КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМНОГО БЛОКА.

ДЕПАРТАМЕНТ ИНФОРМАТИЗАЦИИ И СВЯЗИ УКРАИНЫ
Одесская национальная академия связи им. А. С. Попова
Кафедра документальной электросвязи
КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМНОГО БЛОКА.
Часть 2
Системные платы
Методическое пособие к практической работе модуля
«Структурная организация оконечного устройства на базе ПК»
по курсу СДЭС.
Составил:
ст.преподаватель Филатов Г.Г.
ОДЕССА 2011
2 Системные платы
Формфакторы системных плат.
Важнейшим узлом компьютера является системная плата (system board),
иногда называемая материнской (motherboard), основной или главной платой
(main board). В этой главе рассматриваются типы системных плат и их
компоненты.
Существует несколько наиболее распространенных формфакторов,
учитываемых при разработке системных плат. Формфактор (form factor)
представляет собой физические параметры платы и определяет тип корпуса, в
котором она может быть установлена. Формфакторы системных плат могут
быть стандартными (т. е. взаимозаменяемыми) или нестандартными.
Нестандартные формфакторы, к сожалению, являются препятствием для
модернизации компьютера, поэтому от их использования лучше отказаться.
Наиболее известные формфакторы системных плат перечислены ниже.
Устаревшие:
■ Baby-AT;
■ полноразмерная плата AT;
■ LPX.
■ Современные:
■ АТХ;
■ Micro-ATX;
■ Flex-ATX;
■ NLX.
За последние несколько лет произошел переход от системных плат
оригинального формфактора Baby-AT, который использовался в первых
компьютерах IBM PC и XT, к платам формфактора АТХ и NLX, используемым
в большинстве полноразмерных настольных и вертикальных систем.
Существует несколько вариантов формфактора АТХ, в число которых входят
Micro-ATX (который представляет собой уменьшенную версию формфактора
АТХ, используемого в системах малых размеров) и Flex-ATX (еще более
уменьшенный вариант, предназначенный для домашних компьютеров низшего
ценового уровня). Формфактор NLX предназначен для корпоративных
настольных систем; WTX, в свою очередь, разрабатывался для рабочих станций
и серверов со средним режимом работы, но широкого распространения не
получил. Современные формфакторы и область их применения приведены в
табл. 2.1.
Несмотря на широкое распространение плат Baby-AT,; полноразмерной
AT и LPX, им на смену пришли системные штаты современных формфакторов.
Современные формфакторы фактически являются промышленным стандартом,
гарантирующим совместимость каждого типа плат. Это означает, что системная
плата АТХ может быть заменена другой платой того же типа, вместо системной
платы NLX может быть использована другая плата NLX и т. д. Благодаря
дополнительным функциональным возможностям современных системных
плат, компьютерная индустрия смогла быстро перейти к новым формфакторам.
Поэтому Настоятельно рекомендуется приобретать системы, созданные на
2
основе одного из современных формфакторов.
Таблица 2.1. Формфакторы системных плат.
Формфактор
Область применения
ATX
Стандартные настольные компьютеры в корпусах minitower и full-tower; наиболее приемлемая конструкция, как
для новичков, так и для опытных пользователей, серверов
и младших моделей рабочих станций, а также домашних
систем более высокого уровня. Платы АТХ поддерживают
до семи разъемов расширения.
Mini-ATX
Уменьшенная версия АТХ, которая используется там же,
где и.плата АТХ. Многие из так называемых системных
плат АТХ в действительности являются платами MiniATX. Системные платы Mini-ATX поддерживают до
шести расширительных гнезд.
Micro-ATX
Настольные компьютеры или вертикальные системы minitower среднего уровня.
Flex-ATX
Недорогие или менее производительные настольные или
вертикальные системы mini-tower, используемые в самых
разных целях.
NLX
Корпоративные настольные или вертикальные системы
mini-tower, отличающиеся простотой и удобством
обслуживания
Системная плата АТХ.
Конструкция АТХ была разработана сравнительно недавно. В ней
сочетаются наилучшие черты стандартов Baby-AT и LPX и заложены многие
дополнительные усовершенствования. По существу, АТХ – это "лежащая на
боку" плата Baby AT с измененным разъемом и местоположением источника
питания. Главное, что необходимо запомнить, - конструкция АТХ физически
несовместима ни с BabyAT, ни с LPX. Другими словами, для системной платы
АТХ нужен особый корпус и источник питания.
В настоящее время АТХ является наиболее распространенным
формфактором системных плат, рекомендуемым для большинства новых
систем. Система АТХ останется расширяемой в течение еще многих лет, в чем
она похожа на предшествующую ей системную плату Baby AT.
Конструкция АТХ позволила усовершенствовать стандарты Baby AT и
LPX.
■Наличие встроенной двойной панели разъемов ввода-вывда,
На тыльной стороне системной платы есть область с разъемами вводавывода шириной 6,25 и высотой 1,75 дюйма. Это позволяет расположить
внешние разъемы непосредственно на плате и исключает необходимость
использования кабелей, соединяющих внутренние разъемы и заднюю панель
корпуса, как в конструкции Baby AT.
■ Наличие одноключевого внутреннего разъема источника питания.
Это упрощает замену разъемов на источнике питания типа Baby AT.
