Материнская плата

МАТЕРИНСКИЕ ПЛАТЫ

Материнская плата (Motherboard) — основной компонент каждого ПК. Называется главной (Mainboard), или системной, платой. Это самостоятельный элемент, который управляет внутренними связями и взаимодействует с внешними устройствами. Материнская плата является основным элементом внутри ПК, влияющим на производительность компьютера в целом.

Конструктивно материнская плата является главной платой ПК, на которой размещены все его основные элементы, линии соединения и разъемы для подключения внешних устройств.

Тип установленной материнской платы определяет общую производительность системы, а также возможности модернизации ПК и подключения дополнительных устройств.

Наиболее известными среди фирм-производителей материнских плат являются American Megatrends Inc. (AMI), Asus, Acorp, Abit, GigaByte, Intel, Chaintech, Epox, A-Open, Microstar, Soltek.

На рис. 2.4 представлена структура типовой материнской платы:

я процессор, на котором размещается радиатор с вентилятором, устанавливаемым в специальный разъем;

• микросхемы кэш-памяти второго уровня (внешней), которые устанавливаются на плату картриджа центрального процессора CPU;
• слоты для установки модулей оперативной памяти;
• разъемы (слоты) для установки карт расширения. В соответствии со спецификацией PC 2001 материнские платы оборудованы слотом AGP. Наличие слотов и возможность установки в них любых карт расширения (видеоадаптера, звуковой карты, модема, карты АЦП и др.) определяет открытую архитектуру ПК;

я микросхема перепрограммируемой памяти (EEPROM), в которой хранятся программы, POST, программа загрузки операционной системы, драйверы устройств, начальные установки (CMOS Setup). На рис. 2.4 микросхема обозначена как BIOS; я набор микросхем (Chipset) высокой степени интеграции для управления обменом данными между всеми компонентами ПК;

• разъемы для подключения накопителей HDD, FDD, CD- ROM, последовательные порты для подключения периферийных устройств (мышь, модем и др.), параллельные порты для подключения принтера, сканеров некоторых типов;
• аккумуляторная батарея для питания микросхемы памяти CMOS, в которой хранятся текущие настройки BIOS (CMOS Setup) и электронного таймера (системных часов). у'

Все компоненты материнской платы  связаны между собой системой проводников (линий), по которым происходит обмен информацией. Эту совокупность линий называют информационной шиной, или просто шиной (Bus).

Взаимодействие между компонентами и устройствами ПК, подключенными к разным шинам, осуществляется с помощью так называемых мостов, реализованных на одной из микросхем Chipset. Например, на рис. 2.4 мост для соединения шины ISA и PCI реализован в микросхеме 82371АВ.

Размеры материнской платы, а также  отверстия внутри платы, которые соединяют ее с дном корпуса, стандартизованы. Основные типоразмеры материнских плат различных стандартов даны в табл. 2.1.

При выборе материнской платы необходимо согласовать ее размеры с типом корпуса ПК, а при ее установке следует исключить контакт с дном и боковыми металлическими панелями корпуса во избежание короткого замыкания.

Формфактор материнской платы — общая стратегия расположения на ней основных микросхем, слотов, ее форма и размер.

И 1995 г. корпорация Intel предложила спецификацию АТХ для митеринской платы и корпуса ПК.

11а рис. 2.5 показано расположение основных элементов ПК со- I л. к I ю спецификации АТХ 2.1. Особенностью данной версии специ- фикации АТХ является то, что блок питания вынесен за корпус си- < и'мной платы, что связано со значительными размерами системы ■ ж лаждения процессора.

Все преимущества материнской платы  АТХ проявляются в том • \учае, если она устанавливается в соответствующий корпус. Раз- |)п1н>таны следующие модификации материнских плат АТХ: Mini- ЛI X, Micro АТХ, Flex АТХ.

