Системный блок материнская плата описание. Системная плата: структура, функции, разновидности, размеры

Системная (материанская) плата - печатная плата, на которой осуществляется монтаж большинства компонентов компьютерной системы. Название происходит от английского motherboard, иногда используется сокращение MB или слово mainboard - главная плата.

Компоненты системной платы

Современные персональные компьютеры имеют шинную архитектуру. Непосредственно на системной плате размещается лишь минимальный набор микросхем, а все остальные объединяются при помощи системной шины. Для этого используются специальные платы расширения и разъемы (слоты). Таким образом, на системной плате обычно расположены:

    звуковой платы

Контроллеры жестких дисков

Для подключения жёстких дисков с интерфейсом PATA обычно используется 40-проводный кабель (именуемый также шлейфом). Каждый шлейф обычно имеет два или три разъёма, один из которых подключается к разъёму контроллера на материнской плате (в более старых компьютерах этот контроллер размещался на отдельной плате расширения), а один или два других подключаются к дискам. В один момент времени шлейф P-ATA передаёт 16 бит данных. Иногда встречаются шлейфы IDE, позволяющие подключение трёх дисков к одному IDE каналу, но в этом случае один из дисков работает в режиме read-only.

SATA(Serial ATA) - последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации (как правило, с жёсткими дисками). SATA является развитием интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA).

SATA/150. Первоначально стандарт SATA предусматривал работу шины на частоте 1,5 ГГц, обеспечивающей пропускную способность приблизительно в 1,2 Гбит/с (150 Мб/с). (20%-я потеря производительности объясняется использованием системы кодирования 8B/10B, при которой на каждые 8 бит полезной информации приходится 2 служебных бита). Пропускная способность SATA/150 незначительно выше пропускной способности шины Ultra ATA (UDMA/133). Главным преимуществом SATA перед PATA является использование последовательной шины вместо параллельной.

SATA/300, работающий на частоте 3 ГГц и обеспечивающий пропускную способность до 2,4 Гбит/с (300 Мб/с) впервые был реализован в контроллере чипсета nForce 4 фирмы Nvidia. Весьма часто стандарт SATA/300 называют SATA II. Теоретически SATA/150 и SATA/300 устройства должны быть совместимы (как SATA/300 контроллер и SATA/150 устройство, так и SATA/150 контроллер и SATA/300 устройство), однако для некоторых устройств и контроллеров требуется ручное выставление режима работы (например, на НЖМД фирмы Seagate, поддерживающих SATA/300 для принудительного включения режима SATA/150 предусмотрен специальный джампер). Стандарт SATA предусматривает возможность увеличения скорости работы до 600Мб/с (6 ГГц).

Разновидности системных плат

Имеется много видов системных плат. Обычно тип системной платы определяется базовым микропроцессором, типоразмером (форм-фактором), чипсетом, набором слотов для оперативной памяти и карт расширения, программой BIOS и др. Рассмотрим эти особенности подробнее …

Базовый микропроцессор, процессорные разъемы и частота

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, однако подавляющее большинство производителей предпочитают его соблюдать, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость материнской платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт расширения) других производителей.

Устаревшими считаются: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата AT; LPX. Современными считаются: АТХ; microATX; Flex-АТХ; NLX; WTX. Внедряемыми считаются: Mini-ITX и Nano-ITX; BTX, MicroBTX и PicoBTX Существуют материнские платы несоответствующие никаким из существующих форм-факторов (см. таблицу). 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 «брэнд», 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 г., когда многие производители уже создали собственные платформы).

Чипсет - набор микросхем (может быть и в одной микросхеме), являющийся интерфейсом между составными частями компьютера, такими, как ЦП, ОЗУ, ПЗУ, Порты ввода/вывода.

Набор интергальных схем, как правило состоит из трех основны: северный мост(обеспечивает взаимодействие между ЦП и памятью, шиной AGP ит.д.), южный мост(обеспечивает взаимодействие между ЦП и контроллером жесткого диска, шины PCI, USB ит.д.), Super I\O(отвечает за порты Com,lpt, ps/2).

Северный мост - является одим из основных элементов чипсета компьютера и отвечает за работу с процессором, памятью и видео адаптером. Северный Мост определяет частоту системной шины, возможный тип оперативной памяти (SDRAM, DDR, другие), ее максимальный объем и скорость обмена информацией с процессором. Кроме того, от Северного Моста зависит наличие шины видео адаптера, её тип и быстродействие. Для компьютерных систем нижнего ценового уровня в Северный Мост нередко встраивают и графическое ядро. Во многих случаях именно Северный Мост определяет тип и быстродействие шины расширения системы (PCI, PCI Experess, другое). Северный Мост является одим из основных элементов чипсета компьютера и отвечает за работу с процессором, памятью и видео адаптером. Северный Мост определяет частоту системной шины, возможный тип оперативной памяти (SDRAM, DDR, другие), ее максимальный объем и скорость обмена информацией с процессором. Кроме того, от Северного Моста зависит наличие шины видео адаптера, её тип и быстродействие. Для компьютерных систем нижнего ценового уровня в Северный Мост нередко встраивают и графическое ядро. Во многих случаях именно Северный Мост определяет тип и быстродействие шины расширения системы (PCI, PCI Experess, другое).

Микросхема южного моста (South Bridge) с помощью встроенных средств и внешних элементов обеспечивает контроль за работой большого числа сравнительно медленных периферийных устройств.

Оперативная память (ОЗУ - оперативное запоминающее устройство) - в информатике - память, предназначенная для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору команды и данные непосредственно, либо через кэш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.

В современных вычислительных устройствах, оперативная память представляет собой запоминающее устройство с произвольным доступом (RAM) и может изготавливаться как отдельный блок, или может входить в конструкцию однокристальной ЭВМ.

Виды ОЗУ:

SIMM (англ. Single In-line Memory Module) - модули памяти, широко применявшиеся в компьютерных системах в 1990-е годы. Имели несколько модификаций, среди которых наибольшее распространение получили три. С появлением Pentium, по причине низкого быстродействия динамической памяти SIMM-модулей, их спецификация претерпела изменения, в результате чего более новые модули (их называли EDO) стали несовместимы со старыми (FPM), обладая немного большим быстродействием. Платы Pentium, как правило, поддерживали оба типа памяти, в то время как большинство 486 машин поддерживали только старый (FPM) тип. Отличить по внешнему виду их было невозможно и только «метод научного тыка» помогал определить их тип. Установка «неправильного» типа памяти не приводила к неисправностям - система просто не видела памяти. Так как на платах Pentium с 64-разрядной шиной данных уже 72-контактные модули потребовалось ставить парами, постепенно и их попарно «объединили», результатом чего стало появлением первых модулей DIMM.

DDR SDRAM (от англ. «Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory» - удвоенная скорость передачи данных синхронной памяти с произвольным доступом) - это тип оперативной памяти используемой в компьютерах. При использовании DDR SDRAM достигается большая полоса пропускания, нежели в обыкновенной SDRAM, за счет передачи данных по обоим фронтам сигнала. За счет этого фактически почти удваивается скорость передачи данных, не увеличивая при этом частоты шины памяти. Таким образом, при работе DDR на частоте 100 МГц мы получим эффективную частоту 200МГц (при сравнении с аналогом SDR SDRAM). В спецификации JEDEC есть замечание, что использовать термин «МГц» в DDR некорректно, правильно указывать скорость «миллионах передач в секунду через один вывод данных».

DDR2 SDRAM (от англ. double-data-rate two synchronous dynamic random access memory - удвоенная скорость передачи данных синхронной памяти с произвольным доступом) - это тип оперативной памяти используемой в компьютерах. Как и DDR SDRAM DDR2 SDRAM использует передачу данных по обоим фронтам тактового сигнала, за счет чего при такой-же частоте шины памяти как и в обычной SDRAM можно фактически удвоить скорость передачи данных (например при работе DDR и DDR2 на частоте 100 МГц эффективная частота получается 200МГц). Основное отличие DDR2 от DDR - способность работать на намного болшей тактовой частоте, благодаря усовершенствованиям в конструкции. Но измененная схема работы буфера предвыборки данных, позволяющая добиться высоких тактовых частот, в то-же время увеличивает задержки (latency) при работе с памятью.

Слоты карт расширения:

ISA (от англ. Industry Standart Architecture, ISA bus) - 8-ми или 16-ти разрядная системная шина IBM PC-совместимых компьютеров. Служит для подключения плат расширения стандарта ISA. Конструктивно выполняется в виде 62-х или 98-контактного разъёма на материнской плате. С появлением материнских плат формата ATX - шина ISA перестала широко использоваться в компьютерах. Но пока её ещё можно встретить в старых AT-компьютерах, а также в промышленных компьютерах. Для встроенных систем существует вариант компоновки шины ISA, отличающийся применяемыми разъёмами - шина PC/104.

PCI (англ. Peripheral component interconnect, дословно: взаимосвязь периферийных компонентов) - на сегодняшний день de facto стандартная системная шина 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);

    Развитием стандарта PCI занимается организация PCI Special Interest Group.

AGP (от англ. Accelerated Graphics Port, ускоренный графический порт) - разработанная в 1997 году компанией Intel, специализированная 32-битная системная шина для видеокарты. Появилась одновременно с чипсетами для процессора Intel Pentium II. Основной задачей разработчиков было увеличение производительности и уменьшение стоимости видеокарты, за счёт уменьшения количества встроенной видеопамяти. По замыслу Intel большие объёмы видеопамяти для AGP-карт были бы не нужны, поскольку технология предусматривала высокоскоростной доступ к общей памяти.

PCI Express или PCIe или PCI-E, (также известная как 3GIO for 3rd Generation I/O; не путать с PCI-X или PXI) - компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.

BIOS (англ. Basic Input-Output System - базовая система ввода-вывода, БСВВ) - программа, находящаяся в ПЗУ (постоянном запоминающем устройстве) персонального компьютера и исполняющаяся при включении питания. Основная функция BIOS - подготовить машину к тому, чтобы основное программное обеспечение (в большинстве случаев это операционная система), записанное на различных носителях (жёсткий диск, дискета или компакт-диск, доступное через сеть), могло загрузиться и получить контроль над компьютером. Обозначение подобного базового ПО термином BIOS присуще для персональных компьютеров на базе процессоров с архитектурой x86. Для компьютеров на базе процессоров других типов для обозначения ПО, выполняющего подобные функции используются другие термины: например базовое ПО машин с процессором архитектуры SPARC называется PROM. BIOS выполняет самотестирование (POST) устройств, затем ищет загрузчик операционной системы (англ. Boot Loader) на доступных дисках. Если загрузчик не найден, BIOS выдаёт сообщение об ошибке. Многие старые персональные компьютеры, которые не имели полноценной операционной системы, либо её загрузка не была необходимой пользователю, вызывали встроенный интерпретатор языка Бейсик. Также BIOS содержит минимальный набор сервисных функций, например, для вывода сообщений на экран или приёма символов с клавиатуры, что и обусловливает расшифровку её названия: Basic Input-Output System - Базовая система ввода-вывода. В современных персональных компьютерах, BIOS также предоставляет интерфейс для низкоуровневого конфигурирования компонентов системы, а также позволяет производить загрузку операционной системы через интерфейсы, изначально для этого не предназначенные, в том числе USB и IEEE 1394. Также возможна загрузка по сети (применяется на "тонких клиентах"). В некоторых BIOS"ах релизуется дополнительная функциональность (например, воспроизведение DVD-дисков), поддержка встроенной рабочей среды (например, интерпретатор языка Basic).

Материнская («материнка»/Motherboard), или, по-другому, системная плата - это неотъемлемая часть персонального компьютера. Своим внешним видом она напоминает обычную текстолитовую пластину, где в большом количестве расположились медные проводники, разъёмы, интерфейсы и прочие детали. Если выражаться сухим официальным языком, то системная плата - это главная сборочная единица.

В её разъёмы и интерфейсы устанавливаются все комплектующие персонального компьютера: главный процессор, платы расширения, видеокарта или карты, оперативная память, а также винчестер и другие накопители/считыватели информации.