3
Спецификация ATX содержит одноключевой разъем источника питания,
который легко вставляется и который невозможно установить неправильно.
Этот разъем имеет контакты для подвода к системной плате напряжения 3,3 В.,
а это означает, что для системной платы АТХ не нужны встроенные
преобразователи напряжения, которые часто выходят из строя. В
спецификацию АТХ были включены два дополнительных разъема питания,
получивших название вспомогательных силовых разъемов (3,3 и 5 В), а также
разъем АТХ 12V, используемый в системах, потребляющих большее,
количество электроэнергии, чем предусмотрено оригинальной спецификацией.
■ Перемещение процессора и модулей памяти. Изменены места
расположения этих устройств: теперь они не мешают платам расширения, и их
легко заменить новыми, не вынимая при этом ни одного из установленных
адаптеров. Процессор и модули памяти расположены рядом с источником
питания и обдуваются одним вентилятором, что позволяет обойтись без
специального вентилятора для процессора, который не всегда эффективен и
часто подвержен поломкам. Есть также место и для большого пассивного
теплоотвода.
Высота свободного пространства, предназначенного для установки
процессора и теплоотвода, достигает примерно 70 мм (2,8 дюйма).
■ Более удачное расположение внутренних разъемов ввода-вывода. Эти
разъемы для накопителей на гибких и жестких дисках смещены и находятся не
под разъемами расширения или самими накопителями, а рядом с ними.
Поэтому можно уменьшить длину внутренних кабелей к накопителям, а для
доступа к разъемам не нужно убирать одну из плат или накопитель.
■ Улучшенное охлаждение. Процессор и оперативная память сконструированы
и расположены таким образом, чтобы максимально улучшить охлаждение
системы в целом. Это позволяет уменьшить необходимость в отдельном
вентиляторе для охлаждения корпуса или процессора (правда, не настолько,
чтобы отказаться от него совсем). Дополнительное охлаждение все еще
является насущной потребностью большинства быстродействующих систем.
Одна из особенностей оригинальной спецификации АТХ заключалась в том,
что вентилятор блока питания направляет поток воздуха внутрь корпуса.
Обратный поток или схема нагнетания воздуха приводит к повышению
давления в корпусе, что препятствует проникновению грязи и пыли. Тем не
менее, направление потока воздуха в спецификации АТХ было пересмотрено и
предпочтение отдано вентилятору, работающему на выдувание, что приводит к
понижению давление воздуха в корпуе. В целом схема нагнетания воздуха
менее эффективна для охлаждения системы. И так как существующая
спецификация допускает практически любую схему воздухообмена,
большинство производителей поставляют блоки питания АТХ в комплекте с
вентиляторами, отсасывающими воздух из системы, или, говоря иначе,
конструкцию отрицательного давления.
На рис. 2.1 показано, как выглядит новая конструкция системы АТХ в
настольном исполнении со снятой верхней крышкой или в вертикальном с
удаленной боковой панелью. Обратите внимание на то, что системная плата
4
практически не закрывается отсеками для установки дисководов, что
обеспечивает свободный доступ к различным компонентам системы (таким, как
процессор, модули памяти, внутренние разъемы дисководов), не мешая, в свою
очередь, доступу к разъемам шины. Кроме того, процессор расположен рядом с
блоком питания.
Рис. 2.1. Системная плата АТХ
Системная плата АТХ, установленная в корпусе, располагается таким о
разом, что гнездо процессора находится рядом с вентилятором блока питания
(и с вентилятором, встроенным в корпус, если таковой существует) Системная
плата АТХ, по сути, представляет собой конструкцию BabyAT, перевернутую
на бок. Разъемы расширения параллельны более короткои стороне и не
мешают гнездам процессора, памяти и разъемам ввода-вывода. Кроме
полноразмерной схемы АТХ, компания Intel описала конструкци.ю miniATX,
которая размещается в таком же корпусе. Полноразмерная плата АТХ имеет
размеры 305x244 мм (12х9,6 дюймов), а плата miniATX 284x208 мм (11,2x8,2
дюйма).
Кроме того, существуют два уменьшенных варианта системной платы
АТХ, которые носят названия MicroATX и FlexATX.
Несмотря на то, что отверстия в корпусе располагаются так же, как и в
BabyAT, конструкции АТХ и BabyAT несовместимы. Для источников питания
необходим сменный разъем, но основная конструкция источника питания АТХ
аналогична конструкции стандартного источника питания Slimline.
Не снимая кожух компьютера, можно определить, имеет ли
установленная в нем плата формфактор АТХ. Обратите внимание на заднюю
панель системного блока. АТХ имеет две отличительные черты. Во-первых, все
разъемы плат расширения подключены непосредственно к системной плате;
нет никаких выносных плат, как у LPX или NLX.
Разъемы перпендикулярны к плоскости системной платы. Во-вторых,
платы АТХ имеют уникальную платформу удвоенной высоты, для. всех
встроенных разъемов на системной плате (рис. 2.1).
5
Рис. 2.2. Типичное расположение разъемов на плате АТХ (вид сзади):
А - клавиатура или мышь PS/2,
В - клавиатура или мышь PS/2,
С - порт USB 1, D порт USB 0,
Е - последовательный порт А,
F - параллельный порт,
G - последовательный порт В,
Н - порт MIDI или игровой (необязательный),
I - линейный выход (необязательный),
J - линейный вход (необязательный),
К - микрофон (необязательный)
Системные платы Micro-ATX.
