Архитектура материнских плат для PC

Оглавление

Введение 2

Материнская плата (motherboard) 2

Классификация материнских плат по форм-фактору 3

Технологии  энергосбережения 4

Определение модели 5

Микропроцессоры 5

Чипсет 6

Шина 8

    ISA 10

    EISA 11

    VESA 11

    PCI 12

Память 12

Заключение 17

Список литературы 18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В начале XXI века мы не мыслим свою жизнь без компьютера. На сегодняшний день в мире существует множество компьютеров, гаджетов различных фирм, групп сложности, назначения и поколений - основной частью которых является материнская плата. В данном реферате мы рассмотрим структуру и дальнейшие тенденции развития материнских плат для персональных компьютеров.

Основной частью любой  компьютерной системы является материнская  плата с главным процессором  и поддерживающими его микросхемами. Иногда такая плата содержит всю  схему компьютера (одноплатные). В  противоположность одноплатным, в  шиноориентированых компьютерах системная  плата реализует схему минимальной  конфигурации, остальные функции  реализуются с помощью многочисленных дополнительных плат. Все компоненты соединяются шиной. В системной  плате нет видеоадаптера, некоторых  видов памяти и средств связи  с дополнительными устройствами. Эти устройства (платы расширения) добавляются к системной плате  путем присоединения к шине расширения, которая является частью системной  платы.

Первая материнская плата  была разработана фирмой IBM, и показанная в августе 1981 года (PC-1). В 1983 году появился компьютер с увеличенной системной  платой (PC-2). Максимум, что могла поддерживать PC-1 без использования плат расширения- 64К памяти. PC-2 имела уже 256К, но наиболее важное различие заключалось в программировании двух плат. Системная плата PC-1 не могла  без корректировки поддерживать наиболее мощные устройства расширения, таких, как жесткий диск и улучшенные видеоадаптеры.

Материнская плата (motherboard)

 

Материнская плата — сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера либо сервера начального уровня (центральный процессор, контроллер оперативной памяти и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода).

Именно материнская плата  объединяет, координирует работу таких различных по своей сути и функциональности комплектующих, как процессор, оперативная память, платы расширения и всевозможные накопители.

Современная материнская  плата ПК, как правило, включает в  себя чипсет, осуществляющий взаимодействие центрального процессора с ОЗУ и  основной оперативной памятью, с  портами ввода/вывода, со слотами  расширения PCI Express, PCI, а также, обычно, с USB, SATA и IDE/ATA. Большинство устройств, которые могут присоединяться к  материнской плате, делают это с  помощью одного или нескольких слотов расширения или сокетов, а некоторые  современные материнские платы  поддерживают беспроводные устройства, использующие протоколы IrDA, Bluetooth, или 802.11 (WI-Fi).

В общем случае материнские  платы можно разделить по размерам на три группы. Раньше все материнские  платы имели размеры 8,5/11 дюймов. В XT размеры увеличились на 1 дюйм в AT размеры возросли еще больше.

Сейчас часто речь может  идти о “зеленых” платах (green mothrboard). Данные системные платы позволяют  реализовать несколько экономичных  режимов энергопотребления. Американское агентство защиты окружающей среды (EPA) сосредоточила свое внимание на уменьшении потребления энергии  компьютерными системами. Оборудование, удовлетворяющее ее (EPA) требованиям  должно в среднем ( в режиме холостого  хода) потреблять не более 30Вт, не использовать токсичные материалы и допускать 100% утилизацию. Поскольку современные  микропроцессоры используют напряжение питания 3,3-4В, на системных платах монтируют  преобразователи напряжение (т.к. на плату подается 5В).

Классификация материнских плат по форм-фактору

 

Форм-фактор материнской  платы — стандарт, определяющий размеры материнской платы для  персонального компьютера, места  её крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода/вывода, разъёма 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: ATX; microATX; FlexATX; NLX; WTX, CEB.

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

Существуют материнские  платы, не соответствующие никаким  из существующих форм-факторов. Обычно это обусловлено либо тем, что производимый компьютер узкоспециализирован, либо желанием производителя материнской платы самостоятельно производить и периферийные устройства к ней, либо невозможностью использования стандартных компонентов (так называемый «бренд», например, Apple, 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.

Наиболее известными производителями  материнских плат на российском рынке  в настоящее время являются фирмы Asus, Gigabyte, MSI, Intel, Biostar, Elitegroup, ASRock. В России материнские платы производит компания «Формоза» (использовались компоненты фирм Lucky Star и Albatron). На Украине — корпорация «Квазар-Микро».