Кроме того, системная плата - это некий проводник для внешних манипуляторов и служебной периферии. К различным разъёмам в задней части материнки подключается мышка, клавиатура, принтеры, монитор, сканеры, коммуникационное оборудование и другие устройства.

Для того чтобы всё это разнообразие работало как надо, необходим источник вторичного питания, то есть плата системного блока должна быть подключена к этому источнику посредством оригинального разъёма. Такие интерфейсы в большинстве своём оснащаются специальной «защитой от дурака», где приёмник имеет пластиковые ключи и вставить его можно исключительно одним, правильным, образом. Схожие принципы подключения имеют и другие разъёмы, то есть производитель предусмотрительно позаботился о том, чтобы дорогостоящие компоненты не вышли из строя из-за неправильного подключения. Такими особенностями отличаются многие именитые системные платы: Asrock, MSI, «Гигабайт», «Асус» и другие.

Форм-факторы материнской платы

Форм-фактор материнки определяет точки крепежа к системному блоку. Кроме того, разные типы плат имеют отличительное расположение разъёмов питания, количество интерфейсов для подключения периферии и внутренних компонентов, а также их местоположение. Всего можно начитать три основных типа материнок. Практически все бренды, которые, что называется, на слуху, полностью поддерживают эти стандарты, то есть системные платы MSI, «Асус», «Самсунг», «Гигабайт» Asrock и т. п.

Форм-факторы:

  1. Мини-ITX . Наименьший размер платы с минимальным числом интерфейсов и чаще всего с уже интегрированным процессором (бюджетный вариант).
  2. Микро-ATX . Характеристика системной платы определяется как средняя по функциональности. Отличается приемлемыми размерами и считается оптимальным вариантом для домашнего персонального компьютера, пусть и с небольшим набором интерфейсов для подключения сторонней периферии. Чаще всего на борту такой материнской платы устанавливается чипсет с некоторыми ограничениями, но они не критичны для полноценной работы именно домашнего ПК.
  3. Standart-АТХ . Самый большой размер из группы с полнофункциональным набором чипсетов. Имеет достаточное количество интерфейсов для полноценной работы со всевозможной периферией. Отличается удобным и беспроблемным монтажом наряду с широкими возможностями подключения.

Обязательно нужно учитывать форм-фактор материнки, равно как и её размер, если вы самостоятельно комплектуете системный блок. Материнская плата типа мини-ITX может быть установлена в любой корпус, а вот остальные типы должны соответствовать размерам системного блока.

Разъёмы для процессоров («Сокет»/Socket)

Рассмотрим некоторые особенности разъёмов под процессоры. По большому счёту, системная плата - это вещь индивидуальная для каждого процессора и наоборот. Поэтому следует обязательно учитывать характеристики этого разъёма при выборе комплектующих, а именно процессора, для вашего компьютера.

Типовой ассортимент интерфейсов «Сокет» довольно велик и для каждого набора чипсетов подойдёт только свой тип. К примеру, системная плата Gigabyte GA с набором AMD имеет маркировки FX2, АМ3 и АМ3+. То есть, купив любой процессор с одной из этих «Сокет»-пометок, вы легко подключите его на эту материнскую плату. То же самое и с конкурентами из «Интел»: маркировки LGA 1150 и 1155 позволят вам выбрать нужный набор чипсетов, к примеру, под системные платы Samsung или «Асус».

БИОС (BIOS)

Далее мы рассмотрим отличительные черты каждой материнки. Неважно, какой у вас набор - первая или вторая системная плата, старая или новая и т. п. На ней в любом случае будет находиться микросхема БИОС для базовой систематизации ввода и вывода (BIOS - Basic Input-Output System).

Любая системная плата (Gigabyte, «Асус», «Самсунг», MSI и другие) несёт в себе несколько критичных подсистем, которые должны быть корректно настроены. Некоторый функционал может быть отключён, если, к примеру, вам не нужен встроенный графический ускоритель, потому как на борту установлена внешняя видеокарта.

Все настройки БИОСа сохраняются в специальном чипе-CMOS (о нём чуть ниже). Это своего рода запоминающее устройство «на века», работающее на литиевом элементе. Даже если вы на очень длительный срок выключите компьютер, данные в CMOS будут сохранены. В случае необходимости можно «грубо» сбросить все настройки, вынув батарейку из-под чипа. Этот момент нельзя назвать критичным, потому как все необходимые комплектующие для загрузки компьютера типа жёсткого диска или оперативной памяти определяются автоматически, - по крайней мере, в современных системах (после 2006 года). Настроенные ранее дата и время, естественно, сбросятся.

Микросхема CMOS

Практически любая системная плата (ASUS, «Гигабайт», MSI и другие) содержит в себе микросхему CMOS, запоминающую все изменения, внесённые в БИОС. Сам по себе чип потребляет крайне малый ток - чуть меньше микроампера, поэтому заряда батареи с лихвой хватает на год, а то и на несколько лет.

Иногда, если элемент полностью сел, компьютер может отказываться загружаться. Многие мастера-новички в этом случае сразу грешат на системную плату. Для того чтобы сразу исключить эту возможную причину (после длительного простоя компьютера), нужно вынуть аккумуляторный элемент из-под чипа CMOS и заново запустить систему. Если компьютер запустился или начал проявлять какие-то признаки жизни, то проблема была именно в севшей CMOS-батарейке.

Также нелишним будет заметить, что на элементе можно увидеть маркировку, где первые две цифры указывают диаметр батареи, а две следующие - ёмкость. Маркировкой CMOS-батареи должна оснащаться любая «уважающая себя» системная плата (Gigabyte, MSI, «Асус», «Самсунг» и т. д.). Если вы её не встретили - это повод насторожиться и усомниться в оригинальности и девственности купленного продукта. Чем больше ёмкость батареи, тем дольше будет работать элемент и тем он толще. Стандартная комплектация материнских плат чаще всего включает в себя аккумулятор типа 2032, то есть батарея с диаметром 20 мм и ёмкостью 32 мАч. Несколько реже можно встретить более скромные элементы вроде 2025.

Интерфейс IDE

Следующая не менее важная часть, которой оснащается каждая системная плата (ASUS, MSI, «Гигабайт», Asrock и другие), это интерфейсы для работы с жёсткими накопителями и считывателями данных, то есть в большинстве случаев с винчестерами, ДВД-приводами и другими носителями информации.

Домашние и офисные персональные компьютеры используют для этих случаев два основных интерфейса - это IDE и SATA. Разъём IDE (Integrated Drive Electronics) представляет собой 40-контактный приёмник и способен работать с жёстким диском или ДВД-приводом через гибкий ленточный кабель. Сегодняшние реалии заставляют потихоньку отказываться от интерфейса такого типа, но тем не менее его всё ещё можно встретить на некоторых материнских платах (чаще всего MSI и «Асус») для возможности подключения старых винчестеров и приводов.

Так же, как и в случае с разъёмом под блок питания, IDE-интерфейс имеет «защиту от дурака», то есть подключить его неправильно нельзя. Старые системные платы оснащались парой таких приёмников, то бишь первичным и вторичным (primary и secondary соответственно). Чаще всего жёсткий диск подключали к первичному контакту, а считывающие приводы - ко вторичному.

К каждому IDE-интерфейсу (каналу) можно подсоединить два внешний девайса - главный (master) и ведомый (slave). Выбор соответствующего параметра носителя выбирается с помощью специальных перемычек (джамперов) на самих устройствах. Причём если ошибочно выставить на одном канале двух «мастеров» или ведомых, то ни один из них работать не станет, поэтому всегда должен быть главный девайс и побочный.

Интерфейс SATA

Канал «САТА» - это последовательный набор интерфейсов, и в отличие от IDE, он позволяет работать на гораздо бОльших скоростях с подключаемыми устройствами. В настоящий момент он почти полностью исключил присутствие IDE-девайсов и продолжает развиваться дальше (SATA2, SATA3 и т. д.).

В зависимости от выбранного форм-фактора и производителя системной платы, на материнке может находиться разное количество разъёмов «САТА». Сегодняшняя стандартная комплектация подразумевает наличие как минимум четырех интерфейсов этого типа, в то время как более старые модели оснащались лишь двумя.

Интерфейс PS/2

Как уже говорилось выше, на системной плате находятся интерфейсы для работы с внешней периферией. Для подключения клавиатуры и манипуляторов типа «мышь» предназначены шестиконтактные приёмники PS/2 с соответствующими ключами и окрашенные в разные цвета. Этот момент также можно назвать «защитой от дурака», потому как каждый цвет соответствует типу подключаемого оборудования (мышь - зелёная, клавиатура - сиреневая), причём действует это в обе стороны, то есть, к примеру, на вашей мышке контакт должен быть зелёный.

Сразу стоит предупредить пользователей, что ни в коем случае нельзя подключать, равно как и отключать периферию от разъёма PS/2 во время работы компьютера, потому как это чревато выходом из строя не только клавиатуры или мыши, но и самой системной платы. Хорошо, если материнская плата оснащена группой предохранителей на этот случай, иначе может полететь вся система.

Такие чипы-предохранители имеют совсем небольшой номинал и легко горят при вышеописанных «переключательных» действиях. Для того чтобы проверить работоспособность предохранителя, его можно прозвонить обычным тестером. Если он вышел из строя, то его сравнительно легко (и дёшево) заменить, а впредь не рисковать, включая или отключая внешнюю периферию во время работы компьютера от порта PS/2. Также стоит отметить, что такими предохраняющими чипами оснащены далеко не все системные платы, поэтому обратить на этот момент внимание при покупке явно не лишний шаг.

Интерфейс USB

Среди прочих внешних разъёмов особое место отведено USB-интерфейсу (универсальная последовательная шина). Он состоит из четырёх линий: две отведены под питание, а другие под передачу данных. В отличие от привередливого порта PS/2, периферию, подключённую посредством USB-разъёма, можно менять, что называется, на ходу. Сам интерфейс появился достаточно давно и успел обзавестись некоторыми модификациями и улучшениями.

Возможность подключать и отключать девайсы с USB-разъёмом во время работы компьютера достигается за счёт специфичной конструкции интерфейса. Основные контакты питания находятся заметно ближе к срезу разъёма, в отличие от блока для передачи данных. То есть в момент коммутации питание начинает поступать в первую очередь, а отключается в последнюю.

Посредством USB-интерфейса можно подключить уйму периферийных устройств: принтеры, смартфоны, планшеты, сканеры, камеры и многое другое, а также привычные клавиатуру и мышь (имейте это в виду, если чипы-предохранители погорели на PS/2-портах).

Немногим ранее для подключения принтеров и сканеров использовались а ещё реже - последовательные СОМ-интерфейсы. Сегодня они практически не используются, и встретить их можно только на старых материнских картах. Но оно и к лучшему, потому как при подключении такого рода оборудования во время работы компьютера можно было спалить и принтер, и сам порт.

Интерфейсы PCI и PCI Express

Слоты PCI и PCI Express предназначены для плат расширения: сетевые адаптеры, коммуникаторы, модемы, видеокарты и т. п. Все видеокарты устанавливаются, как правило, в интерфейс типа PCI Express в силу его быстродействия. Раньше для работы с графическими ускорителями использовался разъём типа AGP, но он морально устарел, и увидеть его на современных материнских платах практически нереально.

Также стоит отметить, что со временем могут ослабевать, нарушая нормальную работу устройства. Быстрое «лечение» здесь одно - вытащить девайс из пазов, протереть контакты спиртосодержащим раствором и вставить обратно. Более кардинальный ремонт - это замена системной платы, но это необходимо в исключительных и крайне редких случаях.

Также следует знать, что претерпела несколько изменений в ходе совершенствования, и в зависимости от года выпуска материнской платы разъёмы могут отличаться и внешним видом, и разрядностью.

Модули оперативной памяти (ОЗУ)

В настоящее время можно встретить несколько видов оперативной DDR3 и DDR4. Морально устаревшие планки DDR1 практически не используются, увидеть их можно только на самых старых системных платах.