Системные платы формфакторов micro-ATX и АТХ имеют следующие
основные различия:
■уменьшенная ширина (244 мм (9,6 дюйма) вместо 305 мм (12 дюймов)
или 284 мм (11,2 дюйма);
■уменьшенное число разъемов; ■ уменьшенный блок питания
(формфактора SFX). Максимальные размеры платы microATX достигают всего
лишь 9,6 х 9,6 дюймов (244x244 мм), по сравнению с размерами
полноразмерной платы АТХ (12х 9,6 дюймов или 305x244 мм) или miniATX
(11,2x8,2 дюймов или 284x208 мм). Размеры системной платы могут быть
уменьшены, если расположение ее крепежных отверстий и разъемов будет
соответствовать промышленному стандарту. Уменьшенное количество
разъемов не является проблемой для обычного пользователя домашнего или
офисного компьютера, так как ряд системных компонентов, к числу которых
относятся, например, звуковая и графическая платы, часто встраиваются в
системную плату. Высокая интеграция компонентов уменьшает стоимость
системной платы и соответственно всей системы. Внешние разъемы USB,
10/100 Ethernet, иногда SCSI или 1394 (FireWire) также могут содержать
дополнительные слоты расширения, а именно:
■ использование одного и того же 20контактного разъема питания;
6
■ стандартное расположение разъемов ввода-вывода;
■ одинаковое расположение крепежных винтов.
Сходство геометрических параметров позволяет установить системную
плату microATX как в корпус АТХ, содержащий стандартный блок питания, так
и в уменьшенный корпус microATX, использующий меньший по размерам блок
питания SFX.
Общие размеры системы micro-ATX достаточно малы. Типичная система,
созданная на основе платы указанного формфактора, имеет следующие
размеры: высота 304,8 или 355,6 мм (12 или 14 дюймов), ширина 177,8 мм (7
дюймов), длина 304,8 мм (12 дюймов), что соответствует корпусу класса
microtower или desktop. Типичная системная плата micro-ATX показана на рис.
2.2.
Рис. 2.2. Системная плата формфактора micro-ATX
Системные платы ATX Riser/
Системные уплаты семейства АТХ обычно устанавливаются
вертикально расположенных корпусах, но в некоторых случаях более
приемлема настольная система с горизонтальной компоновкой.
При добавлении 22-контактного разъема расширения к одному из
слотов PCI в системной плате генерируются дополнительные сигналы,
необходимые для поддержки платы ATX Riser, содержащей два или три
разъема В эти разъемы могут быть подключены платы PCI стандартной
длины. Следует заметить, что системная плата может использоваться как с
платой ATX Riser, так и без нее. Однако если плата ATX Riser
установлена, то оставшиеся разъемы PCI системной платы не
используются; следовательно, подключения плат расширения придется
сделать выбор между системное платой или ATX Riser. Плата ATX Riser
предназначена исключительно для плат PCI (отсутствует поддержка плат
AGP или ISA). На рис. 2.3 показана системная плата АТХ с установленной
платой ATX Riser.
7
Разъем расширения с 22-контактами обычно устанавливается в
шестое разъем шины PCI (второй с правой стороны). Нумерация разъемов,
как правило, начинается с седьмого разъема, наиболее близкого к
процессору выполняется справа налево.
Рис. 2.3. Плата ATX Riser в системной плате формфактора micro-ATX
Разъем PCI платы ATX Riser представляет собой стандартный разъем PCI
с идентичными сигналами.
Системы, использующие плату ATX Riser, принадлежат в основном к
низкопрофильным конструкциям. Поэтому платы PCI и AGP, имеющие
стандартную длину, нельзя установить в свободные разъемы системной платы.
Стандарт ATX Riser первоначально разрабатывался для младших моделей
системных плат, интегрированных со звуковыми, графическими и сетевыми
микросхемами. Несмотря на это, указанный стандарт используется во многих
серверах стоечного исполнения. Это связано с тем, что в ATX Riser
большинство необходимых компонентов уже встроены в системную плату.
Фактически плата ATX Riser чаще используется в серверах стоечного
исполнения, чем в настольных системах Slimline.
Компоненты системной платы.
В современную системную плату встроены такие компоненты, как гнезда
процессоров, разъемы и микросхемы. Самые современные системные платы
содержат следующие компоненты:
■ гнездо для процессора;
■ набор микросхем системной логики (компоненты North/South Bridge
или Hub);
■ микросхема Super I/O;
■ базовая система ввода-вывода (ROM BIOS);
■ гнезда модулей памяти SIMM/DIMM/RIMM;
■ разъемы шин ISA/PCI/AGP;
■ разъем AMR (Audio Modem Riser);
■ разъем CNR (Communications and Networking Riser);
8
■ преобразователь напряжения для центрального процессора;
■ батарея.
Некоторые из системных плат также включают в себя интегрированные
аудио и видеоадаптеры, сетевой и SCSI интерфейс, разъемы AMR (Audio
Modem Riser) и CNR (Communications and Networking Riser), а также другие
элементы, в зависимости от типа системной платы.
Все стандартные компоненты обсуждаются далее. Гнезда для
процессоров.
