PC и XT

Подробности

Родительская категория: Системные платы

Категория: Формфакторы системных плат

Первая материнская плата была установлена в первый ПК IBM PC, выпущенный в августе 1981 года (рис. 4.1). В 1983 году IBM выпустила системную плату PC XT с тем же формфактором (9×13 дюймов, или 22,86×33,02 см), что и плата PC, но имеющую восемь, а не пять разъемов, которые располагались на расстоянии 0,8 дюйма друг от друга, а не 1 дюйм, как в PC. Эта плата показана на рис. 4.2. В XT убран кассетный порт, который использовался для хранения программ, написанных на языке BASIC, на кассетной ленте, а не на дорогостоящем (в то время) гибком диске.

Незначительные различия в размещении разъемов и удаление кассетного порта потребовали внесения изменений в конструкцию корпуса. На самом деле все отличия заключались в том, что PC XT представлял собой более функциональный компьютер, системная плата которого характеризовалась теми же формой и размером, в которую устанавливался практически тот же процессор, однако при этом отсутствовала часть отверстий на задней панели, в частности разъем для кассетного порта. Формфактор XT стал настолько популярен, что многие производители просто скопировали его и выпускали XT-совместимые системные платы.

Эволюция наборов микросхем

Подробности

Родительская категория: Системные платы

Категория: Наборы микросхем системной логики

Чтобы заставить компьютер работать, на первые системные платы IBM PC пришлось установить много микросхем. Кроме процессора, на системную плату было установлено множество других компонентов: генератор тактовой частоты, контроллер шины, системный таймер, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти, память CMOS, часы и контроллер клавиатуры. Наконец, чтобы обеспечить работу установленных компонентов, понадобился еще ряд микросхем, а также процессор, математический сопроцессор (модуль для выполнения операций над числами с плавающей запятой) и память. В таблице ниже перечислены все первичные компоненты, использовавшиеся в оригинальных системных платах PC/XT и AT.

В схеме системной платы оригинальных систем РС/ХТ, кроме процессора/сопроцессора, использовался набор из шести микросхем. В компьютерах АТ и системах более поздних версий IBM перешла к набору из девяти микросхем, в который были добавлены дополнительные прерывания, микросхемы контроллера DMA и энергонезависимая микросхема CMOS RAM/Real-time Clock (часы реального времени). Компоненты микросхем системной платы в основном были изготовлены компанией Intel или другими производителями по ее лицензии, за исключением микросхемы CMOS/Clock, которую выпустила компания Motorola. Для создания аналога или копии одной из систем IBM требовались все указанные компоненты, а также более сотни дискретных логических микросхем, связывающих конструкцию в единое целое. Основными недостатками подобной конструкции стали высокая себестоимость системной платы и отсутствие свободного места для интегрирования других функциональных компонентов.

В 1986 году компания Chips and Technologies представила качественно новый компонент, названный 82C206, который и стал основной частью первого набора микросхем системной логики системной платы ПК. Эта единственная микросхема выполняла все основные функции микросхем системной платы в компьютерах, совместимых с AT, а именно: функции генератора тактовой частоты (микросхема 82284), контроллера шины (микросхема 82288), системного таймера (микросхема 8254), двух контроллеров прерываний (микросхема 8259), двух контроллеров прямого доступа к памяти (микросхема 8237) и даже микросхемы CMOS-памяти и часов (микросхема MC146818). Кроме процессора, все основные компоненты системной платы PC были заменены одной микросхемой. Четыре дополнительные микросхемы использовались в качестве буферов и контроллеров памяти, расширяя возможности компонента 82C206. На системной плате было всего пять микросхем. Этому первому набору микросхем системной логики компания Chips and Technologies присвоила название CS8220. Это был коренной переворот в производстве системных плат для PC. Не только значительно снизилась стоимость системной платы и упростилась ее конструкция, но и появилась возможность реализации функций, для которых прежде устанавливались платы расширения. Позже четыре микросхемы, установленные дополнительно к 82C206, были заменены новым набором, состоявшим только из трех микросхем; этот набор назывался New Enhanced AT (NEAT) CS8221. А еще через некоторое время появился набор микросхем системной логики 82C836 Single Chip AT (SCAT), который состоял всего из одной микросхемы.