Отличается память друг от друга рабочей частотой, размерами, контактами и напряжением питания. Каждый отдельно взятый тип имеет специфический вырез (ключ) в нижней части, по которому и определяется вид оперативной памяти. Некоторые системные платы могут поддерживать сразу два вида планок, что очень удобно для последующего апгрейда.

Сами разъёмы оснащены специальными защёлками для надёжной фиксации на плате. Планки устанавливаются с определённым усилием, где после успешного монтажа будет слышан специфичный щелчок, - значит, модуль корректно сел (или вы сломали защёлку, слишком сильно надавив на неё).

Модули оперативной памяти, кроме полезных гигабайт, содержат небольшие микросхемы SPD, отвечающие за тайминг, то есть задержу данных для этого типа ОЗУ (оперативное запоминающее устройство). В БИОСе можно самостоятельно задать какие-то свои тайминги или оставить это на усмотрение самой планки. При разгоне оперативной памяти или всей системы в целом (оверклокинг) устанавливают максимально укороченную задержку.

Так же, как и в случае с PCI-слотами, модули ОЗУ могут начать некорректно работать, и для этого необходимо выполнить аналогичную процедуру, описанную в разделе выше и всё должно заработать как надо.

Рейтинг: / 4
Подробности Просмотров: 2719

Персональный компьютер: системная плата

Компьютер - это универсальная техническая система, способная четко выполнять последовательность операций определенной программы. Персональным компьютером (ПК) может пользоваться один человек без помощи обслуживающего персонала. Взаимодействие с пользователем происходит через много сред, от алфавитно-цифрового или графического диалога с помощью дисплея, клавиатуры и мышки до устройств виртуальной реальности.

Конфигурацию ПК можно изменять по мере необходимости. Но, существует понятие базовой конфигурации, которую можно считать типичной:

  • системный блок;
  • монитор;
  • клавиатура;
  • мышка.

Компьютеры выпускаются и в портативном варианте (laptop или notebook выполнение). В этом случае, системный блок, монитор и клавиатура размещены в одном корпусе: системный блок находится под клавиатурой, а монитор встроен в крышку.

Системный блок - основная составляющая ПК, в середине которой находятся важнейшие компоненты. Устройства, находящиеся в середине системного блока называют внутренними, а устройства, подсоединенные извне называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода и вывода информации называются также периферийными.

По внешнему виду, системные блоки отличаются формой корпуса, который может быть горизонтального (desktop) или вертикального (tower) выполнение. Корпусы вертикального выполнения могут иметь разные размеры: полноразмерный (BigTower), среднеразмерный (MidiTower), малоразмерный (MiniTower). Корпусы горизонтального выполнения бывают двух форматов: узкий (Full-AT) и очень узкий (Baby-AT). Корпусы персональных компьютеров имеют разные конструкторские особенности и дополнительные элементы (элементы блокировки несанкционированного доступа, средства контроля внутренней температуры, шторки от пыли).

Корпусы поставляются вместе с блоком питания, мощность которого является одним из параметров корпуса. Для массовых моделей достаточной является мощность 200-250 Вт.

Основные узлы системного блока:

  • электрические платы, руководящие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т.п.);
  • накопитель на жестком диске (винчестер), предназначенный для чтения или записи информации;
  • накопители (дисководы) для гибких магнитных дисков (дискет).

Основной платой ПК является материнская плата (MotherBoard). На ней расположены:

  • процессор - основная микросхема, выполняющая математические и логические операции;
  • чипсет (микропроцессорный комплект) - набор микросхем, которые руководят работой внутренних устройств ПК и определяют основные функциональные возможности материнской платы;
  • шины - набор проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
  • оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - набор микросхем, предназначенных для временного сохранения данных, пока включен компьютер;
  • постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - микросхема, предназначенная для долговременного хранения данных, даже при отключенном компьютере;
  • разъемы для подсоединения дополнительных устройств (слоты).

Процессор

Процессор - это главная микросхема компьютера, его "мозг". Он разрешает выполнять программный код, находящийся в памяти и руководит работой всех устройств компьютера. Скорость его работы определяет быстродействие компьютера. Конструктивно, процессор - это кристалл кремния очень маленьких размеров. Процессор имеет специальные ячейки, которые называются регистрами. Именно в регистрах помещаются команды, которые выполняются процессором, а также данные, которыми оперируют команды. Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных и их выполнении. На этом и базируется выполнение программ.

В ПК обязательно должен присутствовать центральный процессор (Central Rpocessing Unit - CPU), который выполняет все основные операции. Часто ПК оснащен дополнительными сопроцесорами, ориентированными на эффективное выполнение специфических функций, такие как, математический сопроцесор для обработки числовых данных в формате с плавающей точкой, графический сопроцесор для обработки графических изображений, сопроцесор ввода/вывода для выполнения операции взаимодействия с периферийными устройствами.

Основными параметрами процессоров являются:

  • тактовая частота,
  • разрядность,
  • рабочее напряжение,
  • коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты,
  • размер кеш памяти.

Тактовая частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемые процессором за единицу времени. Тактовая частота современных процессоров измеряется в МГц (1 Гц соответствует выполнению одной операции за одну секунду, 1 МГц=106 Гц). Чем больше тактовая частота, тем больше команд может выполнить процессор, и тем больше его производительность. Первые процессоры, которые использовались в ПК работали на частоте 4,77 МГц, сегодня рабочие частоты современных процессоров достигают отметки в 2 ГГц (1 ГГц = 103 МГц).

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью командной шины, то есть количеством проводников в шине, по которой передаются команды. Современные процессоры семейства Intel являются 32-разрядными.

Рабочее напряжение процессора обеспечивается материнской платой, поэтому разным маркам процессоров отвечают разные материнские платы. Рабочее напряжение процессоров не превышает 3 В. Снижение рабочего напряжения разрешает уменьшить размеры процессоров, а также уменьшить тепловыделение в процессоре, что разрешает увеличить его производительность без угрозы перегрева.

Коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты - это коэффициент, на который следует умножить тактовую частоту материнской платы, для достижения частоты процессора. Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая из чисто физических причин не может работать на таких высоких частотах, как процессор. На сегодня тактовая частота материнских плат составляет 100-133 Мгц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение на коэффициент 4, 4.5, 5 и больше.

Кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит намного быстрее, чем обмен данными между процессором и оперативной памятью. Поэтому, для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают так называемую сверхоперативную или кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. Чем больше размер кэш-памяти, тем большая вероятность, что необходимые данные находятся там. Поэтому высокопроизводительные процессоры имеют повышенные объемы кэш-памяти.

Различают кэш-память первого уровня (выполняется на одном кристалле с процессором и имеет объем порядка несколько десятков Кбайт), второго уровня (выполняется на отдельном кристалле, но в границах процессора, с объемом в сто и более Кбайт) и третьего уровня (выполняется на отдельных быстродействующих микросхемах с расположением на материнской плате и имеет объем один и больше Мбайт).

В процессе работы процессор обрабатывает данные, находящиеся в его регистрах, оперативной памяти и внешних портах процессора. Часть данных интерпретируется как собственно данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как команды. Совокупность разнообразных команд, которые может выполнить процессор над данными, образовывает систему команд процессора. Чем больше набор команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее запись команд в байтах и тем дольше средняя продолжительность выполнения команд.

Процессоры Intel, используемые в IBM-совместных ПК, насчитывают более тысячи команд и относятся к процессорам с расширенной системой команд - CISC-процессоров (CISC - Complex Instruction Set Computing). В противоположность CISC-процессорам разработаны процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC - Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд намного меньше, и каждая команда выполняется быстрее. Таким образом, программы, состоящие из простых команд выполняются намного быстрее на RISC-процессорах. Обратная сторона сокращенной системы команд состоит в том, что сложные операции приходится эмулировать далеко не всегда эффективной последовательностью более простых команд. Поэтому CISC-процессоры используются в универсальных компьютерных системах, а RISC-процессоры - в специализированных. Для ПК платформы IBM PC доминирующими являются CISC-процессоры фирмы Intel, хотя в последнее время компания AMD изготовляет процессоры семейства AMD-K6, которые имеют гибридную архитектуру (внутреннее ядро этих процессоров выполненное по RISC-архитектуре, а внешняя структура - по архитектуре CISC).

В компьютерах IBM PC используют процессоры, разработанные фирмой Intel, или совместимые с ними процессоры других фирм, относящиеся к семейству x86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086. В дальнейшем выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486 с модификациями, разные модели Intel Pentium, Pentium MMX, Pentium Pro, Pentium II, Celeron, Pentium III. Новейшей моделью фирмы Intel является процессор Pentium IV. Среди других фирм-производителей процессоров следует отметить AMD с моделями AMD-K6, Athlon, Duron и Cyrix.

Шины

С другими устройствами, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан группами проводников, которые называются шинами. Основных шин три:

  • шина данных,
  • адресная шина,
  • командная шина.

Адресная шина. Данные, которые передаются по этой шине трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. Именно из этой шины процессор считывает адреса команд, которые необходимо выполнить, а также данные, с которыми оперируют команды. В современных процессорах адресная шина 32-разрядная, то есть она состоит из 32 параллельных проводников.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и наоборот. В ПК на базе процессоров Intel Pentium шина данных 64-разрядная. Это означает, что за один такт на обработку поступает сразу 8 байт данных.

Командная шина. По этой шине из оперативной памяти поступают команды, выполняемые процессором. Команды представлены в виде байтов. Простые команды вкладываются в один байт, но есть и такие команды, для которых нужно два, три и больше байта. Большинство современных процессоров имеют 32-разрядную командную шину, хотя существуют 64-разрядные процессоры с командной шиной.

Шины на материнской плате используются не только для связи с процессором. Все другие внутренние устройства материнской платы, а также устройства, которые подключаются к ней, взаимодействуют между собой с помощью шин. От архитектуры этих элементов во многом зависит производительность ПК в целом.

Основные шинные интерфейсы материнских плат:

ISA (Industry Standard Architecture). Разрешает связать между собой все устройства системного блока, а также обеспечивает простое подключение новых устройств через стандартные слоты. Пропускная способность составляет до 5,5 Мбайт/с. В современных компьютерах может использоваться лишь для подсоединения внешних устройств, которые не требуют большей пропускной способности (звуковые карты, модемы и т.д.).

EISA (Extended ISA). Расширение стандарта ISA. Пропускная способность возросла до 32 Мбайт/с. Как и стандарт ISA, этот стандарт исчерпал свои возможности и в будущем выпуск плат, которые поддерживают эти интерфейсы прекратится.

VLB (VESA Local Bus). Интерфейс локальной шины стандарта VESA. Локальная шина соединяет процессор с оперативной памятью в обход основной шины. Она работает на большей частоте, чем основная шина, и позволяет увеличить скорость передачи данных. Позже, в локальную шину "врезали" интерфейс для подключения видеоадаптера, который требует повышенной пропускной способности, что и привело к появлению стандарта VLB. Пропускная способность - до 130 Мбайт/с, рабочая тактовая частота - 50 МГц, но она зависит от количества устройств, подсоединенных к шине, что является главным недостатком интерфейса VLB.

PCI (Peripherial Component Interconnect). Стандарт подключения внешних устройств, введенный в ПК на базе процессора Pentium. По своей сути, это интерфейс локальной шины с разъемами для подсоединения внешних компонентов. Данный интерфейс поддерживает частоту шины до 66 МГц и обеспечивает быстродействие до 264 Мбайт/с независимо от количества подсоединенных устройств. Важным нововведением этого стандарта является поддержка механизма plug-and-play, суть которого состоит в том, что после физического подключения внешнего устройства к разъему шины PCI происходит автоматическая конфигурация этого устройства.

FSB (Front Side Bus). Начиная с процессора Pentium Pro для связи с оперативной памятью используется специальная шина FSB. Эта шина работает на частоте 100-133 МГц и имеет пропускную способность до 800 Мбайт/с. Частота шины FSB является основным параметром, именно она указывается в спецификации материнской платы. За шиной PCI осталась лишь функция подключения новых внешних устройств.