Процессоры можно устанавливать в гнезда типа Socket или Slot. Были
разработаны стандарты для гнезд типа Socket, в которые можно установить
различные модели конкретного процессора. Каждый тип гнезда Socket или Slot
имеет свой номер. Любая системная плата содержит гнездо типа Socket или
типа Slot; по номеру можно точно определить, какие типы процессоров могут
быть установлены в данное гнездо.
Отличие Socketa от Slota заключается в том, что Slot это отдельная плата
с процессором, которая вставляется в гнездо на материнской плате, а Socket
расположенный непосредственно на материнской плате. Наборы микросхем
системной логики.
Современные системные платы невозможно представить без микросхем
системной логики. Набор микросхем подобен системной плате. Другими
словами, две любые платы с одинаковым набором микросхем функционально
идентичны. Набор микросхем системной логики включает в себя интерфейс
шины процессора (которая называется также FrontSide Bus FSB), контроллеры
памяти, контроллеры шины, контроллеры ввода-вывода и т. п. Все схемы
системной платы также содержатся в наборе микросхем. Процессор не может
взаимодействовать с памятью, платами адаптера и различными устройствами
без помощи наборов микросхем.
Набор микросхем управляет интерфейсом или соединениями процессора
с различными компонентами компьютера. Поэтому он определяет, в конечном
счете, тип и быстродействие используемого процессора, рабочую частоту
шины, скорость, тип и объем памяти. В сущности, набор микросхем относится
к числу наиболее важных компонентов системы, даже, наверное, более важных,
чем процессор.
Наборы микросхем системной логики компании Intel. В последнее
время производители все чаще и чаще предлагают системы, созданные на базе
процессоров Athlon и Duron компании AMD, в качестве альтернативы системам
Intel.
При создании наборов микросхем Intel использует два различных типа
архитектуры: North/South Bridge и более современную hub-архитектуру,
которая используется во всех последних наборах микросхем системной логики
серии 800.
Архитектура North/South Bridge.
Большинство ранних версий наборов микросхем Intel (и практически все
наборы микросхем других производителей) созданы на основе многоуровневой
архитектуры и содержат компоненты North Bridge и South Bridge, а также
9
микросхему Super I/O.ИЯ
■ North Bridge. Этот компонент представляет собой соединение
быстродействующей шины процессора (400/266/200/133/100/66 МГц)|$|| более
медленными шинами AGP (533/266/133/66 МГц) и PCI (33 МГц).
■ South Bridge. Этот компонент является мостом между шиной PCI
(66/33 МГц) и более медленной шиной ISA (8 МГц).
■ Super I/O. Это отдельная микросхема, подсоединенная к шине ISA,
которая фактически не является частью набора микросхем и зачастую
поставляется сторонним производителем, например National Semiconductor или
Standard Microsystems Corp. (SMSC). Микросхема Super I/O содержит обычно
используемые периферийные элементы, объединенные в одну микросхему.
Расположение всех микросхем и компонентов типичной системной платы
AMD Socket А, использующей архитектуру North/South Bridge, показаны на
рис. 2.4.
North Bridge иногда называют контроллером РАС (PCI/AGP Controller). В
сущности, он является основным компонентом системной платы и
единственной, за исключением процессора, схемой, работающей на полной
частоте системной платы (шины процессора).
South Bridge - компонент в наборе микросхем системной логики с более
низким быстродействием; он всегда находился на отдельной микросхеме.
Микросхема Super I/O, которая является третьим компонентом системной
платы, соединена с шиной ISA (8 МГц) и содержит все стандартные
периферийные устройства, встроенные в системную плату.
North Bridge иногда называют контроллером РАС (PCI/AGP Controller). В
сущности, он является основным компонентом системной платы и
единственной, за исключением процессора, схемой, работающей на полной
частоте системной платы (шины процессора).
South Bridge - компонент в наборе микросхем системной логики с более
низким
быстродействием;
он
всегда
находился
на
отдельной
микросхеме.Микросхема Super I/O, которая является третьим компонентом
системной платы, соединена с шиной ISA (8 МГц) и содержи^ все стандартные
периферийные устройства, встроенные в системную плату. Например,
большинство микросхем Super I/O поддерживают параллельной | порт, два
последовательных
порта,
контроллер
гибких
дисков,
интерфейс
клавиатура/мышь. К числу дополнительных компонентов могут б«||§1 отнесены
CMOS RAM/Clock, контроллеры IDE, а также интерфейс игровое | порта.
Системы, содержащие порты ШЕЕ 1394 и SCSI, используют для ЩШшS этого
типа отдельные микросхемы.
Hub-архитектура.
В новой серии 800 набора микросхем используется hub-архитектура, в
которой компонент North Bridge получил название Memory Controller Hub
(МСН), а компонент South Bridge - I/O Controller Hub (ICH). В результате
соединения компонентов посредством шины PCI образуется стандартная
конструкция North/South Bridge. В hub-архитектуре соединение компонентов
выполняется с помощью выделенного hub-интерфейса, скорость которого вдвое
10
выше скорости шины PCI. НиЬархитектура обладает некоторыми
определенными преимуществами по отношению к традиционной конструкции
North/South Bridge.
Рис. 2.4. Расположение компонентов типичной системной платы Socket A
(AMD Athlon/Duron).
