МАТЕРИНСКИЕ ПЛАТЫ Студент должен знать: основных производителей материнских плат, компоненты материнской платы, их назначение, функции, форм-факторы материнских плат шины расширения материнских плат Студент должен уметь определять месторасположение компонентов материнской платы расшифровывать конфигурацию материнской платы Назначение, конструктивное исполнение материнских плат. Типы, производители, компоненты материнских плат. Интерфейсные шины материнской платы: типы, параметры, характеристики. Теоретическое обоснование Материнская плата – центральная комплексная печатная плата, предоставляющая электронную и логическую связь между всеми устройствами, входящими в состав персонального компьютера. Рассмотрим только стандартные материнские платы для настольных компьютеров. Дело в том, что производители ноутбуков сами разрабатывают платы для своих устройств, стараясь спроектировать их как можно более компактными, удобными и надёжными. То же и в случае с серверами, только там зачастую на первом месте не размер, а большое число разъёмов. Материнские платы, кроме функциональности, отличаются друг от друга размерами. Эти размеры стандартизированы и называются форм-факторами Материнская плата – это прежде всего сложная печатная плата. На неё нанесено огромное количество проводящих дорожек, объединяющих компоненты и разъёмы, и контактных площадок для микроконтроллеров и электронных компонентов. Причём плата состоит из нескольких слоев, изготовленных из диэлектрика текстолита, и каждый слой содержит такие дорожки. Выводы для установки компонентов, находятся только на верхнем слое. Сверху плата покрыта диэлектрическим лаком, чтобы предотвратить короткое замыкание и хоть немного защитить её от непредвиденных обстоятельств. Тем не менее - это не означает, что плату можно класть на металлическую или иную проводящую поверхность: на обратной стороне находится огромное количество окончаний контактов, которые могут быть замкнуты, что приведёт к повреждению платы. Проводящие дорожки объединяют между собой несколько ключевых подсистем, блоков материнской платы. Этими блоками являются: разъём (сокет) процессора и система его питания, подсистема памяти и разъёмы для установки модулей с собственной системой питания, разъёмы для установки карт расширения [функциональности], разъёмы для подключения накопителей. Каждый набор таких дорожек может работать по собственному принципу (стандарту) и называется шиной. Основой любой материнской платы является набор ключевых микросхем, также называемый набором логики или чипсетом. Разработкой таких наборов занимаются несколько крупнейших мировых компаний: Intel, NVIDIA, AMD, VIA, SIS. То, какой чипсет положен в основу материнской платы, определяет, какой процессор, какую оперативную память и в каком объёме можно установить, сколько устройств можно подключить и как быстро всё это будет работать. На плате находится разъём для подключения питания, на сегодняшний день стандарт предусматривает установку минимум двух разъемов – 24-контактного ATX и 4-контактного ATX12V для дополнительной линии 12В. Иногда производители материнских плат устанавливают 8-контактный EPS12V вместо ATX12V, через него можно подвести две линии 12В. Питание, подаваемое блоком питания, проходит преобразование, стабилизацию и фильтрацию с помощью силовых транзисторов («мосфетов»), дросселей и конденсаторов, составляющих VRM (Voltage Regulation Module, модуль регулирования напряжения). Питание процессора и чипсета осуществляется одним VRM, питание модулей памяти – чаще всего другим. Дополнительно для стабилизации питания, подаваемого через разъёмы PCI Express, иногда устанавливаются стандартные разъёмы Molex. На задней стороне материнской платы находится панель с разъёмами для подключения внешних устройств – клавиатуры и мыши, USB-устройств и многого другого. Важнейшим разъемом на плате является сокет процессора. Он представляет собой специальное устройство, состоящее из большого количества контактов, расположенных в определённом порядке, определяющем правильное расположение процессора. Ниже процессорного сокета чаще всего расположен один или два специализированных разъёма для установки видеокарты. В той же области платы находятся слоты PCI для подключения карт расширения, они стандартизированы и позволяют подключить практически все возможные контроллеры. Правее, с краю платы, обычно расположены разъёмы для подключения накопителей – жёстких дисков и оптических приводов. Сегодня активно занимает лидирующую позицию интерфейс Serial ATA, постепенно вытесняя старый IDE даже с рынка оптических приводов. Соответственно, всё чаще производители устанавливают либо всего один разъём IDE, либо вообще отказываются от него. Также там обычно находится разъём Floppy (дисковода 3,5”-носителей), но в последнее время всё идет к тому, что от него откажутся. Все эти накопители подключаются к материнской плате с помощью специальных кабелей, называемых шлейфами. В правом нижнем углу располагаются контакты для подключения кнопок и индикаторов на передней панели корпуса: кнопки включения и перезагрузки, индикаторы питания и активности жёсткого диска, системный динамик. Любая материнская плата оборудована разъёмами для подключения вентиляторов. Количество их может быть разным, от двух-трёх до шести-восьми. Некоторые из этих разъёмов позволяют управление скоростями вращения вентиляторов. На платах чаще всего также устанавливаются контактные колодки для подключения дополнительных разъёмов USB и FireWire. На плате располагается батарейка, которая обеспечивает питание микросхемы памяти, в которой содержится прошивка BIOS, и поддерживает работу системных часов. BIOS хранится в чипе памяти, который чаще всего устанавливается в специальную «кроватку», но может быть и впаян на плату. В итоге с помощью всех этих встроенных в чипсет технологий, разъёмов, дополнительных контроллеров