AGP (Advanced Graphic Port). Специальный шинный интерфейс для подключения видеоадаптеров. Разработан в связи с тем, что параметры шины PCI не отвечают требованиям видеоадаптеров по быстродействию. Частота этой шины - 33 или 66 МГц, пропускная способность до 1066 Мбайт/с.

USB (Universal Serial Bus). Стандарт универсальной последовательной шины определяет новый способ взаимодействия компьютера с периферийным оборудованием. Он разрешает подключать до 256 разных устройств с последовательным интерфейсом, причем устройства могут подсоединяться цепочкой. Производительность шины USB относительно небольшая и составляет 1,55 Мбит/с. Среди преимуществ этого стандарта следует отметить возможность подключать и отключать устройства в "горячем режиме" (то есть без перезагрузки компьютера), а также возможность объединения нескольких компьютеров в простую сеть без использования специального аппаратного и программного обеспечения.

Внутренняя память

Под внутренней памятью понимают все виды запоминающих устройств, расположенные на материнской плате. К ним относятся оперативная память, постоянная память и энергонезависимая память.

Оперативная память RAM (Random Access Memory)

Память RAM - это массив кристаллических ячеек, способных сохранять данные. Она используется для оперативного обмена информацией (командами и данными) между процессором, внешней памятью и периферийными системами. Из нее процессор берет программы и данные для обработки, в нее записываются полученные результаты. Название "оперативная" происходит от того, что она работает очень быстро и процессору не нужно ждать при считывании данных из памяти или записи. Однако, данные сохраняются лишь временно при включенном компьютере, иначе они исчезают.

По физическому принципу действия различают динамическую память DRAM и статическую память SRAM.

Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать электрический заряд. Недостатки памяти DRAM: медленнее происходит запись и чтение данных, требует постоянной подзарядки. Преимущества: простота реализации и низкая стоимость.

Ячейки статической памяти можно представить как электронные микроэлементы - триггеры, состоящие из транзисторов. В триггере сохраняется не заряд, а состояние (включенный/выключенный). Преимущества памяти SRAM: значительно большее быстродействие. Недостатки: технологически более сложный процесс изготовления, и соответственно, большая стоимость.

Микросхемы динамической памяти используются как основная оперативная память, а микросхемы статической - для кэш-памяти.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, выраженный числом. В современных ПК на базе процессоров Intel Pentuim используется 32-разрядная адресация. Это означает, что всего независимых адресов есть 232, то есть возможное адресное пространство составляет 4,3 Гбайт. Однако, это еще не означает, что именно столько оперативной памяти может быть в системе. Предельный размер объема памяти определяется чипсетом материнской платы и обычно составляет несколько сотен мегабайт.

Оперативная память в компьютере размещена на стандартных панельках, которые называются модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Конструктивно модули памяти имеют два выполнения - однорядные (SIMM - модули) и двурядные (DIMM - модули). На компьютерах с процессорами Pentium однорядные модули можно применять лишь парами (количество разъемов для их установления на материнской плате всегда четное). DIMM - модули можно устанавливать по одному. Комбинировать на одной плате разные модули нельзя.

Основные характеристики модулей оперативной памяти:

  • объем памяти,
  • время доступа.

SIMM - модули имеют объем 4, 8, 16, 32, 64 мегабайт; DIMM - модули - 16, 32, 64, 128, 256, 512 Мбайт. Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти, чем меньше, тем лучше. Измеряется в наносекундах. SIMM - модули - 50-70 нс, DIMM - модули - 7-10 нс.

Постоянная память ROM (Read Only Memory)

В момент включения компьютера в его оперативной памяти отсутствуют любые данные, поскольку оперативная память не может сохранять данные при отключенном компьютере. Но процессору необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому процесор обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес указывает на память, которую принято называть постоянной памятью ROM или постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна продолжительное время сохранять информацию, даже при отключенном компьютере. Говорят, что программы, которые находятся в ПЗУ, "зашиты" в ней - они записываются туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящийся в ПЗУ образовывает базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System).

Основное назначение этих программ состоит в том, чтобы проверить состав и трудоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками.

Энергонезависимая память CMOS

Работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами BIOS, но такими средствами невозможно обеспечить роботу со всеми возможными устройствами (в связи с их огромным разнообразием и наличием большого количества разных параметров). Но для своей работы программы BIOS требуют всю информацию о текущей конфигурации системы. По очевидной причине эту информацию нельзя сохранять ни в оперативной памяти, ни в постоянной. Специально для этих целей на материнской плате есть микросхема энергонезависимой памяти, которая называется CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не исчезает при отключении компьютера, а от постоянной памяти она отличается тем, что данные можно заносить туда и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.

Микросхема памяти CMOS постоянно питается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. В этой памяти сохраняются данные про гибкие и жесткие диски, процессоры и т.д. Тот факт, что компьютер четко отслеживает дату и время, также связанн с тем, что эта информация постоянно хранится (и обновляется) в памяти CMOS. Таким образом, программы BIOS считывают данные о составе компьютерной системы из микросхемы CMOS, после чего они могут осуществлять обращение к жесткому диску и другим устройствам.

Контрольные вопросы

Что такое материнская плата? Какие компоненты персонального компьютера на ней находятся?

В чем состоит выполнение программ центральным процессором?

Какие основные параметры процессора? Что характеризует тактовая частота и в каких единицах она измеряется?

Что такое кэш-память? Уровни кэш-памяти?

Для чего предназначенны шины? Какие есть типы шин?

Какие шинные интерфейсы материнской платы вы знаете?

Чем отличается оперативная память от постоянной памяти?

Что такое RISC-процессоры? В чем состоит их отличие от CISC-процессоров?

В какой памяти сохраняются программы BIOS?

Какая информация сохраняется в энергонезависимой памяти?

Какие вы знаете типы оперативной памяти? Какая между ними разница?

Материнская плата – основа любого компьютера, именно благодаря ей возможна совместная работа всех устройств, образующих обычный ПК. Мы расскажем о том, из чего состоит и как работает этот самый главный компонент системы.

Материнская, или системная плата – фундамент, на котором построен любой современный компьютер. Неважно, настольная это система, ноутбук, планшетный и даже карманный компьютер – у каждого есть материнская плата. Именно она обеспечивает взаимодействие таких различных по своему устройству и функциям компонентов, как процессор, ОЗУ, платы расширения и накопители.

Системная плата – самая крупная в составе компьютера. Она скрыта в его корпусе, а ее замена – сложная операция, предусматривающая полный демонтаж ПК.

Функции материнской платы

Переоценить роль системной платы в работе компьютера невозможно, несмотря на то, что количество ее функций на первый взгляд невелико. Но только благодаря материнке к ПК можно подключать периферийные устройства.

Принято считать, что за различные интерфейсы компьютера отвечает одна из микросхем чипсета – так называемый южный мост. Однако сегодня большинство материнских плат оснащены дополнительными контроллерами интерфейсов, которые чипсетом не поддерживаются. В основном это касается новых высокоскоростных портов USB 3.0. Конструкция материнской платы позволяет пользователям без проблем расширять возможности своего компьютера, подключая дополнительные компоненты. Такая архитектура, названная открытой, наряду с другими усовершенст­вованиями обеспечила в свое время взрывной рост популярности персональных ПК. О том, как устроена системная плата современного компьютера, читайте далее.

Материнская плата и ее компоненты, см. схему.

Плата-бутерброд

Наиболее распространенный тип материнских плат – для настольных ПК, однако в большинстве случаев сказанное о них справедливо и для плат серверов, ноутбуков и прочих компьютеров.

На материнской плате смонтировано огромное количество радиодеталей, разъемов и других компонентов, связанных сложнейшей сетью тонких медных проводников-дорожек. Их настолько много, что в конструкции платы они расположены в несколько слоев. Сегодня материнки содержат до шести слоев медных соединений, и по сложности технологического процесса производство системных плат отстает лишь от изготовления современных видеоадаптеров – в тех может быть использовано до десяти слоев. Необходимость в большом количестве слоев связана также и с тем, что это позволяет при сохранении стандартных размеров платы развести по ней электрические цепи так, чтобы уровень создаваемых ими взаимных помех был минимальным. По внутренним медным слоям обычно разводят цепи питания и заземления, а по прочим, включая верхний и нижний, – электриче­ские сигнальные цепи. Если бы системная плата не напоминала своей конструкцией бутерброд, она заняла бы в несколько раз большую площадь и, естественно, не влезла даже под компьютерный стол, не говоря уж о компакт­ном корпусе современных ПК.

Интеграция – актуальный тренд

Одна из характерных черт эволюции современных компьютеров – интеграция. В новых материнских платах объединены функции самых разных устройств, которые раньше устанавливались в ПК дополнительно.

Еще совсем недавно набор системной логики Intel включал минимум две микросхемы, теперь же большинство функций северного моста переместилось в чип центрального процессора. Остальные функции собраны в единственной микросхеме, которая называется Platform Controller Hub (PCH). В результате сам термин чипсет (от англ. chipset – набор микросхем) потерял актуальность, поскольку микросхема осталась одна.

Центральные процессоры также постепенно вбирают в себя дополнительные функции: после контроллера оперативной памяти в ЦП переместилась и графическая карта.

Устройство и назначение материнской платы

Материнская или системная плата – это многослойная печатная плата, являющаяся основой ЭВМ, определяющая ее архитектуру, производительность и осуществляющая связь между всеми подключенными к ней элементами и координацию их работы.

1. Введение.

Материнская плата – это один из важнейших элементов ЭВМ, определяющий ее облик и обеспечивающий взаимодействие всех подключаемых к материнской плате устройств.

На материнской плате размещаются все основные элементы ЭВМ, такие как:

Набор системной логики или чипсет – основной компонент материнской платы, определяющий какой тип процессора, тип ОЗУ, тип системной шины можно использовать;

Слот для установки процессора. Определяет, какой именно тип процессоров можно подсоединить к материнской плате. В процессорах могут использоваться различные интерфейсы системной шины (например, FSB, DMI, QPI и т.д.), какие то процессоры могут иметь встроенную графическую систему или контроллер памяти, может отличаться количество "ножек" и так далее. Соответственно для каждого типа процессора необходимо использовать свой слот для установки. Зачастую производители процессоров и материнских плат злоупотребляют этим, гонясь за дополнительной выгодой, и создают новые процессоры не совместимые с существующими типами слотов, даже если этого можно было избежать. В результате приходится при обновлении компьютера менять не только процессор, но и материнскую плату со всеми вытекающими из этого последствиями.

- центральный процессор – основное устройство ЭВМ, выполняющее математические, логические операции и операции управления всеми остальными элементами ЭВМ;

Контроллер ОЗУ (оперативно запоминающее устройство). Раньше контроллер ОЗУ встраивали в чипсет, но сейчас большинство процессоров имеют встроенный контроллер ОЗУ, что позволяет увеличить общую производительность и разгрузить чипсет.

ОЗУ – набор микросхем для временного хранения данных. В современных материнских платах имеется возможность подключения одновременно нескольких микросхем ОЗУ, обычно четырех или более.

ППЗУ (БИОС), содержащие программное обеспечение, осуществляющее тестирование основных компонентов ЭВМ и настройку материнской платы. И память CMOS хранящая настройки работы BIOS. Часто устанавливают несколько микросхем памяти CMOS для возможности быстрого восстановления работоспособности ЭВМ в экстренном случае, например, неудачной попытки разгона;

Аккумулятор или батарейка, питающая память CMOS;

Контроллеры каналов ввода-вывода: USB, COM, LPT, ATA, SATA, SCSI, FireWire, Ethernet и др. Какие именно каналы ввода-вывода будут поддерживаться, определяется типом используемой материнской платы. В случае необходимости, дополнительные контроллеры ввода-вывода можно устанавливать в виде плат расширения;

Кварцевый генератор, вырабатывающий сигналы, по которым синхронизируется работа всех элементов ЭВМ;

Таймеры;

Контроллер прерываний. Сигналы прерываний от различных устройств поступают не напрямую в процессор, а в контроллер прерываний, который устанавливает сигнал прерывания с соответствующим приоритетом в активное состояние;

Разъемы для установки плат расширения: видеокарт, звуковой карты и т.д.;

Регуляторы напряжения, преобразующие исходное напряжение в требуемое для питания компонентов установленных на материнской плате;

Средства мониторинга, измеряющие скорость вращения вентиляторов, температуру основных элементов ЭВМ, питающее напряжение и т.д.;

Звуковая карта. Практически все материнские платы содержат встроенные звуковые карты, позволяющие получить приличное качество звука. При необходимости можно установить дополнительную дискретную звуковую карту, обеспечивающую лучшее звучание, но в большинстве случаев это не требуется;

Встроенный динамик. Главным образом используется для диагностики работоспособности системы. Так по длительности и последовательности звуковых сигналов при включении ЭВМ можно определить большинство неисправностей аппаратуры;

Шины – проводники для обмена сигналами между компонентами ЭВМ.