Идею набора микросхем системной логики поддержали и другие изготовители. Компании Acer, Erso, Opti, Suntac, Symphony, UMC, VLSI и другие стремились захватить свою долю рынка. К сожалению, у многих из них положение на рынке наборов микросхем системной логики было неустойчивым: цены быстро менялись, и многие компании потерпели неудачу. Например, VLSI в 1993 году доминировала на рынке наборов микросхем системной логики, а в следующем году чуть не стала банкротом и впоследствии была поглощена компанией Philips. И все только потому, что в 1994 году на рынке появился новый изготовитель наборов микросхем системной логики — Intel. Год спустя компания Intel уже полностью контролировала рынок. Большинство системных плат в настоящее время имеют набор микросхем системной логики, разработанный Intel.

С 1999 по 2001 год Intel вела конкурентную борьбу с другими разработчиками наборов микросхем, причиной чего явилась ее зависимость от памяти RDRAM. В 1996 году Intel подписала контракт с компанией Rambus, объявив о всесторонней поддержке памяти RDRAM при создании наборов микросхем для настольных компьютеров вплоть до 2001 года. Я подозреваю, что Intel пришлось не раз об этом пожалеть. Память RDRAM, не имеющая каких-либо явных преимуществ по сравнению с SDRAM, отличается от нее гораздо более высокой себестоимостью. Впоследствии, в 2002 году, компания Intel разработала набор микросхем 845, поддерживающий DDR SDRAM (кодовое название — Brookdale) для работы с процессором Pentium 4. С тех пор наборы микросхем от Intel поддерживали различные варианты памяти DDR. Компания Intel не осталась в одиночестве на рынке микросхем системной логики. Компании ATI (ныне — подразделение AMD), NVIDIA, VIA Technologies, Silicon Integrates Systems (SiS) и Uli Electronics (ранее — Ali Corporation) также выпускали наборы микросхем для Intel-совместимых систем.

Несмотря на то что AMD (а также компания ATI, ныне являющаяся подразделением AMD) спроектировала собственный набор микросхем системной логики, для поддержки своих процессоров и материнских плат она заинтересовала этим направлением и другие компании. Сегодня компания VIA Technologies является одним из основных производителей наборов микросхем для процессоров AMD. Все более растущая популярность процессоров AMD вынудила и другие компании, такие как NVIDIA, SiS, ATI и Uli Electronics, заняться созданием собственных наборов микросхем для AMD-совместимых систем.

Интересно отметить, что первый производитель наборов микросхем системной логики — компания Chip and Technologies — выжила на рынке за счет смены курса на выпуск микросхем видеографики, при этом найдя нишу в секторе портативных компьютеров. Позже эта компания была куплена Intel.

Шина процессора

Подробности

Родительская категория: Системные платы

Категория: Типы, назначение и функционирование шин

Общие сведения о шине процессора

Шина процессора — соединяет процессор с северным мостом или контроллером памяти MCH. Она работает на частотах 66–200 МГц и используется для передачи данных между процессором и основной системной шиной или между процессором и внешней кэш-памятью в системах на базе процессоров пятого поколения. Схема взаимодействия шин в типичном компьютере на базе процессора Pentium (Socket 7) показано на рисунке.

На этом рисунке четко видна трехуровневая архитектура, в которой на самом верхнем уровне иерархии находится шина процессора, далее следует шина PCI и за ней шина ISA. Большинство компонентов системы подключается к одной из этих трех шин.