материнская плата фактически объединяет абсолютно все устройства, входящие в состав компьютера в целостную систему. Напрямую в неё подключаются процессор, оперативная память, видеокарта, накопители и карты расширения, а через них – что угодно, начиная от монитора и заканчивая сканером или спутниковой антенной. Шина Компьютерная шина (магистраль передачи данных между отдельными функциональными блоками компьютера) – совокупность сигнальных линий, объединённых по их назначению (данные, адреса, управление), которые имеют определённые электрические характеристики и протоколы передачи информации. Шины отличаются разрядностью, способом передачи сигнала (последовательные или параллельные), пропускной способностью, количеством и типами поддерживаемых устройств, протоколом работы, назначением (внутренняя, интерфейсная). Любой процессор архитектуры x86CPU обязательно оснащён процессорной шиной. Эта шина служит каналом связи между процессором и всеми остальными устройствами в компьютере: памятью, видеокартой, жёстким диском и так далее. Так, классическая схема организации внешнего интерфейса процессора (используемая, к примеру, компанией Intel в своих процессорах архитектуры х86) предполагает, что параллельная мультиплексированная процессорная шина, которую принято называть FSB (Front Side Bus), соединяет процессор (иногда два процессора или даже больше) и контроллер, обеспечивающий доступ к оперативной памяти и внешним устройствам. Этот контроллер обычно называют северным мостом, он входит в состав набора системной логики (чипсета). Используемая Intel в настоящее время эволюция FSB – QPB, или Quad-Pumped Bus, способна передавать четыре блока данных за такт и два адреса за такт. То есть за каждый такт синхронизации шины по ней может быть передана команда либо четыре порции данных (напомним, что шина FSB–QPB имеет ширину 64 бит, то есть за такт может быть передано до 4х64=256 бит, или 32 байт данных). Итого, скажем, для частоты FSB, равной 200 МГц, эффективная частота передачи адреса для выборки данных будет эквивалентна 400 МГц (2х200 МГц), а самих данных – 800 МГц (4х200 МГц)3 В архитектуре же AMD64 (и её микроархитектуре K8), используемой компанией AMD в своих процессорах линеек Athlon 64/Sempron/Opteron, применён революционно новый подход к организации интерфейса центрального процессора – здесь имеет место наличие в самом процессоре нескольких отдельных шин. Одна (или две – в случае двухканального контроллера памяти) шина служит для непосредственной связи процессора с памятью, а вместо процессорной шины FSB и для сообщения с другими процессорами используются высокоскоростные шины HyperTransport. Преимуществом данной схемы является уменьшение задержек (латентности) при обращении процессора к оперативной памяти, ведь из пути следования данных по маршруту «процессор – ОЗУ» (и обратно) исключаются такие весьма загруженные элементы, как интерфейсная шина и контроллер северного моста. Рисунок 1 - Различия реализации классической архитектуры и АМD-K8 PCI PCI – шина для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера – находится внутри практически каждого компьютера и, несмотря на моральное устаревание и уже недостаточную пропускную способность, продолжает оставаться основной шиной для подключения к системе внешних устройств. Тем не менее, она сдаёт позиции новой последовательной шине PCI-Express. Основные тактико-технические характеристики PCI 2.0: частота шины – 33,33 МГц, передача синхронная разрядность шины – 32 бит пиковая пропускная способность – 133 Мбит/с адресное пространство памяти – 32 бит (4 Гбайт) адресное пространство портов ввода-вывода – 32 бит (4 Гбайт) количество подключаемых устройств – до четырёх (для увеличения их количества используется мост PCI-to-PCI) напряжение 3,3 или 5В Ещё большее распространение получил стандарт 2.2. Отличия PCI 2.2 от 2.0: возможность одновременной работы нескольких устройств bus-master (так называемый конкурентный режим появление универсальных карт расширения, способных работать как в слотах 5 В, так и в 3,3 В появились расширения PCI66 и PCI64 (ширина шины может быть увеличена до 64 бит, а также допускается разгон тактовой частоты до 66 МГц – вдвое по сравнению с PCI 2.0 PCI-Express PCI-Express – это последовательный интерфейс, нацеленный на использование в качестве локальной шины и имеющий много общего с сетевой организацией обмена данными, в частности, топологию типа «звезда» и стек протоколов Для взаимодействия с остальными узлами ПК, которые так или иначе обходятся собственными шинами, основной связующий компонент системной платы – Root Complex Hub (узел, являющийся перекрёстком процессорной шины, шины памяти и PCI-Express) – предусматривает систему мостов и свитчей. Логика всей структуры такова, что любые межкомпонентные соединения непременно оказываются построенными по принципу «точка-точка», свитчи-коммутаторы выполняют однозначную маршрутизацию пакета от отправителя к получателю Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) двунаправленных последовательных соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x. Таблица 1 - Пропускная способность шины PCI Express с разным количеством связей Число линий PCI Пропускная способность соединения Суммарная пропускная Express (lane count) (link) в одном направлении способность соединения (link) 1 250 Мбайт/с 500 Мбайт/с 2 500 Мбайт/с 1 Гбайт/с 4 1 Гбайт/с 2 Гбайт/с 8 2 Гбайт/с 4 Гбайт/с 16 4 Гбайт/с 8 Гбайт/с 32 8 Гбайт/с 16 Гбайт/с PCI Express предполагает: возможности «горячей» замены карт (заложены в спецификации, опционально реализуются в серверных системах) возможности создания виртуальных каналов, гарантирования пропускной полосы и времени отклика, сбора статистики QoS (Quality of Service – качество обслуживания) возможности контроля целостности передаваемых данных (CRC) поддержка технологий энергосбережения (ACPI)