Технологии энергосбережения

 

Повышенное внимание к  «зеленым» (энергосберегающим) технологиям (а также традиционно важные для  материнских плат надёжность и стабильность питания) вынудило многие компании-производители  разрабатывать различные решения  в этой области.

С постоянным увеличением  популярности электронных приборов на протяжении ближайших 20-30 лет Евросоюз решил ввести эффективную стратегию  для решения вопросов энергопотребления. Для этого были выпущены требования по энергоэффективности — ErP (Energy-related Products) и EuP (Energy Using Product). Стандарт разработан для определения энергопотребления  готовых систем. По требованию ErP/EuP, система в выключенном состоянии  должна потреблять менее 1 Вт энергии.

 

С пецификации ErP/EuP 2.0 намного строже первой версии. Для соответствия ErP/EuP 2.0 (вступит в действие в 2013 году) полное энергопотребление компьютера в выключенном состоянии не должно превышать 0,5 Вт.

Ultra Durable (версии 1, 2 и 3) — технология от Gigabyte, призванная улучшить температурный режим и надежность работы материнской платы, которая подразумевает:

• Увеличенная (удвоенная) толщина медных слоев толщиной 70 мкм (2 унции/кв.фут) как для слоя питания, так и для слоя заземления системной платы снижает полное сопротивление платы на 50 %, что обеспечивает снижение рабочей температуры компьютера, повышение энергоэффективности и улучшение стабильности работы системы в условиях разгона.
• Использование полевых транзисторов, обладающих пониженным сопротивлением в открытом состоянии (RDS(on)). Транзисторы преобразователей питания +12ATX выделяют относительно много тепла и, когда говорят об охлаждении подсистемы питания процессора, то подразумевают именно их.
• Использование дросселей с ферритовым сердечником — помимо большей (по сравнению с традиционными моделями) устойчивостью к окислению, эти дроссели обеспечивают меньшие потери энергии и меньший уровень электромагнитного излучения.

Определение модели

 

Определить модель установленной  материнской платы можно с  помощью DMI или Cpu-Z. В Linux можно использовать утилиту dmidecode, в Windows — SIW или AIDA64.

Микропроцессоры

 

Архитектура материнской  платы напрямую зависит от внешней  архитектуры микропроцессора.

В 1976 году фирма Intel начала усиленно работать над микропроцессором 8086. Размер его регистров по сравнению  с 8080 был увеличен в два раза, что  дало возможность увеличить его  производительность в 10 раз. Кроме того размер информационных шин был увеличен до 16 разрядов, что дало возможность  увеличить скорость передачи информации на микропроцессор и с него в два  раза. Размер его адресной шины также  был существенно увеличен - до 20 бит. Это позволило 86-му прямо контролировать 1М оперативной памяти.

В 1982 году Intel создала процессор 80286. Вместо 20-разрядной адресной шины 8088/8086, 80286 имел 24-разрядную шину. Эти  дополнительные 4 разряда давали возможность  увеличить максимум адресуемой памяти до 16 М.

Intel 80386 был создан в  1985 году. С увеличением шины данных  до 32 бит, число адресных линий  также было увеличено до 32. Само  по себе это расширение позволило  микpопpоцессоpу прямо обращаться  к 4Гб физической памяти. Кроме  того он мог работать с 16 триллионами байт виртуальной  памяти. Существует модификация  процессора Intel80386 — 386SX. Главное  отличие его от 80386 это 16-битный  вход/выход шины данных. Как следствие  его внутренние регистры заполняются  в два шага.

Все процессоры семейства 486 имеют 32-разрядную архитектуру, внутреннюю кэш-память 8 Кб (у DX4 - 16 КВ). Модели SX не имеют встроенного сопроцессора, он был вынесен на плату. Модели DX2 реализуют механизм внутреннего  удвоения частоты (например, процессор 486DX2-66 устанавливается на 33-мегагерцовую системную плату), что позволяет  поднять быстродействие практически  в два раза, так как эффективность  кэширования внутренней кэш-памяти составляет почти 90 процентов. Процессоры семейства DX4 486DX4-75 и 486DX4-100 предназначены  для установки на 25-ти и 33-мегагерцовые платы.

Созданные в середине 1989 и 1995 года процессоры Pentium и Pentium Pro значительно  отличались по своей архитектуре  от своих проедшественников. В основу архитектуры была положена суперскалярная архитектура, которая и дала возможность  получить пятикратное получение  производительности Pentium по сравнению  с моделью 80486. Хотя Pentium проектировался как 32-разрядный, для связи с осталными  компонентами системы использовалась внешняя 64-разрядная шина.