2. Печатная плата.

Основу материнской платы составляет печатная плата. На печатной плате располагаются сигнальные линии, часто называемые сигнальными дорожками, соединяющими между собой все элементы материнской платы. Если сигнальные дорожки расположены слишком близко друг к другу, то передаваемые по ним сигналы будут создавать помехи друг для друга. Чем длиннее дорожка и выше скорость передачи данных по ней, тем больше она создает помех для соседних дорожек и тем больше она уязвима для таких помех.

В результате, могут возникать сбои в работе даже сверхнадежных и дорогих компонентов ЭВМ. Поэтому основная задача при производстве печатной платы так разместить сигнальные дорожки, чтобы минимизировать действие помех на передаваемые сигналы. Для этого печатную плату делают многослойной, многократно увеличивая полезную площадь печатной платы и расстояние между дорожками.

Обычно современные материнские платы имеют шесть слоев: три сигнальных слоя, слой заземления и две пластины питания.

Однако количество слоев питания и сигнальных слоев может варьироваться, в зависимости от особенностей материнских плат.

Разметка и длина дорожек крайне важна для нормальной работы всех компонентов ЭВМ, поэтому при выборе материнской платы надо особое внимание уделять качеству печатной платы и разводке дорожек. Особенно это важно, если вы собираетесь использовать компоненты ЭВМ с нестандартными настройками и параметрами работы. Например, разгонять процессор или память.

На печатной плате располагаются все компоненты материнской платы и разъемы для подключения плат расширения и периферийных устройств. Ниже на рисунке изображена структурная схема расположения компонентов на печатной плате.

Рассмотрим более подробно все компоненты материнской платы и начнем с главного компонента – чипсета.

3. Чипсет.

Чипсет или набор системной логики – это основной набор микросхем материнской платы, обеспечивающий совместное функционирование центрального процессора, ОЗУ, видеокарты, контроллеров периферийных устройств и других компонентов, подключаемых к материнской плате. Именно он определяет основные параметры материнской платы: тип поддерживаемого процессора, объем, канальность и тип ОЗУ, частоту и тип системной шины и шины памяти, наборы контроллеров периферийных устройств и так далее.

Как правило, современные наборы системной логики строятся на базе двух компонентов, представляющих собой отдельные чипсеты, связанные друг с другом высокоскоростной шиной.

Однако последнее время появилась тенденция объединения северного и южного моста в единый компонент, так как контроллер памяти все чаще встраивают непосредственно в процессор, тем самым разгружая северный мост, и появляются все более быстрые и быстрые каналы связи с периферийными устройствами и платами расширения. А также развивается технология производства интегральных схем, позволяющая делать их более миниатюрными, дешевыми и потребляющими меньше энергии.

Объединение северного и южного моста в один чипсет позволяет поднять производительность системы, за счет уменьшения времени взаимодействия с периферийными устройствами и внутренними компонентами, ранее подключаемыми к южному мосту, но значительно усложняет конструкцию чипсета, делает его более сложным для модернизации и несколько увеличивает стоимость материнской платы.

Но пока что большинство материнских плат делают на основе чипсета разделенного на два компонента. Называются эти компоненты Северный и Южный мост.

Названия Северный и Южный - исторические. Они означают расположение компонентов чипсета относительно шины PCI: Северный находится выше, а Южный - ниже. Почему мост? Это название дали чипсетам по выполняемым ими функциям: они служат для связи различных шин и интерфейсов.

Причины разделения чипсета на две части следующие:

1.Различия скоростных режимов работы.

Северный мост работает с самыми быстрыми и требующими большой пропускной способности шины компонентами. К числу таких компонентов относится видеокарта и память. Однако сегодня большинство процессоров имеют встроенный контроллер памяти, а многие и встроенную графическую систему, хотя и сильно уступающую дискретным видеокартам, но все же часто применяемую в бюджетных персональных компьютерах, ноутбуках и нетбуках. Поэтому, с каждым годом нагрузки на северный мост снижаются, что уменьшает необходимость разделения чипсета на две части.

2. Более частое обновление стандартов периферии, чем основных частей ЭВМ.

Стандарты шин связи с памятью, видеокартой и процессором изменяются гораздо реже, чем стандарты связи с платами расширения и периферийными устройствами. Что позволяет, в случае изменения интерфейса связи с периферийными устройствами или разработки нового канала связи, не изменять весь чипсет, а заменить только южный мост. К тому же северный мост работает с более быстрыми устройствами и устроен сложнее, чем южный мост, так как от его работы во многом зависит общая производительность системы. Поэтому его изменение - дорогая и сложная работа. Но, несмотря на это, наблюдается тенденция объединения северного и южного моста в одну интегральную схему.

3.1. Основные функции Северного моста.

Северный мост, как следует из его названия, выполняет функции контроля и направления потока данных из 4-х шин:

  1. Шины связи с процессором или системной шины.
  2. Шины связи с памятью.
  3. Шины связи с графическим адаптером.
  4. Шины связи с южным мостом.

В соответствии с выполняемыми функциями и устроен северный мост. Он состоит из интерфейса системной шины, интерфейса шины связи с южным мостом, контроллера памяти, интерфейса шины связи с графической картой.

На данный момент большинство процессоров имеют встроенный контроллер памяти, так что функцию контроллера памяти можно считать для северного моста устаревшей. И учитывая, что существует множество типов оперативной памяти, для описания памяти и технологии ее взаимодействия с процессором, выделим отдельную статью.

В бюджетных ЭВМ иногда в северный мост встраивают графическую систему. Однако на данный момент более распространенную практику имеет установка графической системы непосредственно в процессор, так что эту функцию северного моста тоже будем считать устаревшей.

Таким образом, основная задача чипсета - грамотно и быстро распределять все запросы от процессора, видеокарты и южного моста, расставлять приоритеты и создавать, если это необходимо, очередность. Причем он должен быть настолько сбалансирован, чтобы как можно сильнее сократить простои при попытке доступа компонентов ЭВМ к тем или иным ресурсам.

Рассмотрим более подробно существующие интерфейсы связи с процессором, графическим адаптером и южным мостом.

3.1.1. Интерфейсы связи с процессором.

На данный момент существуют следующие интерфейсы связи процессора с северным мостом: FSB, DMI, HyperTransport, QPI.

FSB (Front Site Bus) - системная шина, используемая для связи центрального процессора с северным мостом в 1990-х и 2000-х годах. FSB разработана компанией Intel и впервые использовалась в компьютерах на базе процессоров Pentium.

Частота работы шины FSB является одним из важнейших параметров работы ЭВМ и во многом определяет производительность всей системы. Обычно она - в несколько раз меньше частоты работы процессора.

Частоты, на которых работают центральный процессор и системная шина, имеют общую опорную частоту и в упрощенном виде рассчитываются, как Vп = Vo*k, где Vп – частота работы процессора, Vo-опорная частота, k – множитель. Обычно в современных системах опорная частота равняется частоте шины FSB.

Большинство материнских плат позволяют вручную увеличивать частоту системной шины или множитель, изменяя настройки в BIOS. В старых материнских платах подобные настройки изменялись с помощью перестановки перемычек. Увеличение частоты системной шины или множителя увеличивает производительность ЭВМ. Однако в большинстве современных процессоров средней ценовой категории множитель заблокирован, и единственный способ поднять производительность вычислительной системы – это увеличить частоту системной шины.

Частота системной шины FSB постепенно возрастала с 50 МГц, для процессоров класса Intel Pentium и AMD K5 в начале 1990-х годов, до 400 МГц, для процессоров класса Xeon и Core 2 в конце 2000-х. При этом пропусканная способность возрастала с 400 Мбит/с до 12800 Мбит/с.

Шина FSB использовалась в процессорах типа Атом, Celeron, Pentium, Core 2, и Xeon вплоть до 2008 года. На данный момент эта шина вытеснена системными шинами DMI, QPI и Hyper Transport.

HyperTransport – универсальная высокоскоростная шина типа точка-точка с низкой латентностью, используемая для связи процессора с северным мостом. Шина HyperTransport - двунаправленная, то есть для обмена в каждую сторону выделена своя линия связи. К тому же она работает по технологии DDR (Double Data Rate), передавая данные, как по фронту, так и по спаду тактового импульса.

Технология разработана консорциумом HyperTransport Technology во главе с компанией AMD. Стоит отметить, что стандарт HyperTransport - открытый, что позволяет использовать его в своих устройствах различным компаниям.

Первая версия HyperTransport была представлена в 2001 году, и позволяла производить обмен со скоростью 800 МТр/с (800 Мега Транзакций в секунду или 838860800 обменов в секунду) с максимальной пропускной способностью - 12.8 ГБайт/с. Но уже в 2004 году была выпущена новая модификация шины HyperTransport (v.2.0), обеспечивающая 1.4 ГТр/с с максимальной пропускной способностью - 22.4 ГБайт/с, что почти в 14 раз превышало возможности шины FSB.

18 августа 2008 года была выпущена модификация 3.1, работающая со скоростью 3.2 ГТр/с, с пропускной способностью - 51.6 Гбайт/с. На данный момент это - самая быстрая версия шины HyperTransport.

Технология HyperTransport - очень гибкая, и позволяет варьировать, как частоты шины, так и ее разрядность. Это позволяет использовать ее не только для связи процессора с северным мостом и ОЗУ, но и в медленных устройствах. При этом возможность уменьшения разрядности и частоты ведет к экономии энергии.

Минимальная тактовая частота шины – 200 МГц, при этом данных будут передоваться со скоростью - 400 МТр/с, из-за технологии DDR, а минимальная разрядность - 2 бита. При минимальных параметрах максимальная пропускная способность составит 100 Мбайт/с. Все следующие поддерживаемые частоты и разрядности - кратны минимальной тактовой частоте и разрядности вплоть до скорости - 3.2 ГТр/с, и разрядности - 32 бита, для ревизии HyperTransport v 3.1.

DMI (Direct Media Interface) – последовательная шина типа точка-точка, используемая для связи процессора с чипсетом и для связи южного моста чипсета с северным. Разработана компанией Intel в 2004 году.

Для связи процессора с чипсетом обычно используется 4 канала DMI, обеспечивающих максимальную пропускную способность до 10 Гбайт/с, для ревизии DMI 1.0, и 20 Гбайт/с, для ревизии DMI 2.0, представленной в 2011 году. В бюджетных мобильных системах может использоваться шина с двумя каналами DMI, что в два раза снижает пропускную способность по сравнению с 4-х канальным вариантом.

Часто в процессоры, использующие связь с чипсетом по шине DMI, встраивают, наряду с контроллером памяти, контроллер шины PCI Express, обеспечивающий взаимодействие с видеокартой. В этом случае надобность в северном мосте отпадает, и чипсет выполняет только функции взаимодействия с платами расширения и периферийными устройствами. При такой архитектуре материнской платы не требуется высокоскоростного канала для взаимодействия с процессором, и пропускной способности шины DMI хватает с избытком.

QPI (QuickPath Interconnect) – последовательная шина типа точка-точка, используемая для связи процессоров между собой и с чипсетом. Представлена компанией Intel в 2008 году и используется в HiEnd процессорах типа Xeon, Itanium и Core i7.