В системах, созданных на основе процессоров Socket 7, внешняя кэш-память второго уровня установлена на системной плате и соединена с шиной процессора, которая работает на частоте системной платы (обычно от 66 до 100 МГц). Таким образом, при появлении процессоров Socket 7 с более высокой тактовой частотой рабочая частота кэш-памяти осталась равной сравнительно низкой частоте системной платы. Например, в наиболее быстродействующих системах Intel Socket 7 частота процессора равна 233 МГц, а частота шины процессора при множителе 3,5х достигает только 66 МГц. Следовательно, кэш-память второго уровня также работает на частоте 66 МГц. Возьмем, например, систему Socket 7, использующую процессоры AMD K6-2 550, работающие на частоте 550 МГц: при множителе 5,5х частота шины процессора равна 100 МГц. Следовательно, в этих системах частота кэш-памяти второго уровня достигает только 100 МГц.

Проблема медленной кэш-памяти второго уровня была решена в процессорах класса P6, таких как Pentium Pro, Pentium II, Celeron, Pentium III, а также AMD Athlon и Duron. В этих процессорах использовались разъемы Socket 8, Slot 1, Slot 2, Slot A, Socket A или Socket 370. Кроме того, кэш-память второго уровня была перенесена с системной платы непосредственно в процессор и соединена с ним с помощью встроенной шины. Теперь эта шина стала называться шиной переднего плана (Front-Side Bus — FSB), однако я, согласно устоявшейся традиции, продолжаю называть ее шиной процессора.

Включение кэш-памяти второго уровня в процессор позволило значительно повысить ее скорость. В современных процессорах кэш-память расположена непосредственно в кристалле процессора, т.е. работает с частотой процессора. В более ранних версиях кэш-память второгоуровня находилась в отдельной микросхеме, интегрированной в корпус процессора, и работала с частотой, равной 1/2, 2/5 или 1/3 частоты процессора. Однако даже в этом случае скорость интегрированной кэш-памяти была значительно выше, чем скорость внешнего кэша, ограниченного частотой системной платы Socket 7.

В системах Slot 1 кэш-память второго уровня была встроена в процессор, но работала только на его половинной частоте. Повышение частоты шины процессора с 66 до 100 МГц привело к увеличению пропускной способности до 800 Мбайт/с. Следует отметить, что в большинство систем была включена поддержка AGP. Частота стандартного интерфейса AGP равна 66 МГц (т.е. вдвое больше скорости PCI), но большинство систем поддерживают порт AGP 2x, быстродействие которого вдвое выше стандартного AGP, что приводит к увеличению пропускной способности до 533 Мбайт/с. Кроме того, в этих системах обычно использовались модули памяти PC100 SDRAM DIMM, скорость передачи данных которых равна 800 Мбайт/с.

В системах Pentium III и Celeron разъем Slot 1 уступил место гнезду Socket 370. Это было связано главным образом с тем, что более современные процессоры включают в себя встроенную кэш-память второго уровня (работающую на полной частоте ядра), а значит, исчезла потребность в дорогом корпусе, содержащем несколько микросхем. Скорость шины процессора увеличилась до 133 МГц, что повлекло за собой повышение пропускной способности до 1066 Мбайт/с. В современных системах используется уже AGP 4x со скоростью передачи данных 1066 Мбайт/с.

Шина процессора на основе hub-архитектуры

Обратите внимание на hub-архитектуру Intel, используемую вместо традиционной архитектуры “северный/южный мост”. В этой конструкции основное соединение между компонентами набора микросхем перенесено в выделенный hub-интерфейс со скоростью передачи данных 266 Мбайт/с (вдвое больше, чем у шины PCI), что позволило устройствам PCI использовать полную, без учета южного моста, пропускную способность шины PCI. Кроме того, микросхема Flash ROM BIOS, называемая теперь Firmware Hub, соединяется с системой через шину LPC. Как уже отмечалось, в архитектуре “северный/южный мост” для этого использовалась микросхема Super I/O. В большинстве систем для соединения микросхемы Super I/O вместо шины ISA теперь используется шина LPC. При этом hub-архитектура позволяет отказаться от использования Super I/O. Порты, поддерживаемые микросхемой Super I/O, называются традиционными (legacy), поэтому конструкция без Super I/O получила название нетрадиционной (legacy-free) системы. В такой системе устройства, использующие стандартные порты, должны быть подсоединены к компьютеру с помощью шины USB. В этих системах обычно используются два контроллера и до четырех общих портов (дополнительные порты могут быть подключены к узлам USB).

