила шина AGP.

Примечание!

Для организации в компьютере локальной шины совсем не обязательно устанавливать слоты расширения: устройство, использующее локальную шину, можно смонтировать непосредственно на системной плате. В первых компьютерах с локальной шиной использовался именно такой подход.

Локальная шина не заменяет собой прежних стандартов, а дополняет их. Основными шинами компьютера, как и раньше, остаются ISA и EISA, но к ним добавляется один или несколько слотов локальной шины. При этом сохраняется совместимость со старыми платами расширения, а быстродействующие адаптеры устанавливаются в слоты локальной шины, при этом реализуются все их возможности. Таким образом, до настоящего момента наиболее распространенными являются разъемы AGP, PCI и ISA. Более старые платы порой оказываются совместимыми с новыми разъемами, однако все возможности локальных шин AGP и PCI позволяют задействовать только новые модели адаптеров. По мере уменьшения популярности шины ISA и смещения акцентов к интерфейсу LPC роль шины ISA постепенно снижается, а вместо нее используются другие шины.

Быстродействие графического интерфейса пользователя Windows или Linux (такого, как KDE или GNOME) значительно возросло после того, как на смену видеоадаптерам с интерфейсом ISA пришли адаптеры с интерфейсом PCI и AGP.



Подкатегории