В 1997 г. корпорацией Intel был предложен новый стандарт NLX, который стал дальнейшим развитием стандарта АТХ. Согласно мндарту NLX в ПК устанавливается так называемая ризер- | а |) т а, имеющая стандартные слоты PCI и ISA, в которые устанав-

ливаются все необходимые карты расширения. Основное отличие ризер-карты состоит в том, что материнская плата устанавливается в специальный слот, называемый NLX Riser Connector. Этот разъем содержит не только информационную шину, но и шину питания. Таким образом, после установки материнская плата автоматически оказывается подключенной к шине питания. На ризер-карте располагаются различные разъемы, которые раньше располагались на материнской плате, — IDE, FDD, USB, блока питания и др.

В 2004 г. корпорация Intel опубликовала спецификацию ВТХ, которая является развитием стандарта АТХ для новых высокопроизводительных процессоров. При разработке спецификации ставились задачи совершенствования системы охлаждения, повышения механической прочности системной платы, стандартизации способов подключения к системной плате интерфейсов ввода-вывода.

На рис. 2.6 показано расположение элементов  на системной плате в соответствии со спецификацией ВТХ. В конце 2005 г. начался выпуск ПК под данный формфактор.

IIIIII СТРУКТУРА И СТАНДАРТЫ ШИН ПК

Шиной (Bus) называется вся совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства ПК. Шина предназначена для обмена информацией между двумя и более устройствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом. На рис. 2.7 дана структура шины.

Шина имеет места для подключения  внешних устройств — слоты, которые в результате становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключенными к ней устройствами.

Шины в ПК различаются по своему функциональному назначению:

• системная шина (или шина CPU) используется микросхемами Cipset для пересылки информации к CPU и обратно;
• шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между CPU и кэш-памятью;
• шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью RAM и CPU;
• шины ввода-вывода информации подразделяются на стандартные и локальные.

Локальная шина ввод а-в ы в о д а — это скоростная шина, предназначенная для обмена информацией между быстродействующими периферийными устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами, картами сканера и др.) и системной шиной под управ- лонием CPU. В настоящее время в качестве локальной шины используется шина PCI. Для ускорения ввода-вывода видеоданных и повышения производительности ПК при обработке трехмерных изображений корпорацией Intel была разработана шина AGP (Accelerated Graphics Port).

Стандартная шина ввод а-в ы в о д а используется для подключения к перечисленным ранее шинам более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, модемов, старых звуко- иых карт). До недавнего времени в качестве этой шины использовалась шина стандарта ISA. В настоящее время — шина USK^

Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реализо- иать важнейшие ее свойства — возможность параллельного подключения практически неограниченного числа внешних устройств и обеспечение обмена информацией между ними. Архитектура любой шины имеет следующие компоненты:

• линии для обмена данными (шина данных);
• линии для адресации данных (шина адреса);

• линии управления данными (шина управления); ш контроллер шины.

Контроллер шины осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы либо в виде совместимого набора микросхем — Chipset.

Шина данных обеспечивает обмен данными между CPU, картами расширения, установленными в слоты, и памятью RAM. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за один такт и тем выше производительность ПК. Если компьютеры с процессором 80286 имели 16-разрядную шину данных, с CPU 80386 и 80486 — 32-разрядную, то компьютеры с CPU семейства Pentium — 64-разрядную шину данных.

Шина адреса служит для указания адреса к какому-либо устройству ПК, с которым CPU производит обмен данными^Каж- дый компонент ПК, каждый регистр ввода-вывода и ячейка RAM имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство ПК. По шине адреса передается идентификационный код (адрес) отправителя и (или) получателя данных.

Для ускорения обмена данными используется устройство промежуточного хранения данных — оперативная память — RAM. При этом решающую роль играет объем данных, которые могут временно храниться в ней.

Объем зависит от разрядности адресной шины (числа линий) и тем самым от максимально возможного числа адресов, генерируемых процессором на адресной шине, т. е. от числа ячеек RAM, которым может быть присвоен адрес. Число ячеек RAM не должно превышать 2", где п — разрядность адресной шины. В противном случае часть ячеек не будет использоваться, поскольку процессор не сможет адресоваться к ним.

В двоичной системе счисления максимально  адресуемый объем памяти равен 2", где л — число линий шины адреса.