■ Увеличенная пропускная способность. Hub-интерфейс представляет
собой 8-разрядный интерфейс 4Х (четырехтактный) с тактовой частотой 66
МГц (4x66 МГц хх 1 байт = 266 Мбайт/с), имеющий удвоенную по отношению
к PCI пропускную способность (33 МГц х 32 байт = 133 Мбайт/с).
■ Уменыиенная загрузка PCL НиЬинтерфейс не зависит от PCI и не
участвует в перераспределении или захвате полосы пропускания шины PCI при
выполнении трафика набора микросхем или Super 1/<Х Это улучшает
эффективность остальных устройств, подсоединенных к шине PCI, при
выполнении групповых операций.
Конструкция hub-интерфейса предусматривает увеличение пропускной
способности устройств PCI, что связано с отсутствием компонента South Bridge
передающего поток данных от микросхемы Super I/O и загружающего тем
самым шину PCI. Таким образом, hub-архитектура позволяет увеличить
пропускную способность устройств, непосредственно соединенных с I/O
Controller Hub (ранее South Bridge), к которым относятся новые
быстродействующие интерфейсы АТА100 и USB 2.0.
Компонент МСН осуществляет соединение быстродействующей шины
процессора (400/133/100/66 МГц) и hub-интерфейса (66 МГц) с шиной AGP
(533/266/133/66 МГц); компонент ICH, в свою очередь, связывает hubинтерфейс (66 МГц) с портами ATA (IDE) (66/100 МГц) и шиной PCI (33МГц).
Кроме того, в ICH содержится новая шина LowPinCount (LPC),
представляющая собой 4разрядную версию шины PCI, которая была
11
разработана в первую очередь для поддержки, микросхем, системной платы
ROM BIOS и Super I/O. Вместе с четырьмя сигналами функций данных, адресов
и команд для функционирования шины требуется девять дополнительных
сигналов, что составит в общей сложности 13 сигналов. Это позволяет
значительно уменьшить количество линий, соединяющих ROM BIOS с
микросхемами Super I/O наборах микросхем для процессора Pentiu. Шестое
поколение микросхем системной логики Pentium Pro и Pentium II/III.
Набор микросхем системной логики Intel 440BX
Набор микросхем системной логики Intel 440BX был представлен в
апреле 1998 года. Это первый набор микросхем, который поддерживал шину
процессора (и системную плату) при работе на частоте 100 МГц. Он разработан
специально для поддержки более новых процессоров Pentium II/III, работающих на тактовых частотах 350, 400, 450 или 500 МГц. Версия 440ВХ для портативных компьютеров является также первым набором микросхем системной
логики для портативных компьютеров на основе процессора Pentium II/III.
Набор микросхем 440ВХ отличается от LX тем, что позволяет повысить
эффективность, увеличивая частоту системной шины от 66 до 100 МГц. Он
может работать на частоте 66 или 100 МГц, поэтому на системную плату с этим
набором микросхем можно установить практически любой процессор Pentium
II/III, работающий на частотах от 233 до 500 МГц и выше.
Основные особенности набора Intel 440BX:
■ поддерживает память SDRAM при частоте 100 МГц (PC 100);
■ поддерживает системную шину и память при частоте 100 и 66 МГц;
■ поддерживает объем памяти до 1 Гбайт в четырех банках (четыре!
модуля DIMM);
■ поддерживает коды коррекции ошибок в памяти;
■ поддерживает ACPI (Advanced Configuration and Power Interface);
■поддерживает Intel Pentium II для портативных компьютеров. Intel
440BX состоит из одной микросхемы North Bridge, называемой
82443ВХ Host Bridge/Controller, которая соединена с новой микросхемой
82371 ЕВ PCIISA/IDE Xcelerator (PIIX4E), представляющей собой компонент
South Bridge. Этот компонент поддерживает версию ACPI 1.0. На рис. 2.5
показана блок-схема компонентов компьютера на базе набора микросхем
440ВХ.
Микросхема Super I/O.
Третья основная микросхема в большинстве системных плат
называется Super I/O. Эта микросхема обычно реализует функции
устройств,
которые прежде размещались на отдельных платах расширения.
Большинство микросхем Super I/O содержат (как минимум) следующие
компоненты:
■ контроллер гибких дисков;
■ двойные контроллеры последовательного порта;
■ контроллер параллельного порта.
12
Рис. 2.5. Блок-схема компьютера на базе набора микросхем 440ВХ
Контроллеры гибких дисков в большинстве микросхем Super I/O
обслуживает два дисковода, но некоторые из них могут обслуживать только
один. В более старых системах часто требовались отдельные платы для
контроллера гибких дисков.
Двойной последовательный порт – другое устройство, которое прежде
располагалось на одной или нескольких платах. В большинстве лучших
микросхем Super I/O предусмотрена буферизация потока данных через
последовательный порт. Схема, реализующая буферизацию, называется UART
(Universal Asynchronous Receiver Transmitter В универсальный-асинхронный
трансмиттер приемник). Для каждого порта предусматривается своя схема
UART. В большинстве случаев она подобна быстродействующей автономной
схеме UART NS165.50A, разработанной компанией National Semiconductor.
Поскольку Super I/O выполняет функции двух этих микросхем, можно сказать,
что, по существу, эти порты встроены в системную плату.
