Рис. 5.4. Системная плата ТС430НХ
Системные платы
9. Разъем типа Socket 7 для микропроцессора.
10. Микросхемы кэш-памяти 2-го уровня.
11. Разъем питания материнской платы (два раздельных напряжения питания 2,8 и 3,3 В).
12. Регулятор напряжения.
13. Разъемы (слоты) для микросхем оперативной памяти.
14. Разъем для подключения вентилятора микропроцессора.
15. Разъем для подключения дисководов гибких дисков.
16. Набор системных микросхем — чипсет i430HX.
17. Разъемы передней панели.
18. Разъем первичного канала дискового интерфейса IDE.
19. Разъем вторичного канала дискового интерфейса IDE.
20. Аккумулятор для системы CMOS (в том числе и для внутреннего таймера).
21. Интегральная схема контроллера шин PCI/ISA/IDE.
22. Блок конфигурационных перемычек («джамперов»).
23. Пьезоэлектрический системный динамик.
24. Интегральная схема контроллера ввода-вывода (для универсальной шины USB), поддерживающего интерфейсы гибких дисков, последовательных и параллельного порта, часов реального времени (таймера), контроллера клавиатуры и т. д.
|
|
Глава 5. Микропроцессоры и системные платы
25. Видеопамять — память графики типа EDO (2 Мбайта).
26. Видеокарта — графический контроллер S3 VIRGE, поддерживающий растровую и трехмерную графику.
27. Разъемы шины расширения ISA.
28. Разъем для внешних адаптеров работы с видео.
29. Разъемы расширения локальной шины PCI.
В настоящее время десятки фирм выпускают большое число различных системных плат, отличающихся и конструктивно, и по типу поддерживаемых ими микропроцессоров, и по тактовой частоте их работы, и по величине рабочих напряжений и т. д.
Тип системной платы определяет прежде всего базовый микропроцессор. Поскольку микропроцессоры фирмы Intel и процессоры некоторых других фирм, в частности фирмы AMD, используют электрически разные интерфейсы и геометрически разные разъемы, то следует разделить все материнские платы на две группы по типу процессорного разъема: «интеловские» СП и прочие. Поскольку МП фирмы Intel распространены гораздо шире, в дальнейшем основное внимание уделим именно им. Так, по типу поддерживаемых Intel-микропроцессоров, СП можно разделить на следующие группы:
□ платы, рассчитанные на МП 8086, 8088, в новых компьютерах они уже не применяются более десятка лет, но кое-где, особенно в нашей стране, их найти еще можно;
□ платы для МП 80286 тоже устарели, но кое-где еще используются (для МП 80386 и выше непригодны);
□ платы для микропроцессоров 80386 и 80486 — используются в соответствующих ПК прежних лет выпуска; следует иметь в виду, что системные платы, установленные в компьютерах с МП 80386, часто не пригодны для установки МП 80486, а в компьютерах с МП 80486 чаще всего несовместимы с МП Pentium (в случае модернизации (upgrade) при замене МП приходится менять и системные платы); некоторые из плат этой группы позволяют устанавливать дополнительно МП Over Drive, расширяющий характеристики основного микропроцессора до уровня характеристик МП Pentium. В этой группе определены многие важные параметры системных плат, характеризующие современные СП и поныне, в частности, стандартным стал тип микропроцессорного разъема с нулевым усилием сочленения (тип ZIF — Zero Insertion Force), что позволяет проводить замену МП в домашних условиях без применения специальных инструментов;
|
|
□ платы для МП Pentium и Pentium Pro рассчитаны на напряжения питания 3,3 В и 5 В и тактовые частоты 60, 66, 75 МГц. СП, ориентированные на МП Pentium Pro, отличаются лишь другим процессорным разъемом и отсутствием кэшпамяти второго уровня, которая интегрирована непосредственно на плату МП;
□ платы для МП Pentium MMX, отличающиеся от плат для МП Pentium и Pentium Pro двумя раздельными напряжениями питания (2,8 В и 3,3 В), наличи-
Системные платы
ем модифицированного процессорного разъема Socket 7 и специальной микросхемы BIOS, поддерживающей ММХ;
О СП для МП Pentium II (а также и Celeron) имеют разъем Slot 1 или Socket 370, пониженное напряжение питания 2,0 В; у них отсутствует кэш-память 2-го уровня. Материнские платы этой группы (в частности с чипсетами iBX) впервые могут работать с тактовыми частотами 100, 133, 150 МГц;
□ СП для микропроцессоров Pentium III с новыми разъемами типа Socket 370 (для Xeon — Slot 2) используют еще более низкие напряжения — 1,65 В и работают с чипсетами iBX, iGX, iZX, i810, i815, i820, i840, VIA Apollo Pro и некоторыми другими, поддерживающими тактовые частоты от 100 до 266 МГц;
□ СП для микропроцессоров Pentium 4 с разъемами Socket 423 или Socket 478, раздельными напряжениями питания 5 уровней от 1,1 В до 1,8 В, на чипсете i850 поддерживающие тактовые частоты до 400 МГц.