В системах, созданных на базе процессоров AMD, применена конструкция Socket A, в которой используются более быстрые по сравнению с Socket 370 процессор и шины памяти, но все еще сохраняется конструкция “северный/южный мост”. Обратите внимание на быстродействующую шину процессора, частота которой достигает 333 МГц (пропускная способность — 2664 Мбайт/с), а также на используемые модули памяти DDR SDRAM DIMM, которые поддерживают такую же пропускную способность (т.е. 2664 Мбайт/с). Также следует заметить, что большинство южных мостов включает в себя функции, свойственные микросхемам Super I/O. Эти микросхемы получили название Super South Bridge (суперъюжный мост).

Система Pentium 4 (Socket 423 или Socket 478), созданная на основе hub-архитектуры, показана на рисунке ниже. Особенностью этой конструкции является шина процессора с тактовой частотой 400/533/800 МГц и пропускной способностью соответственно 3200/4266/6400 Мбайт/с. Сегодня это самая быстродействующая шина. Также обратите внимание на двухканальные модули PC3200 (DDR400), пропускная способность которых (3200 Мбайт/с) соответствует пропускной способности шины процессора, что позволяет максимально повысить производительность системы. В более производительных системах, включающих в себя шину с пропускной способностью 6400 Мбайт/с, используются двухканальные модули DDR400 с тактовой частотой 400 МГц, благодаря чему общая пропускная способность шины памяти достигает 6400 Мбайт/с. Процессоры с частотой шины 533 МГц могут использовать парные модули памяти (PC2100/DDR266 или PC2700/DDR333) в двухканальном режиме для достижения пропускной способности шины памяти 4266 Мбайт/с. Соответствие пропускной способности шины памяти рабочим параметрам шины процессора является условием оптимальной работы.

Процессор Athlon 64, независимо от типа гнезда (Socket 754, Socket 939 или Socket 940), использует высокоскоростную архитектуру HyperTransport для взаимодействия с северным мостом или микросхемой AGP Graphics Tunnel. Первые наборы микросхем для процессоров Athlon 64 использовали версию шины HyperTransport с параметрами 16 бит/800 МГц, однако последующие модели, предназначенные для поддержки процессоров Athlon 64 и Athlon 64 FX в исполнении Socket 939, используют более быструю версию шины HyperTransport с параметрами 16 бит/1 ГГц.

Наиболее заметным отличием архитектуры Athlon 64 от всех остальных архитектур ПК является размещение контроллера памяти не в микросхеме северного моста (или микросхеме MCH/GMCH), а в самом процессоре. Процессоры Athlon 64/FX/Opteron оснащены встроенным контроллером памяти. Благодаря этому исключаются многие “узкие места”, связанные с внешним контроллером памяти, что положительно сказывается на общем быстродействии системы. Главный недостаток этого подхода состоит в том, что для добавления поддержки новых технологий, например памяти DDR2, придется изменять архитектуру процессора.

Поскольку шина процессора должна обмениваться информацией с процессором с максимально возможной скоростью, в компьютере она функционирует намного быстрее любой другой шины. Сигнальные линии (линии электрической связи), представляющие шину, предназначены для передачи данных, адресов и сигналов управления между отдельными компонентами компьютера. Большинство процессоров Pentium имеют 64-разрядную шину данных, поэтому за один цикл по шине процессора передается 64 бит данных (8 байт).

Тактовая частота, используемая для передачи данных по шине процессора, соответствует его внешней частоте. Это следует учитывать, поскольку в большинстве процессоров внутренняя тактовая частота, определяющая скорость работы внутренних блоков, может превышать внешнюю. Например, процессор AMD Athlon 64 3800+ работает с внутренней тактовой частотой 2,4 ГГц, однако внешняя частота составляет всего 400 МГц, в то время как процессор Pentium 4 с внутренней частотой 3,4 ГГц имеет внешнюю частоту, равную 800 МГц. В новых системах реальная частота процессора зависит от множителя шины процессора (2x, 2,5x, 3x и выше). Шина FSB, подключенная к процессору, по каждой линии данных может передавать один бит данных в течение одного или двух периодов тактовой частоты. Таким образом, в компьютерах с современными процессорами за один такт передается 64 бит.