Фактически
все
микросхемы
Super
I/O
также
содержат
быстродействующий
многорежимный
параллельный
порт.
Лучшие
параллельные порты могут работать в трех режимах: стандартном
(двунаправленном), EPP (Enhanced Parallel Port - расширенный параллельный
порт) и ЕСР (Enh самый быстрый и наиболее мощный, но если выбрать этот
режим, то порт будет использовать 8разрядный канал прямого доступа к памяти
шины ISA (обычно канал 3 прямого доступа в память)). Если на этом канале не
установлено какое-нибудь другое устройство (например, звуковая плата), то
13
параллельный порт в режиме ЕСР должен работать отлично. Некоторые более
новые принтеры и сканеры, подсоединяемые к компьютеру через параллельный
порт, используют режим ЕСР, разработанный компанией HewlettPackard.
Микросхема Super I/O может содержать также другие компоненты.
Например, в настоящее время в системной плате Intel VC820 (формфактора
АТХ) используется в качестве Super I/O микросхема LPC47V102 компании
SMC (Standard Microsystems Corp.). В этой микросхеме расположены
следующие устройства:
■ интерфейс дисковода гибких дисков;
■ два быстродействующих последовательных порта;
■ один многорежимный (ЕСР/ЕРР) параллельный порт;
■ контроллер клавиатуры типа 8042 и мыши.
Для этой микросхемы характерно наличие контроллера клавиатуры и
мыши; все другие компоненты есть в большинстве микросхем Super I/O.
Назначение и функционирование шин.
Основой системной платы являются различные шины, служащие для
передачи сигналов компонентам системы. Шина (bus) представляет собой
общий канал связи, используемый в компьютере и позволяющий соединить два
или более системных компонента.
Существует определенная иерархия шин PC, которая выражается в том,
что каждая более медленная шина соединена с более быстрой шиной
Современные компьютерные системы включают в себя три, четыре или более
шин. Каждое системное устройство соединено с какой-либо шиной, причем
определенные устройства (чаще всего это наборы микросхем) выполняют роль
моста между шинами.
■ Шина процессора. Эта высокоскоростная шина является ядром набора
микросхем и системной платы. Используется в основном процессором для
передачи данных между кэш-памятью или основной памятью и компонентом
North Bridge набора микросхем. В системах на базе процессоров Pentium II эта
шина работает на частоте 66, 100, 133, 200, 266, 400 или 533 МГц и имеет
ширину 64 разряда (8 байт).
■Шина AGP. Эта 32разрядная шина работает на частоте 66 (AGP 1х), 133
(AGP 2х), 266 (AGP 4х) или 533 МГц (AGP 8х) и предназначена для
подключения видеоадаптера. Она подключается к компоненту North Bridge или
Memory Controller Hub (MCH) набора микросхем системной логики.
■Шина PCI. Эта 32разрядная шина работает на частоте 33 МГц;
используется начиная с систем на базе процессоров 486. В настоящее время
есть реализация этой шины с частотой 66 МГц. Находится под управлением
контроллера PCI — части компонента North Bridge или Memory Controller Hub
(MCH) набора микросхем. На системной плате устанавливаются разъемы,
обычно четыре или более, в которые можно подключать сетевые, SCSI и
видеоадаптеры, а также другое оборудование, поддерживающее этот
интерфейс. К шине PCI подключается компонент South Bridge набора
микросхем, который содержит реализации интерфейса IDE и USB.
■Шина ISA. Это 16разрядная шина, работающая на частоте 8 МГц;
14
впервые стала использоваться в системах AT в 1984 году (была 8разрядной и
работала на частоте 5 МГц). Имела широкое распространение, но из
спецификации РС99 исключена. Реализуется с помощью компонента South
Bridge. Чаще всего к этой шине подключается микросхема Super I/O.
Большинство системных плат, обеспечивающих стандартные сетевые
функции и функции работы с модемом, созданы на основе шины PCI, так как
разъемы AMR/CNR имеют специализированное назначение.
В современных системных платах существуют также скрытые шины,
которые никак не проявляются в виде гнезд или разъемов. Имеются в виду
шины, предназначенные для соединения компонентов наборов микросхем,
например hub-интерфейса и шины LPC. Hubинтерфейс представляет собой
четырехтактную (4х) 8разрядная шину с рабочей частотой 66 МГц, которая
используется для обмена данными между компонентами МСН и ICH набора
микросхем (hub-архитектура). Пропускная способность hub-интерфейса
достигает 266 Мбайт/с, что позволяет использовать его для соединения
компонентов набора микросхем в недорогих конструкциях.
Для подобных целей предназначена и шина LPC, которая представляет
собой 4разрядную шину с максимальной пропускной способностью 6,67
Мбайт/с и применяется в качестве более экономичного по сравнению с шиной
ISA варианта. Обычно шина LPC используется для соединения Super I/O или
компонентов ROM BIOS системной платы с основным набором микросхем.
Шина LPC имеет примерно равную рабочую частоту, ноиспользует
значительно меньше контактов. Это позволяет полностью отказаться от
использования шины ISA в системных платах.
Системный набор микросхем это дирижер, который руководит оркестром
системных компонентов системы, позволяя каждому из них подключиться к
собственной шине.