Если процессор 8088, например, имел 20 адресных линий и мог, таким  образом, адресовать память объемом 1 Мбайт (2²⁰ = = 1 048 576 байт = 1 024 Кбайт), то в ПК с процессором 80286 разрядность адресной шины была увеличена до 24 бит, а процессоры 80486, Pentium, Pentium ММХ и Pentium II имеют уже 32-разрядную шину адреса, с помощью которой можно адресовать 4 Гбайт памяти.

Шина управления передает ряд служебных сигналов: ыписи-считывания, готовности к приему-передаче данных, под- гнсрждения приема данных, аппаратного прерывания, управления и других, чтобы обеспечить передачу данных.

1. Основные характеристики шины

Разрядность шины определяется числом параллельных проводников, входящих в нее. Первая шина ISA для IBM PC была

2. • разрядной, т. е. по ней можно было одновременно передавать 8 бит. ('истемные шины ПК, например, Pentium TV — 64-разрядные.

Пропускная способность шины определяется количеством байтов информации, передаваемых по шине за секунду. Для определения пропускной способности шины необходимо умножить тактовую частоту шины на ее разрядность. Например, для

3. разрядной шины ISA пропускная способность определяется так:

(16 бит • 8,33 МГц): 8 = 16,66 Мбайт/с.

При расчете пропускной способности, например шины AGP, следует учитывать режим ее работы: благодаря увеличению в два раза тактовой частоты видеопроцессора и изменению протокола передачи данных удалось повысить пропускную способность шины н два (режим 2х) или в четыре (режим 4х) раза, что эквивалентно увеличению тактовой частоты шины в соответствующее число раз (до 133 и 266 МГц соответственно).

Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса (Interface — сопряжение), представляющего собой совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором.

К числу таких характеристик  относятся электрические и нременные параметры, набор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конструктивные особенности подключения. Обмен данными между компонентами ПК возможен только если интерфейсы этих компонентов совместимы.

2. Стандарты шин ПК

Принцип IBM-совместимости подразумевает стандартизацию интерфейсов отдельных компонентов ПК, что, в свою очередь, определяет гибкость системы в целом, т. е. возможность по мере необходимости изменять конфигурацию системы и подключать различные периферийные устройства. В случае несовместимости интерфейсов используются контроллеры. Кроме того, гибкость и унификация системы достигаются за счет введения промежуточных стандартных интерфейсов, таких как интерфейсы последовательной и параллельной передачи данных. Эти итерфейсы необходимы для работы наиболее важных периферийных устройств ввода-вывода.

Системная шина предназначена для обмена информацией между CPU, памятью и другими устройствами, входящими в систему. К системным шинам относятся:

• GTL, имеющая разрядность 64 бит, тактовую частоту 66, 100 и 133 МГц;
• EV6, спецификация которой позволяет повысить ее тактовую частоту до 377 МГц.

Шины ввод а-в ы в о д а совершенствуются в соответствии с развитием периферийных устройств ПК. В табл. 2.2 представлены характеристики некоторых шин ввода-вывода.

Шина ISA в течение многих лет считалась стандартом ПК. Однако практически она была вытеснена с рынка только в 2001 г.

Шина EISA не получила широкого распространения в связи с ее высокой стоимостью и пропускной способностью, уступающей пропускной способности появившейся на рынке шины VESA.

Шина VESA, или VLB, предназначена для связи CPU с быстрыми периферийными устройствами. В настоящее время ее вытеснила более производительная шина PCI.

Шина PCI была разработана фирмой Intel для процессора Pentium. Основополагающим принципом, положенным в основу тины PCI, является применение так называемых мостов (Brid- i/cs), которые осуществляют связь между шиной PCI и другими типами шин. В шине PCI реализован принцип Bus Mastering, который подразумевает способность внешнего устройства при пересылке данных управлять шиной (без участия CPU). Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным. В этом случае центральный процессор освобождается для решения других задач, пока происходит передача данных. В материнских платах тактовая частота шины PCI ыдается как половина тактовой частоты системной шины, т. е. при гактовой частоте системной шины 66 МГц шина PCI будет работать П.1 частоте 33 МГц. Шина PCI стала фактическим стандартом среди шин ввода-вывода. На рис. 2.8 дана архитектура шины PCI.