Пропускная способность шины процессора

Для определения скорости передачи данных по шине процессора необходимо умножить разрядность шины данных (64 бит, или 8 байт, для Celeron/Pentium III/4 или Athlon/Duron/ Athlon XP/Athlon 64) на тактовую частоту шины (она равна базовой (внешней) тактовой частоте процессора).

Например, при использовании процессора Pentium 4 с тактовой частотой 3,6 ГГц, установленного на системной плате, частота которой равна 800 МГц, максимальная мгновенная скорость передачи данных будет достигать примерно 6400 Мбайт/с. Этот результат можно получить, используя следующую формулу:
800 МГц × 8 байт (64 бит) = 6400 Мбайт/с.

Для более медленной системы Pentium 4:
533,33 МГц × 8 байт (64 бит) = 4266 Мбайт/с;
400 МГц × 8 байт (64 бит) = 3200 Мбайт/с.

Для системы Athlon XP (Socket A) получится следующее:
400 МГц × 8 байт (64 бит) = 3200 Мбайт/с;
333 МГц × 8 байт (64 бит) = 2667 Мбайт/с;
266,66 МГц × 8 байт (64 бит) = 2133 Мбайт/с.

Для системы Pentium III (Socket 370):
133,33 МГц × 8 байт (64 бит) = 1066 Мбайт/с;
100 МГц × 8 байт (64 бит) = 800 Мбайт/с.

Максимальную скорость передачи данных называют также пропускной способностью шины (bandwidth) процессора.

Шина ISA

Подробности

Родительская категория: Системные платы

Категория: Типы шин ввода-вывода

Шина ISA (Industrial Standard Architecture — промышленная стандартная архитектура) использовалась в первом компьютере IBM PC, выпущенном в 1981 году, а в 1984 году — в расширенном 16-разрядном варианте в IBM PC/AT. Шина ISA — это основополагающий базис архитектуры персональных компьютеров; она использовалась вплоть до конца 1990-х годов. Кажется странным, что шина с такой “древней” архитектурой использовалась в высокопроизводительных компьютерах, выпускавшихся до конца 1990-х годов, но это объясняется ее надежностью, широкими возможностями и совместимостью. К тому же эта шина до сих пор работает быстрее большинства подключаемых к ней периферийных устройств.

Примечание!

Шина ISA практически не встречается в современных настольных системах, а количество компаний, выпускающих платы ISA, крайне ограниченно. Платы ISA пока еще популярны в промышленных системах (PICMG), однако в скором будущем они исчезнут и там.

Существует два варианта шины ISA, различающихся количеством разрядов данных: старая 8-разрядная версия и новая 16-разрядная. Старая версия работала на тактовой частоте 4,77 МГц в компьютерах классов PC и XT. Новая версия использовалась в компьютерах класса AT с тактовыми частотами 6 и 8 МГц. Позже было достигнуто соглашение о стандартной максимальной тактовой частоте 8,33 МГц для обеих версий шин, что обеспечило их совместимость. В некоторых системах допускается использование шин при работе с большей частотой, но не все платы адаптеров выдерживают такую скорость. Для передачи данных по шине требуется от двух до восьми тактов. Поэтому максимальная скорость передачи данных по шине ISA составляет 8,33 Мбайт/с:

8,33 МГц × 16 бит : 2 такта = 66,64 Мбит/с (или 8,33 Мбайт/с)

Полоса пропускания 8-разрядной шины вдвое меньше (4,17 Мбайт/с). Однако не забывайте, что это теоретические максимумы — из-за сложного протокола обмена данными реальная пропускная способность шины намного ниже (обычно вдвое). Но даже в этом случае шина ISA работает быстрее, чем большинство подключенных к ней периферийных устройств.