Шина QPI - двунаправленная, то есть для обмена в каждую сторону предусмотрен свой канал, каждый из которых состоит из 20 линий связи. Следовательно, каждый канал – 20-разрядный, из которых на полезную нагрузку приходится только 16 разрядов. Работает шина QPI со скоростью - 4.8 и 6.4 ГТр/с, при этом максимальная пропускная способность составляет 19,2 и 25,6 ГБайт/с соответственно.

Мы с вами кратко рассмотрели основные интерфейсы связи процессора с чипсетом. Далее рассмотрим интерфейсы связи Северного моста с графическим адаптером.

3.1.2. Интерфейсы связи с графическим адаптером.

Вначале для связи с графическим процессором использовали общую шину ICA, VLB, а затем PCI, но очень быстро пропускной способности этих шин перестало хватать для работы с графикой, тем более после распространения трехмерной графики, требующей огромных мощностей для расчета и высокой пропускной способности шины для передачи текстур и параметров изображения.

На замену общим шинам пришла специализированная шина AGP, оптимизированная для работы с графическим контроллером.

AGP (Accelerated Graphics Port) – специализированная 32-разрядная шина для работы с графическим адаптером, разработанная в 1997 году компанией Intel.

Шина AGP работала на тактовой частоте - 66 МГц, и поддерживала два режима работы: с памятью DMA (Direct Memory Access) и памятью DME (Direct in Memory Execute).

В режиме DMA основной памятью считалась память, встроенная в видеоадаптер, а в режиме DME – память видеокарты, которые вместе с основной памятью находились в едином адресном пространстве, и видеоадаптер мог обращаться, как к встроенной памяти, так и к основной памяти компьютера.

Наличие режима DME позволяло уменьшить объем встраиваемой в видеоадаптер памяти и тем самым уменьшить его стоимость. Режим работы с памятью DME получил название AGP-текстурирование.

Однако очень скоро пропускной способности шины AGP перестало хватать для работы в режиме DME, и производители стали увеличивать объемы встраиваемой памяти. Вскоре и увеличение встраиваемой памяти перестало помогать и пропускной способности шины AGP стало категорически нехватать.

Первая версия шины AGP – AGP 1x, работала на тактовой частоте – 66 МГц, и имела максимальную скорость передачи данных – 266 Мбайт/с, что было недостаточно для полноценной работы в режиме DME и не превышало скорость предшественницы – шины PCI (PCI 2.1 – 266 Мбайт/с). Поэтому практически сразу же шина была доработана и введен режим передачи данных по фронту и спаду тактового импульса, что при той же тактовой частоте в 66 МГц позволило получить пропускную способность в 533 Мбайт/с. Этот режим назывался AGP 2x.

Первая представленная на рынке ревизия AGP 1.0 поддерживала режимы работы AGP 1x и AGP 2x.

В 1998 году была представлена новая ревизия шины – AGP 2.0, поддерживающая режим работы AGP 4x, в котором за один такт передавалось уже 4 блока данных, в результате, пропускная способность достигла 1 ГБайт/с.

При этом опорная тактовая частота шины не изменилась и осталась равной 66 МГц, а для возможности передачи четырех блоков данных за один такт был введен дополнительный сигнал, запускающийся синхронно с опорной тактовой частотой, но с частотой – 133 МГц. Данные передавались по фронту и спаду тактового импульса дополнительного сигнала.

При этом питающее напряжение было снижено с 3.3 В до 1.5 В, в результате, видеокарты, выпущенные только для ревизии AGP 1.0, были несовместимы с видеокартами AGP 2.0 и следующих ревизий шины AGP.

В 2002 году вышла ревизия 3.0 шины AGP. Опорная частота шины по прежнему осталась неизменной, однако дополнительный тактовый импульс, запускающийся синхронно с опорной частотой, составлял уже 266 МГц. При этом за 1 такт опорной частоты передавалось уже 8 блоков, а максимальная скорость составила 2.1 Гбайт/с.

Но, несмотря на все улучшения шины AGP, видеоадаптеры развивались быстрее и требовали более производительной шины. Так на смену шине AGP пришла шина PCI express.

PCI express – последовательная двунаправленная шина типа точка-точка, разработанная в 2002 некоммерческой группой PCI-SIG, в состав которой входили такие кампании, как Intel, Microsoft, IBM, AMD, Sun Microsystems и другие.

Основная задача, стоящая перед шиной PCI express, – это замена графической шины AGP и параллельной универсальной шины PCI.

Ревизия шины PCI express 1.0 работает на тактовой частоте 2.5 ГГц, при этом пропускная суммарная способность одного канала составляет 400 Мбайт/с, так как на каждые переданные 8 бит данных приходится 2 служебных бита и шина двунаправленная, то есть обмен в обе стороны идет одновременно. В шине обычно используется несколько каналов: 1, 2, 4, 8, 16 или 32, в зависимости от требуемой пропускной способности. Таким образом, шины на базе PCI express в общем случае представляют собой набор самостоятельных последовательных каналов передачи данных.

Так при использовании шины PCI express для связи с видеокартами обычно используется 16-ти канальная шина, а для связи с платами расширения – одноканальная шина.

Теоретическая максимальная суммарная пропускная способность 32-х канальной шины составляет 12.8 Гбайт/с. При этом, в отличие от шины PCI, делившей пропускную способность между всеми подключенными устройствами, шина PCI express построена по принципу топологии типа «звезда» и каждому подключаемому устройству в единоличное владение отдается вся пропускная способность шины.

В ревизии PCI express 2.0, представленной 15 января 2007 года, пропускная способность шины была увеличена в 2 раза. Для одного канала шины суммарная пропускная способность составила 800 Мбайт/с, а для 32-х канальной шины – 25.6 Гбайт/с.

В ревизии PCI express 3.0, представленной в ноябре 2010 года, пропускную способность шины еще в 2 раза увеличили, причем максимальное количество транзакций увеличилось с 5 до 8 млрд, а максимальная пропускная способность увеличилась в 2 раза, благодаря изменению принципа кодирования информации, при котором на каждые 129 бит данных приходится всего 2 служебных бита, что в 13 раз меньше, чем в ревизиях 1.0 и 2.0. Таким образом, для одного канала шины суммарная пропускная способность стала 1.6 Гбайт/с, а для 32-х канальной шины – 51.2 Гбайт/с.

Однако PCI express 3.0 только выходит на рынок и первые материнские платы с поддержкой этой шины начали появляться в конце 2011 года, а массовый выпуск устройств с поддержкой шины PCI express 3.0 запланирован на 2012 год.

Стоит отметить, что на данный момент пропускной способности PCI express 2.0 вполне хватает для нормального функционирования видеоадаптеров и переход на PCI express 3.0 не даст существенного прироста производительности в связке процессор – видеокарта. Но, как говорится, поживем – увидим.

В ближайшем будущем планируется выпуск ревизии PCI express 4.0, в котором скорость будет увеличена еще в 2 раза.

В последнее время наметилась тенденция встраивания интерфейса PCI express непосредственно в процессор. Обычно в таких процессорах также встроен контроллер памяти. В результате, надобность в северном мосте отпадает, и чепсет строят на основе одной интегральной схемы, основная задача которой – обеспечение взаимодействия с платами расширения и периферийными устройствами.

На этом закончим обзор интерфейсов связи северного моста с видео адаптером и перейдем к обзору интерфейсов связи северного моста с южным.

3.1.3. Интерфейсы связи с южным мостом.

Довольно долгое время для связи северного моста с южным использовалась шина PCI.

PCI (Peripheral component interconnect) – шина для подключения плат расширения к материнской плате, разработанная в 1992 году компанией Intel. Также долгое время использовалась для связи северного моста с южным. Однако по мере повышения производительности плат расширения ее пропускной способности стало не хватать. Она была вытеснена более производительными шинами вначале из задач связи северного и южного моста, а в последние годы и для связи с платами расширения стали использовать более быструю шину – PCI express.

Основные технические характеристики шины PCI, следующие:

Ревизия 1.0 2.0 2.1 2.2 2.3
Дата релиза 1992 г. 1993 г. 1995 г. 1998 г. 2002 г.
Разрядность 32 32 32/64 32/64 32/64
Частота 33 МГц 33 МГц 33/66 МГц 33/66 МГц 33/66 МГц
Пропускная способность 132 МБайт/с 132 МБайт/с 132/264/528 МБайт/с 132/264/528 МБайт/с 132/264/528 МБайт/с
Сигнальное напряжение 5 В 5 В 5/3.3 В 5/3.3 В 5/3.3 В
Горячая замена нет нет нет есть есть

Существуют и другие ревизии шин PCI, например, для использования в ноутбуках и других портативных устройствах, или переходные варианты между основными ревизиями, но так как на данный момент интерфейс PCI практически вытеснен более скоростными шинами, то не буду подробно описывать характеристики всех ревизий.

При использовании шины для связи северного и южного моста структурная схема материнской платы будет выглядеть следующим образом:

Как видно из рисунка, северный и южный мост подключались к шине PCI наравне с платами расширения. Припускная способность шины делилась между всеми подключенными к ней устройствами, а, следовательно, заявленная пиковая пропускная способность уменьшалась не только передаваемой служебной информацией, но и конкурирующими устройствами, подключенными к шине. В результате, со временем пропускной способности шины стало нахватать, и для связи между северным и южным мостом стали использовать такие шины, как: hub link, DMI, HyperTransport, а шина PCI еще ненадолго осталась в качестве связи с платами расширения.

Первой на замену PCI пришла шина hub link.

Шина hublink – 8-битная шина типа точка-точка, разработанная компанией Intel. Шина работает на частоте – 66 МГц, и передает 4 байта за такт, что позволяет получить максимальную пропускную способность – 266 Мбайт/сек.

Ввод шины hublink изменил архитектуру материнской платы и разгрузил шину PCI. Шина PCI стала использоваться только для связи с периферийными устройствами и платами расширения, а шина hublink использовалась только для связи с северным мостом.

Пропускная способность шины hublink была сравнима с пропускной способностью шины PCI, но из-за того, что ей не приходилось делить канал с другими устройствами, а шина PCI разгружалась, то пропускной способности было вполне достаточно. Но вычислительная техника не стоит на месте, и шина hublink на данный момент практически не используется, из-за недостаточного быстродействия. Она была вытеснена такими шинами, как DMI и HyperTransport.

Краткое описание шины DMI и HyperTransport приводилось в разделе , поэтому повторяться не буду.

Были и другие интерфейсы для связи северного моста с южным, но большинство из них уже безнадежно устарели или редко используются, поэтому мы не будем на них заострять внимание. На этом закончим обзор основных функций и устройства северного моста и перейдем к южному мосту.

3.2. Основные функции Южного моста.

Южный мост отвечает за организацию взаимодействия с медленными компонентами ЭВМ: платами расширения, периферийными устройствами, устройствами ввода-вывода, каналами межмашинного обмена и так далее.

То есть, Южный мост ретранслирует данные и запросы от подключенных к нему устройств в северный мост, который передает их в процессор или ОЗУ, и принимает от северного моста команды процессора и данные из ОЗУ, и ретранслирует их в подключенные к нему устройства.

В состав южного моста входят:

Контроллер шины связи с северным мостом (PCI, hublink, DMI, HyperTransport и т.д.);

Контроллер шины связи с платами расширения (PCI, PCIe и т.д.);

Контроллер линий связи с периферийными устройствами и другими ЭВМ (USB, FireWire, Ethernet и т.д.);

Контроллер шины связи с жесткими дисками (ATA, SATA, SCSI и т.д.);

Контроллер шины связи с медленными устройствами (шины ISA, LPC, SPI и т.д.).

Рассмотрим более подробно интерфейсы связи, используемые южным мостом, и встроенные в него контроллеры периферийных устройств.

Интерфейсы связи северного моста с южным мы уже рассматривали. Поэтому сразу перейдем к интерфейсам связи с платами расширения.

3.2.1. Интерфейсы связи с платами расширения.

На данный момент основными интерфейсами для обмена с платами расширения являются PCI и PCIexpress. Однако интерфейс PCI активно вытесняется, и в ближайшие несколько лет практически уйдет историю, и будет использоваться только в некоторых специализированных ЭВМ.