Шина процессора. Эта шина соединяет процессор с компонентом
набора микросхем North Bridge или Memory Controller Hub. Она работает на
частотах 662 МГц. Используется для передачи данных между процессором и
основной системной шиной или между процессором и внешней кэш-памятью
в системах на базе процессоров пятого поколения. Взаимодействие шин в
типичном компьютере на базе процессора Pentium (Socket 7) показано на
рис. 2.6.
В системах, созданных на основе процессоров Socket 7, внешняя кэшпамять второго уровня установлена на системной плате и соединена с шиной
процессора, которая работает на частоте системной платы (обычно от 66 до 100
МГц). Таким образом, при появлении процессоров Socket 7 с более высокой
тактовой частотой, рабочая частота кэш-памяти осталась равной сравнительно
низкой частоте системной платы. Например, в быстродействующих системах
Intel Socket 7 частота процессора равна 233 МГц, а частота шины процессора
при множителе 3,5х достигает только 66 МГц.
15
Рис. 2.6. Архитектура системы на базе процессора Pentium (Socket 7)
Шина памяти.
Шина памяти предназначена для передачи информации между
процессором и основной памятью системы. Эта шина соединена с набором
микросхем системной платы North Bridge или микросхемой Memory Controller
Hub. В зависимости от типа памяти, используемой набором микросхем (и,
следовательно, системной платой), шина памяти может работать с различными
скоростями. Наилучший вариант, если рабочая частота шины памяти совпадает
со скоростью шины процессора. Пропускная способность систем,
использующих память PC 133 SDRAM, равна 1066 Мбайт/с, что совпадает с
пропускной способностью шины процессора, работающей на частоте 133 МГц.
В системе Pentium 4 используется шина процессора с частотой 400 МГц, а
также двухканальная память RDRAM со скоростью передачи данных для
каждого канала 1 600 или 3 200 Мбайт/с. при одновременной работе обоих
каналов памяти, что совпадает с пропускной способностью шины процессора
Pentium 4.
Типы шин ввода-вывода
Для
повышения
производительности
компьютера
нужна
быстродействующая шина ввода-вывода. Производительность определяется
тремя основными факторами:
■ быстродействием процессора;
■ качеством программного обеспечения;
■ возможностями мультимедиа компонентов.
16
Шины ввода-вывода различаются архитектурой. Различия между этими
шинами в основном связаны с объемом одновременно передаваемых данных
(разрядностью) и скоростью передачи (быстродействием).
Шина PCI.
PCI добавляет к традиционной конфигурации шин еще один уровень. При
этом обычная шина ввода-вывода не используется, а создается фактически еще
одна высокоскоростная системная шина с разрядностью, равной разрядности
данных процессора (рис. 2.7).
Тактовая частота стандартной шины PCI равна 33 МГц, а разрядность
соответствует разрядности данных процессора. Для 32-разрядного процессора
пропускная способность составляет 132 Мбайт/с:
33 МГц х 32 бит = 1 056 Мбит/с; 1056 Мбит/с: 8 = 132 Мбайт/с.
Стандартная шина PCI имеет несколько разновидностей, представленных
в табл. 2.2.
В настоящее время 64-разрядные шины или шины с рабочей частотой 66
и 133 МГц используются только в системных платах серверов или рабочих
станций. Одно из основных преимуществ шины PCI заключается в том, что она
может функционировать одновременно с шиной процессора. Это позволяет
процессору обрабатывать данные внешней кэш-памяти одновременно с
передачей информации по шине PCI между другими компонентами системы.
Рис. 2.7. Принцип построения шины PCI
Таблица 2.2. Типы шин PCI
Частотаа Циклы
Тип шины Разряди,
Скорость передачи
шины, данных/
PCI
Бит
данных, Мбайт/с
МГн
такт
PCI
32
33
1
133
PCI 66 МГц
32
66
1
266
64разрядная
64
33
1
266
64разрядная
64
66
1
533
PCIX
64
133
1
1066
17
Обратите внимание, что универсальная плата PCI может устанавливаться
в разъем, предназначенный для любой платы с фиксированным напряжением
питания. Если напряжение, подаваемое на те или иные контакты, может быть
разным, то оно обозначается +В I/O. На эти контакты подается опорное
напряжение, определяющее уровни выходных логических сигналов.
Другим важным свойством платы PCI является то, что она удовлетворяет
спецификации Plug and Play компании Intel. Это означает, что
PCI не имеет перемычек и переключателей и может настраиваться с
помощью специальной программы настройки. Системы с Plug and Play
способны самостоятельно настраивать адагтеры, а в тех компьютерах, в
которых отсутствует система Plug and Play, но есть разъемы PCI, настройку
адаптеров нужно выполнять вручную с помощью программы Setup BIOS.
Системные ресурсы.
Системными ресурсами называются коммуникационные каналы, адреса и
сигналы, используемые узлами компьютера для обмена данными с помощью
шин. Обычно под системными ресурсами подразумевают:
■ адреса памяти;
■ каналы запросов прерываний (IRQ);
■ каналы прямого доступа к памяти (DMA);
■ адреса портов ввода-вывода.
В приведенном списке системные ресурсы размещены в порядке
уменьшения вероятности возникновения из-за них конфликтных ситуаций в
компьютере. Наиболее распространенные проблемы связаны с ресурсами
памяти, иногда разобраться в них и устранить причины их возникновения
довольно сложно. Практически во всех платах используются каналы IRQ.