8-разрядная шина ISA

Эта шина использовалась в первом компьютере IBM PC. В новых системах она не применяется, но до сих пор эксплуатируются сотни тысяч компьютеров с такой шиной, в том числе системы на базе процессоров 286 и 386.

В разъем вставляется плата адаптера с 62 контактами. На разъем подаются 8 линий данных и 20 линий адреса, что позволяет адресовать до 1 Мбайт памяти. Назначение и расположение контактов разъема 8-разрядной шины ISA показано на рисунке.

Хотя эта шина очень проста, компания IBM до 1987 года не публиковала ее полного описания и временных диаграмм сигналов на линиях данных и адреса. Поэтому при создании плат адаптеров для первых IBM-совместимых компьютеров разработчикам приходилось самим разбираться в ее работе. По мере распространения IBM-совместимых компьютеров и их превращения в промышленный стандарт процесс разработки существенно упростился.

Плата адаптера для 8-разрядной шины ISA имеет следующие размеры:

• высота — 4,2 дюйма (106,68 мм);
• длина — 13,13 дюйма (333,5 мм);
• толщина — 0,5 дюйма (12,7 мм).

16-разрядная шина ISA

Компания IBM буквально “взорвала” мир ПК, представив в 1984 году модель AT, оснащенную процессором 286. Данный процессор поддерживал 16-разрядную шину данных, что позволяло обеспечить взаимодействие между процессором, системной платой и памятью с использованием 16-разрядных, а не 8-разрядных данных. Хотя процессор и можно было установить на системной плате с 8-разрядной шиной ввода-вывода, все равно обеспечивалось повышенное быстродействие при обмене данными с различными платами, подключаемыми к шине.

Вместо того чтобы создавать новую шину ввода-вывода, IBM решила обеспечить совместимость системы с 8- и 16-разрядными адаптерами, оставив тот же 8-разрядный разъем, но добавив к нему еще один дополнительный. В результате был получен разъем для установки 16-разрядных адаптеров. Впервые представленная в компьютерах PC/AT в августе 1984 года 16-разрядная шина ISA также называлась шиной AT.

Дополнительный разъем в каждом 16-разрядном разъеме расширения добавляет 36 контактов (общее количество контактов для передачи данных при этом увеличивается до 98), необходимых для передачи данных большей разрядности. Кроме того, было изменено назначение двух контактов 8-разрядной части разъема. Однако подобные изменения никак не отразились на работоспособности 8-разрядных плат.

Обычная плата адаптера класса AT имеет следующие размеры:

• высота — 4,8 дюйма (121,92 мм);
• длина — 13,13 дюйма (333,5 мм);
• толщина — 0,5 дюйма (12,7 мм).

В компьютерах класса AT могут встретиться платы высотой как 4,8 дюйма, так и 4,2 дюйма (соответствующие старым платам для компьютеров класса PC/XT). Платы с уменьшенной высотой устанавливались в компьютере класса XT модели 286. В данной модели с системной платой, предназначенной для компьютера класса AT, использовался корпус от XT, поэтому высоту плат адаптеров пришлось уменьшить до 4,2 дюйма. После этого большинство производителей стали выпускать только адаптеры с уменьшенной высотой, которые можно установить в любой корпус.

32-разрядная шина ISA

Спустя некоторое время после выпуска 32-разрядного процессора были разработаны первые стандарты на соответствующую шину. Еще до появления первых проектов архитектур МСА и EISA некоторые компании начали разрабатывать собственные конструкции, представляющие собой расширение архитектуры ISA. Хотя их было выпущено сравнительно немного, некоторые из них встречаются даже сейчас.

Дополнительные линии этих шин обычно использовались только при работе с платами расширения памяти и видеоадаптерами, выпускаемыми компаниями, создавшими данный стандарт. Их параметры и разводки разъемов существенно отличаются от стандартных, к тому же их спецификации и схемы контактов не распространялись.