Описание и краткие характеристики интерфейсов PCI и PCIexpress я уже приводил в этой статье, так что повторяться не буду. Перейдем сразу к рассмотрению интерфейсов связи с периферийными устройствами, устройствами ввода-вывода и другими ЭВМ.

3.2.2. Интерфейсы связи с периферийными устройствами, устройствами ввода - вывода и другими ЭВМ.

Существует большое разнообразие интерфейсов для связи с периферийными устройствами и другими ЭВМ, наиболее распространенные из них встраиваются в материнскую плату, но также можно добавлять любой из интерфейсов с помощью плат расширения, подключаемых к материнской плате через шину PCI или PCIexpress.

Приведу краткое описание и характеристики наиболее популярных интерфейсов.

USB (Universal Serial Bus) – универсальный последовательный канал передачи данных для подключения к ЭВМ среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.

Шина строго ориентирована и состоит из контроллера канала и подключаемых к нему нескольких оконечных устройств. Обычно контроллеры канала USB встроены в южный мост материнской платы. В современных материнских платах могут размещаться до 12 контроллеров канала USB с двумя портами каждый.

Соединение между собой двух контроллеров канала или двух оконечных устройств невозможно, поэтому напрямую соединить два компьютера или два периферийных устройства между собой по USB-каналу нельзя.

Однако для связи двух контроллеров канала между собой можно использовать дополнительные устройства. Например, эмулятор Ethernet адаптера. Два компьютера подключаются к нему по USB каналу, и оба видят оконечное устройство. Ethernet адаптер ретранслирует данные, получаемые от одного компьютера к другому, эмулируя сетевой протокол Ethernet. Однако при этом необходимо устанавливать специфические драйвера эмулятора Ethernet адаптера на каждый подключаемый компьютер.

Интерфейс USB имеет встроенные линии питания, благодаря чему позволяет использовать устройства без собственного источника питания или одновременно с обменом данными подзаряжать аккумуляторы оконечных устройств, например телефонов.

Однако, если между контроллером канала и оконечным устройством используется размножитель (USB-hub), то он должен обладать дополнительным внешним питанием, чтобы обеспечить все подключаемые к нему устройства питанием, требуемым по стандарту интерфейса USB. Если использовать USB-hub без дополнительного источника питания, то, при подключении нескольких устройств без собственных источников питания, они, скорее всего, работать не будут.

USB поддерживает «горячее» подключение оконечных устройств. Это возможно, из-за более длинного заземляющего контакта, чем сигнальные контакты. Поэтому, при подключении оконечного устройства, вначале замыкаются контакты заземления, и разность потенциала компьютера и оконечного устройства выравнивается. Следовательно, дальнейшее соединение сигнальных проводников не приводит к скачку напряжения.

На данный момент существует три основные ревизии интерфейса USB (1.0, 2.0 и 3.0). Причем они совместимы снизу-вверх, то есть устройства, предназначенные для ревизии 1.0, будут работать с интерфейсом ревизии 2.0, соответственно, устройства, предназначенные для USB 2.0, будут работать с USB 3.0, однако устройства для USB 3.0, скорее всего не будут работать с интерфейсом USB 2.0.

Рассмотрим основные характеристики интерфейса, в зависимости от ревизии.

USB 1.0 – первая версия интерфейса USB, выпущенная в ноябре 1995 года. В 1998 году ревизия была доработана, устранены ошибки и недочеты. Полученная ревизия USB 1.1 первой получила массовое распространение.

Технические характеристики ревизий 1.0 и 1.1 следующие:

Скорость передачи данных – до 12 Мбит/с (режим Full-Speed) или 1,5 Мбит/с (режим Low-Speed);

Максимальная длина кабеля – 5 метров, для режима Low-Speed, и 3 метра, для режима Full-Speed;

USB 2.0 – ревизия, вышедшая в апреле 2000 года. Основное отличие от предыдущей версии – повышение максимальной скорости передачи данных до 480 Мбит/с. На практике, из-за больших задержек между запросом на передачу данных и началом передачи, скорости в 480 Мбит/с достичь не удается.

Технические характеристики ревизии 2.0 следующие:

Скорость передачи данных – до 480 Мбит/с (Hi-speed), до 12 Мбит/с (режим Full-Speed) или до 1,5 Мбит/с (режим Low-Speed);

Синхронная передача данных (по запросу);

Полудуплексный обмен (одновременно передача возможна только в одном направлении);

Максимальная длина кабеля – 5 метров;

Максимальное количество подключённых устройств к одному контроллеру (включая размножители) – 127;

Возможно подключение устройств, работающих в режимах с различной пропускной способностью, к одному контроллеру USB;

Напряжение питания для периферийных устройств – 5 В;

Максимальная сила тока – 500 мА;

Кабель состоит из четырех линий связи (две линии – для приема и передачи данных, и две линии – для питания периферийных устройств) и заземляющей оплетки.

USB 3.0 – ревизия, вышедшая в ноябре 2008 года. В новой ревизии на порядок была увеличена скорость, до 4800 Мбит/с, и почти в два раза – сила тока, до 900 мА. При этом сильно изменился внешний вид разъемов и кабелей, но совместимость снизу-вверх осталась. Т.е. устройства, работающие с USB 2.0, смогут подключаться к разъему 3.0, и будут работать.

Технические характеристики ревизии 3.0 следующие:

Скорость передачи данных – до 4800 Мбит/с (режим SuperSpeed), до 480 Мбит/с (режим Hi-speed), до 12 Мбит/с (режим Full-Speed) или до 1,5 Мбит/с (режим Low-Speed);

Двухшинная архитектура (шина Low-Speed/Full-Speed/High-Speed и отдельно шина SuperSpeed);

Асинхронная передача данных;

Дуплексный обмен в режиме SuperSpeed (одновременно возможна передача и прием данных) и симплексный в остальных режимах.

Максимальная длина кабеля – 3 метра;

Максимальное количество подключённых устройств к одному контроллеру (включая размножители) – 127;

Напряжение питания для периферийных устройств – 5 В;

Максимальная сила тока – 900 мА;

Улучшенная система управления питанием, позволяющая экономить энергию при бездействии оконечных устройств;

Кабель состоит из восьми линий связи. Четыре линии связи такие же, как и в USB 2.0. Дополнительные две линии связи – для приема данных, и две – для передачи в режиме SuperSpeed, и две –заземляющие оплетки: одна – для кабелей передачи данных в режиме Low-Speed/Full-Speed/High-Speed, и одна – для кабелей, используемых в режиме SuperSpeed.

IEEE 1394 (Institute of Electrical and Electronic Engineers) – стандарт последовательной высокоскоростной шины, принятый в 1995 году. Различные компании называют шины, разработанные по этому стандарту, по-разному. У Apple – FireWire, у Sony – i.LINK, у Yamaha – mLAN, у Texas Instruments – Lynx, у Creative – SB1394, и так далее. Из-за этого часто возникает путаница, но, несмотря на разные названия, это одна и та же шина, работающая по одному стандарту.

Эта шина предназначена для подключения высокоскоростных периферийных устройств, таких как внешние жесткие диски, цифровые видеокамеры, музыкальные синтезаторы и так далее.

Основные технические характеристики шины следующие:

Максимальная скорость передачи данных изменяется от 400 Мбит/с, у ревизии IEEE 1394, до 3.2 Гбит/с, у ревизии IEEE 1394b;

Максимальная длина связи между двумя устройствами изменяется от 4.5 метров, у ревизии IEEE 1394, до 100 метров, у ревизии IEEE 1394b и старше;

Максимальное количеств устройств, последовательно подключаемых к одному контроллеру, – 64, в том числе и IEEE-концентраторы. При этом все подключаемые устройства делят между собой пропускную способность шины. К каждому IEEE-концентратору можно подключить еще 16 устройств. Вместо подключения устройства можно подключить шинную перемычку, через которую можно будет подключить еще 63 устройства. Всего можно подключить до 1023 шинных перемычек, что позволит организовать сеть из 64 449 устройств. Больше устройств подключить нельзя, так как в стандарте IEEE 1394 каждое устройство имеет 16-разрядный адрес;

Возможность объединения в сеть нескольких компьютеров;

Горячее подключение и отключение устройств;

Возможность использования устройств, питающихся от шины и не имеющих собственного источника питания. При этом максимальная сила тока – до 1.5 Ампер, а напряжение – от 8 до 40 Вольт.

Ethernet – стандарт построения компьютерных сетей на базе технологии пакетной передачи данных, разработанный в 1973 году Робертом Метклафом из корпорации Xerox PARC.

Стандарт определяет виды электрических сигналов и правила проводных соединений, описывает форматы кадров и протоколы передачи данных.

Существуют десятки разных ревизий стандарта, но наиболее распространенными на сегодняшний день является группа стандартов: Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.

Fast Ethernet обеспечивает передачу данных со скоростью до 100 Мбит/с. И дальность передачи данных в одном сегменте сети без повторителей – от 100 метров (группа стандартов 100BASE-T, использующая для передачи данных витую пару) до 10 километров (группа стандартов 100BASE-FX, использующая для передачи данных одномодовое оптоволокно).

Gigabit Ethernet обеспечивает передачу данных со скоростью до 1 Гбит/с. И дальность передачи данных в одном сегменте сети без повторителей – от 100 метров (группа стандартов 1000BASE-T, использующая для передачи данных четыре витых пары) до 100 километров (группа стандартов 1000BASE-LH, использующая для передачи данных одномодовое оптоволокно).

Для передачи больших объемов информации существуют стандарты десяти, сорока и ста гигабитного Ethernet, работающего на базе оптоволоконных линий связи. Но более подробно об этих стандартах и вообще о технологии Ethernet будет описано в отдельной статье, посвященной межмашинному взаимодействию.

Wi-Fi – беспроводная линия связи, созданная в 1991 году в Нидерландской компанией NCR Corporation/AT&T. WiFi основывается на стандарте IEEE 802.11. и используется, как для связи с периферийными устройствами, так и для организации локальных сетей.

Wi-Fi позволяет соединять два компьютера или компьютер и периферийное устройство напрямую по технологии точка-точка, либо организовывать сеть с использованием точки доступа, к которой одновременно могут подключаться несколько устройств.

Максимальная скорость передачи данных зависит от используемой ревизии стандарта IEEE 802.11, но на практике будет значительно ниже заявленных параметров, из-за накладных расходов, наличия препятствий на пути распространения сигнала, расстояния между источником сигнала и приемником и других факторов. На практике средняя пропускная способность в лучшем случае будет в 2-3 раза меньше заявленной максимальной пропускной способности.

В зависимости от ревизии стандарта пропускная способность Wi-Fi следующая:

Ревизия стандарта Тактовая частота Заявленная максимальная мощность Средняя скорость передачи данных на практике Дальность связи в помещении/открытой местности
802.11a 5 ГГц 54 Мбит/с 18.4 Мбит/с 35/120 м
802.11b 2.4 ГГц 11 Мбит/с 3.2 Мбит/с 38/140 м
802.11g 2.4 ГГц 54 Мбит/с 15.2 Мбит/с 38/140 м
802.11n 2.4 или 5 ГГц 600 Мбит/с 59.2 Мбит/с 70/250 м

Существует множество других интерфейсов для связи с периферийными устройствами и организации локальных сетей. Однако они редко встраиваются в материнскую плату и обычно используются в виде плат расширения. Поэтому эти интерфейсы, наравне с описанными выше, будем рассматривать в статье посвященной межмашинному взаимодействию, а сейчас перейдем к описанию интерфейсов связи южного моста с жесткими дисками.

3.2.3. Интерфейсы шин связи южного моста с жесткими дисками.

Первоначально для связи с жесткими дисками использовался интерфейс ATA, но позже он был вытеснен более удобными и современными интерфейсами SATA и SCSI. Приведем краткий обзор этих интерфейсов.

ATA (Advanced Technology Attachment) или PATA (Parallel ATA) – параллельный интерфейс связи, разработанный в 1986 году компанией Western Digital. В то время он назывался IDE (Integrated Drive Electronics), но позже был переименован в ATA, а с появлением в 2003 году интерфейса SATA, PATA был переименован в PATA.