Каналы DMA применяются реже, поэтому обычно их более чем достаточно.
Порты ввода-вывода используются во всех подключенных к шине устройствах,
но 64 Кбайт памяти, отведенной под порты, обычно хватает, чтобы избежать
конфликтных ситуаций. Общим для всех видов ресурсов является то, что любая
установленная в компьютере плата (или устройство) должна использовать
уникальный системный ресурс, иначе отдельные компоненты компьютера не
смогут разделить ресурсы между собой и произойдет конфликт.
Все эти ресурсы необходимы для различных компонентов компьютера.
Платы адаптеров используют ресурсы для взаимодействия со всей системой и
для выполнения своих специфических функций. Каждой плате адаптера нужен
свой набор ресурсов. Так, последовательным портам для работы необходимы
каналы IRQ и уникальные адреса портов ввода-вывода, для аудиоустройств
требуется еще хотя бы один канал DMA. Большинством сетевых плат
используется блок памяти емкостью 16 Кбайт, канал IRQ и адрес порта вводавывода.
Прерывания.
Каналы запросов прерывания (IRQ), или аппаратные прерывания,
используются различными устройствами для сообщения системной плате
(процессору) о необходимости обработки определенного запроса.
Каналы прерываний представляют собой проводники на системной плате
18
и соответствующие контакты в разъемах. После получения IRQ компьютер
приступает к выполнению специальной процедуры его обработки, первым
шагом которой является сохранение в стеке содержимого регистров
процессора. Затем происходит обращение к таблице векторов прерываний, в
которой содержится список адресов памяти, соответствующих определенным
номерам (каналам) прерываний. В зависимости от номера полученного
прерывания, запускается программа, относящаяся к данному каналу.
Указатели в таблице векторов определяют адреса памяти, по которым
записаны программы драйверы для обслуживания платы, пославшей запрос.
Например, для сетевой платы вектор прерывания содержит адрес сетевых
драйверов, предназначенных для работы с ней; для контроллера жесткого диска
вектор указывает на программный код BIOS, обслуживающий контроллер.
После выполнения необходимых действий по обслуживанию устройства,
пославшего запрос, процедура обработки прерывания восстанавливает
содержимое регистров процессора (извлекая его из стека) и возвращает
управление компьютером той программе, которая выполнялась до
возникновения прерывания.
Благодаря прерываниям компьютер может своевременно реагировать на
внешние события. Например, всякий раз, когда с последовательного порта в
систему поступает новый байт, вырабатывается IRQ.
Аппаратные прерывания имеют иерархию приоритетов: чем меньше
номер прерывания, тем выше приоритет. Прерывания с более высоким
приоритетом обладают преимуществом и могут "прерывать прерывания". В
результате в компьютере может возникнуть несколько "вложенных"
прерываний.
По шине ISA запросы на прерывание передаются в виде перепадов
логических уровней, причем для каждого из них предназначена отдельная
линия, подведенная ко всем разъемам. Каждому номеру аппаратного
прерывания соответствует свой проводник. Системная плата не может
определить, в каком разъеме находится пославшая прерывание плата, поэтому
возможно возникновение неопределенной ситуации в том случае, если
несколько плат используют один канал. Чтобы этого не происходило, система
настраивается так, что каждое устройство (адаптер) использует свою линию
(канал) прерывания. Применение одной линии сразу несколькими разными
устройствами в большинстве случаев недопустимо. Совместное использование
прерывания допускается только PCI устройствами. Эта возможность
поддерживается системной BIOS и операционной системой, Внешние
аппаратные прерывания часто называются маскируемымщ прерываниями, т. е.
их можно отключить ("замаскировать") на время, пока процессор выполняет
другие критические операции.
Поскольку в шине ISA совместное использование прерываний обычно не
допускается, при установке новых плат может обнаружиться недостаток линий
прерываний. Если две платы используют одну и ту же линию IRQ, то их
нормальную работу нарушит возникший конфликт.
19
ЗАДАНИЕ
Дайте ответы на следующие контрольные вопросы.
1. Что определяет формфактор системной платы?
2. В чем состоит назначение системной платы?
3. Какими портами комплектуется системная плата?
4. Где размещаются порты на системной плате?
5. Чем различаются порты системной платы?
6. Что такое АТХ и чем она отличается от BabyAT?
7. Каково назначение мостов North и South bridge?
8. 8. Чем отличаются мосты North bridge, South bridge?
9. Что общего у мостов North bridge South bridg? ^
10. Назначение схемы Super I/O?
11. Каково назначение шин системной платы?
12. В чем заключаются основные различия между этими шинами?
13. Назначение шины процессора, что она соединяет?
14. Назначение шины памяти, что она соединяет?
15. Зачем нужна шина ввода/вывода?
16. Какое прерывание имеет больший приоритет №3 или №5?
Компьютерная верстка
Корнейчук Е. С.
Сдано в набор 25.05.2011 Подписано к печати 03.06.2011
Формат 60/88/16 Зак. № 4567
Тираж 100 экз. Объем: 1,0 печ. л.
Отпечатано на издательском оборудовании фирмы RISO
в типографии редакционно-издательского центра ОНАС им. А.С. Попова
ОНАС, 2011
20