Чипсет

 

Чипсет —  интегрированный  в материнскую плату  набор  микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. Чипсет выполняет  роль компонента, который обеспечивает общее функционирование подсистем  памяти, ЦПУ, введения-вывода и другого.

Современные компьютеры содержат две микросхемы чипсета:

Северный мост (от англ. Northbridge) -- один из основных элементов чипсета  компьютера, отвечающий за работу с  процессором, памятью и видеоадаптером. Северный мост определяет частоту системной шины, возможный тип оперативной памяти (в системах на базе процессоров Intel) (SDRAM, DDR, другие), её максимальный объем и скорость обмена информацией с процессором. Кроме того, от северного моста зависит наличие шины видеоадаптера, её тип и в северный мост нередко встраивают и графическое ядро. Во многих случаях именно северный мост определяет тип и быстродействие шины расширения системы (PCI,PCI Express, другое). Северный мост в значительной степени влияет на то, до какой степени может быть разогнан компьютер, поскольку используемая им частота является базовой для частоты работы процессора. В современных системах, когда компьютер становится быстрее, чип всё более нагревается. Поэтому на сегодняшний день нередко используются различные типы охлаждения северного моста, например радиаторы или кулеры.

Южный мост (от англ. Southbridge), также известен как контроллер-концентратор ввода-вывода от англ. I/O Controller Hub (ICH). Это  микросхема, которая реализует «медленные»  взаимодействия на материнской плате  между чипсетом материнской платы  и её компонентами. Южный мост обычно не подключён напрямую к процессору (CPU), в отличие от северного моста. Северный мост связывает южный мост с CPU. Функционально южный мост включает в себя: Шину PCI; шину ISA; SMBus (SM шина) или интерфейс I2C;DMA контроллер; контроллер прерываний; IDE (SATA или PATA) контроллеры; шина LPC Bridge; часы реального времени (Real Time Clock); управление питанием (Power management (APM и ACPI); энергонезависимую память BIOS (CMOS); звуковой контроллер AC97 (опционально).

Опционально южный мост также  может включать в себя поддержку,RAID контроллера, контроллера USB, контроллера Fire Wire и аудио-кодек.

Реже южный мост включает в себя поддержку клавиатуры, мыши и последовательных портов, но обычно эти устройства подключаются с помощью  другого устройства - Super I/O (контроллера  ввода-вывода). Поддержка шины PCI включает в себя традиционную спецификацию PCI, но может также обеспечивать поддержку  шины PCI-X и PCI Express. Хотя поддержка шины ISA используется достаточно редко, она  осталась неотъемлемой частью современного южного моста. Шина SM используется для  связи с другими устройствами на материнской плате (например, для  управления вентиляторами). Контроллер DMA позволяет устройствам на шине ISA или LPI получать прямой доступ к оперативной  памяти, обходясь без помощи центрального процессора. Контроллер прерываний обеспечивает механизм выделения центрального процессора каждому устройству. IDE интерфейс позволяет работать системе с жёсткими дисками.LPC шина обеспечивает передачу данных и управление SIO (это такие устройства, как клавиатура, мышь, параллельный ,последовательный порт, инфракрасный порт и флоппи-контроллер) и BIOS ROM (флеш). APM или ACPI функции позволяет перевести компьютер в «спящий режим» или выключить его. Системная память CMOS, поддерживаемая питанием от батареи, позволяет создать ограниченную по объёму область памяти для хранения системных настроек (настроек BIOS).

Шина

 

Компьютерная шина — в архитектуре компьютера подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера. В связи с этим разделяется механический, электрический (физический) и логический (управляющий) уровни.

При логической структуре у компьютера имеется одна шина для соединения центрального процессора, памяти и устройств ввода-вывода, однако большинство систем содержат две и более шин. Каждое устройство ввода-вывода состоит из двух частей: одна из них содержит большую часть электроники и называется контроллером, а другая представляет собой само устройство ввода-вывода, например дисковод. Контроллер обычно содержится на плате, которая втыкается в свободный разъем. Исключение представляют контроллеры, являющиеся обязательными (например, клавиатура), которые иногда располагаются на материнской плате. Хотя дисплей (монитор) и не является факультативным устройством, соответствующий контроллер иногда располагается на встроенной плате, чтобы пользователь мог по желанию выбирать платы с графическими ускорителями или без них, устанавливать дополнительную память и т. д. Контроллер связывается с самим устройством кабелем, который подсоединяется к разъему на задней стороне корпуса.