Использование интерфейса PATA подразумевает, что контроллер жесткого диска располагается не на материнской плате или в виде платы расширения, а встроен в сам жесткий диск. На материнской плате, а именно в южном мосте, располагается только контроллер канала PATA.

Для подключения жёстких дисков с интерфейсом PATA обычно используется 40-проводный шлейф. С введением режима PATA/66 появилась его 80-проводная версия. Максимальная длина шлейфа – 46 см. К одному шлейфу можно подключить и два устройства, при этом одно из них обязательно должно быть ведущим, а другое – ведомым.

Существует несколько ревизий интерфейса PATA, отличающиеся скоростью передачи данных, режимами работы и другими особенностями. Ниже приведены основные ревизии интерфейса PATA.

На практике пропускная способность шины гораздо ниже заявленной теоретической пропускной способности, из-за накладных расходов на организацию протокола обмена и других задержек. К тому же, если к шине подключено два жестких диска, то пропускная способность будет делиться между ними.

В 2003 году на замену интерфейса PATA пришел интерфейс SATA.

SATA (Serial ATA) – последовательный интерфейс связи южного моста с жесткими дисками, разработанный в 2003 году.

При использовании интерфейса SATA каждый накопитель подключается своим кабелем. Причем кабель значительно уже и удобнее кабеля, используемого в интерфейсе PATA, и имеет максимальную длину до 1 метра. Отдельным кабелем на жесткий диск подается питание.

И даже, несмотря на то, что общее количество кабелей увеличивается, по сравнению с интерфейсом PATA, так как каждый накопитель подключается двумя кабелями, свободного места внутри системного блока становится значительно больше. Это приводит к улучшению КПД системы охлаждения, упрощает доступ к различным элементам компьютера, да и выглядит изнутри системный блок более презентабельно.

На данный момент существует три основных ревизии интерфейса SATA. В таблице ниже приведены основные параметры ревизий.

Особняком от этих интерфейсов стоит интерфейс SCSI.

SCSI (Small Computer System Interface) – универсальная шина для подключения высокоскоростных устройств, таких как: жесткие диски, приводы DVD и Blue-Ray, сканеры, принтеры и так далее. Шина обладает высокой пропускной способностью, но сложно устроенная и дорогостоящая. Поэтому в основном применяется в серверах и промышленных вычислительных системах.

Первая ревизия интерфейса была представлена в 1986 году. На данный момент существует около 10 ревизий шины. В таблице ниже приведены основные параметры наиболее популярных ревизий.

Ревизия интерфейса Разрядность Частота передачи данных Макс. пропускная способность Длина кабеля (м) Макс. кол-во устройств Год выхода
SCSI-1 8 бит 5 МГц 40 МБит/с 6 8 1986
SCSI-2 8 бит 10 МГц 80 МБит/с 3 8 1989
SCSI-3 8 бит 20 МГц 160 МБит/с 3 8 1992
Ultra-2 SCSI 8 бит 40 МГц 320 МБит/с 12 8 1997
Ultra-3 SCSI 16 бит 80 МГц 1.25 ГБит/с 12 16 1999
Ultra-320 SCSI 16 бит 160 МГц 2.5 ГБит/с 12 16 2001
Ultra-640 SCSI 16 бит 320 МГц 5 ГБит/с 12 16 2003

Увеличение пропускной способности параллельного интерфейса сопряжено с рядом трудностей и, в первую очередь, это защита от электромагнитных помех. А каждая линия связи является источником электромагнитных помех. Чем больше линий связи будет в параллельной шине, тем больше они будут создавать помех друг для друга. Чем выше частота передачи данных, тем больше электромагнитных помех, и тем сильнее они оказывают влияние на передачу данных.

Кроме этой проблемы есть менее существенные, такие как:

  • сложность и высокая цена производства параллельной шины;
  • проблемы в синхронной передаче данных по всем линиям шины;
  • сложность устройства и высокая цена контроллеров шины;
  • сложность организации полнодуплексного устройства;
  • сложность обеспечения каждого устройства своей шиной и т.д.

В результате, проще отказаться от параллельного интерфейса в пользу последовательного с большей тактовой частотой. При необходимости можно использовать несколько последовательных линий связи, располагающихся дальше друг от друга и защищенных экранирующей оплеткой. Так поступили при переходе от параллельной шины PCI к последовательной PCI express, от PATA к SATA. По тому же пути развития пошла и шина SCSI. Так в 2004 году появился интерфейс SAS.

SAS (Serial Attached SCSI) – последовательная шина типа точка-точка, заменившая параллельную шину SCSI. Для обмена по шине SAS используется командная модель SCSI, но пропускная способность увеличена до 6 Гбит/с (ревизия SAS 2, вышедшая в 2010 году).

В 2012 году планируется выпуск ревизии SAS 3, обладающей пропускной способностью – 12 Гбит/с, однако устройства, поддерживающие эту ревизию, в массовом порядке начнут появляться не раньше 2014 года.

Также не стоит забывать, что шина SCSI была общая, позволяющая подключать до 16 устройств, и все устройства делили между собой пропускную способность шины. А шина SAS использует топологию точка-точка. А, следовательно, каждое устройство подключается своей линией связи и получает всю пропускную способность шины.

Контроллер SCSI и SAS встраивается в материнскую плату редко, так как они достаточно дорогостоящие. Обычно они подключаются, как платы расширения к шине PCI или PCI express.

3.2.4. Интерфейсы связи с медленными компонентами материнской платы.

Для связи с медленными компонентами материнских плат, например, с пользовательским ПЗУ или контроллерами низкоскоростных интерфейсов, используются специализированные шины, такие как: ISA, MCA, LPS и другие.

Шина ISA (Industry Standard Architecture) – 16-разрядная шина, разработанная в 1981 году. ISA работала на тактовой частоте 8 МГц, и обладала пропускной способностью до 8 Мбайт/с. Шина давно устарела и на практике не используется.

Альтернативой шине ISA была шина MCA (Micro Channel Architecture), разработанная в 1987 году компанией Intel. Эта шина была 32-х разрядная с частотой передачи данных – 10 МГц, и пропускной способностью – до 40 Мбит/с. Поддерживала технологию Plug and Play. Однако закрытость шины и жесткая лицензионная политика компании IBM сделали ее непопулярной. На данный момент шина на практике не используется.

Настоящей заменой для ISA стала шина LPC (Low Pin Count), разработанная компанией Intel в 1998 году и используемая по сей день. Работает шина на тактовой частоте – 33,3 МГц, что обеспечивает пропускную способность в 16,67 МБит/с.

Пропускная способность шины совсем небольшая, но для связи с медленными компонентами материнской платы вполне достаточная. С помощью этой шины к южному мосту подключается многофункциональный контроллер (Super I/O), в состав которого входят контроллеры медленных интерфейсов связи и периферийных устройств:

  • параллельного интерфейса;
  • последовательного интерфейса;
  • инфракрасного порта;
  • интерфейса PS/2;
  • накопителя на гибком магнитном диске и других устройств.

Также Шина LPC обеспечивает доступ к BIOS’у, о котором мы поговорим в следующей части нашей статьи.

4. BIOS (Basic Input-Output System).

BIOS (Basic Input-Output System - базовая система ввода-вывода) – это программа, прошитая в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В нашем случае ПЗУ встроено в материнскую плату, однако своя версия BIOS присутствует почти во всех элементах ЭВМ (в видеокарте, в сетевой карте, дисковых контроллерах и т.д.), да и вообще почти во всем электронном оборудовании (и в принтере, и в видеокамере, и в модеме, и т.д.).

BIOS материнской платы отвечает за проверку работоспособности контроллеров, встроенных в материнскую плату, и большинства устройств, подключенных к ней (процессора, памяти, видеокарты, жестких дисков и т.д.). Происходит проверка при включении питания компьютера в программе Power-On Self Test (POST).

Далее BIOS производит инициализацию контроллеров, встроенных в материнскую плату, и некоторых подключенных к ним устройств, и устанавливает их базовые параметры работы, например, частоту работы системной шины, процессора, контроллера ОЗУ, параметры работы жестких дисков, контроллеров встроенных в материнскую плату и т.д.

Если проверяемые контроллеры и аппаратура исправны и настроены, то BIOS передает управление операционной системе.

Пользователи могут управлять большинством параметров работы BIOS и даже обновлять его.

Обновление BIOS требуется очень редко, если, например, разработчиками обнаружена и устранена принципиальна ошибка в программе инициализации какого-либо из устройств, либо если требуется поддержка нового устройства (например, новой модели процессора). Но, в большинстве случаев, выход нового типа процессора или памяти требует кардинального «абгрейда» компьютера. Скажем за это производителям электроники «спасибо».

Для настройки параметров BIOS предусмотрено специально меню, войти в которое можно, нажав сочетание клавиш, указанное на экране монитора во время проведения тестов POST. Обычно для входа в меню настройки BIOS требуется нажать клавишу DEL.

В этом меню можно установить системное время, параметры работы дисководов и жестких дисков, увеличить (или уменьшить) тактовую частоту процессора, памяти и системной шины, шин связи и настроить другие параметры работы компьютера. Однако тут стоит быть крайне осторожным, так как неправильно установленные параметры могут привести к ошибкам в работе или даже вывести компьютер из строя.

Все настройки BIOS хранятся в энергозависимой памяти CMOS, работающей от батарейки или аккумулятора, установленного на материнской плате. Если батарейка или аккумулятор разрядились, то компьютер может не включиться или работать с ошибками. Например, будет установлено неверное системное время или параметры работы некоторых устройств.

5. Другие элементы материнской платы.

Кроме описанных выше элементов на материнской плате располагается генератор тактовой частоты, состоящий из кварцевого резонатора и тактового генератора. Генератор тактовой частоты состоит из двух частей, так как кварцевый резонатор, не способен генерировать импульсы с частотой, требуемой для работы современных процессоров, памяти и шин, поэтому тактовую частоту, генерируемую кварцевым резонатором, изменяют с помощью тактового генератора, умножающего или делящего исходные частоты для получения требуемой частоты.

Основная задача тактового генератора материнской платы – это формирование высокостабильного периодического сигнала для синхронизации работы элементов ЭВМ.

Частота тактовых импульсов во многом определяет скорость вычислений. Так как на любую операцию, выполняемую процессором, затрачивается определенное количество тактов, то, следовательно, чем выше тактовая частота, тем выше производительность процессора. Естественно, это верно только для процессоров с одинаковой микроархитектурой, так как в процессорах с различной микроархитектурой для выполнения одной и той же последовательности команду может требоваться разное количество тактов.

Генерируемую тактовую частоту можно увеличивать, тем самым, поднимая производительность ЭВМ. Но этот процесс сопряжен с рядом опасностей. Во-первых, при повышении тактовой частотой снижается стабильность работы компонентов ЭВМ, поэтому после любого «разгона» ЭВМ требуется проводить серьезное тестирования для проверки стабильности ее работы.

Также «разгон» может привести к повреждению элементов ЭВМ. Причем выход из строя элементов будет, скорее всего, не мгновенный. Просто может резко сократиться срок службы элементов, эксплуатируемых в условиях, отличных от рекомендуемых.

Кроме тактового генератора на материнской плате располагается множество конденсаторов, обеспечивающих ровный поток напряжения. Дело в том, что потребление энергии элементами ЭВМ, подключенными к материнской плате, может резко изменяться, особенно при приостановке работы и ее возобновлении. Конденсаторы сглаживают такие скачки напряжения, тем самым, повышая стабильность работы и срок службы всех элементов ЭВМ.

Пожалуй, это все основные компоненты современных материнских плат и на этом обзор устройства материнской платы можно закончить.


Еще на эту тему:

Совместимость в любви быка и петуха Совместимость в любви быка и петуха
Молитвы ангелу хранителю на каждый день и все случаи жизни Молитвы ангелу хранителю на каждый день и все случаи жизни
Начальная школа, программа Начальная школа, программа "Перспектива": отзывы учителей и родителей Сложная ли программа перспектива начальная школа