Важным параметром системной платы является тактовая частота (FSB) на которой она работает: современные СП имеют рабочие частоты 100, 133, 150, 200, 266 и даже 400 МГц. Этот параметр особенно влияет на производительность ПК, выполняющего задания, не содержащие большого количества математических операций, а связанные с процедурами пересылки информации (например, большинство преобразований экономической информации).
Socket 7, Slot l, Socket 370, Socket 8, Slot 2, Slot A, Socket 423 — процессорные разъемы, установленные на материнской плате. Спецификация разъема определяет как сам конструктив разъема, так и назначение контактов, электрические параметры, определяет порядок взаимодействия с шинами данных, особенности взаимодействия с оперативной памятью и т. п.
Существуют различные базовые типоразмеры (форм-факторы) плат. Форм-фактор определяет не только внешние размеры системных плат, но и ряд специфических параметров, характеризующих функциональные и эксплуатационные свойства СП:
□ Full-size Л Г размером 12 х 13,8 дюйма (использовались в первых моделях IBM
PC, сейчас не выпускаются);
О Baby AT — имеют ширину 8,57 и длину 13,04 дюйма, и их разновидность Mini AT — 8,57 х 9,85 дюйма; они могут устанавливаться во все корпуса, кроме Slim line (выпускаются, но также постепенно устаревают);
О полномасштабные платы Л Г отличаются от Baby AT только размером — ширина их составляет 12 дюймов, что затрудняет их установку в корпус;
a LPX и Mini LPX размером 9 х 13 и 8,2 х 10,4 дюйма, соответственно — устанавливаются в сверхнизкие корпуса SlimLine;
а АТХ — самый распространенный типоразмер системной платы, 9,6 х 12 дюймов, отличающийся от Baby AT более удобным расположением элементов на плате (позволяет легко без снятия платы менять ее элементы), лучшей вентиляцией (не требуется устанавливать отдельный вентилятор на микропроцессор), наличием разъема новой универсальной шины USB и возможностью дистанционного выключения питания компьютера с модема или по локальной сети. На плате установлены разъемы только под модули оперативной памяти DRAM. В 1997 году была представлена модификация MiniATX — СП размером 9,6 х 9,6 дюймов.
|
|
Глава 5. Микропроцессоры и системные платы
Системные платы поддерживают разные виды интерфейсных системных, локальных и периферийных шин. От состава поддерживаемых шин, количества слотов для этих шин, имеющихся на СП, существенно зависит эффективность работы ПК в целом. От типа используемого на СП набора системных микросхем (чипсета) зависят многие важные характеристики ПК. Чипсеты определяют во многом тактовую частоту шин СП, обеспечивают надлежащую работу микропроцессора, системной шины, интерфейсов взаимодействия с оперативной памятью и другими компонентами ПК. В частности, они содержат в себе контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти, микросхемы управления памятью и шиной — все те компоненты, которые в оригинальной IBM PC были собраны на отдельных микросхемах. Обычно в одну из микросхем набора входят также часы реального времени с CMOS-памятью и иногда — контроллер клавиатуры, однако эти блоки могут присутствовать и в виде отдельных микросхем. В последних разработках в состав микросхем наборов для интегрированных плат стали включаться и контроллеры внешних устройств. Тип набора в основном определяет функциональные возможности платы:
□ типы поддерживаемых процессоров;
□ структуру и объем кэш-памяти;
□ возможные сочетания типов и объемов модулей памяти;
□ поддержку режимов энергосбережения;
□ возможность программной настройки параметров и т. п.
Современные системные наборы состоят из двух базовых микросхем с условными именами северный мост (North bridge) и южный мост (South bridge). Северный мост обеспечивает управление четырьмя компонентами: шиной оперативной памяти, интерфейсными шинами PCI, AGP и системной шиной МП, поэтому его иногда называют 4-портовым контроллером. Южный мост имеет в своем составе контроллеры (адаптеры) дисководов, клавиатуры, мыши, управляет интерфейсными шинами IDE/ATA, SCSI, USB, IEEE 1284; его также называют функциональным контроллером.
|
|
Наиболее известные наборы микросхем для СП выпускает фирма Intel. Сейчас популярны ее чипсеты 440ВХ, 440GX, 440ZX, 810, 815, 820, 840 и последние, разработанные для МП Pentium 4. Распространены также весьма удачные микросхемы фирмы VIA Technologies — VIA Apollo, фирм Acer Laboratories, Silicon Integrated System и т. д.
В начале 2003 года для МП Pentium 4 выпускались следующие наиболее популярные чипсеты: i850 (850E), i845 (845D, 845Е, 845РЕ, 845GE, 845GV), i875 (875Р, 865), SIS 645, VIA 266.
Типы чипсетов и их модификации различаются типами поддерживаемых микропроцессоров и памяти DRAM (SDRAM, DRDRAM, DDR SDRAM), частотой процессорной шины между мостами (133, 266, 400, 533, 800 МГц), вариантами схем мостов, версиями поддерживаемых протоколов UDMA, AGP, Ethernet, USB, наличием встроенного видеоадаптера и др.
Например, чипсетов i845 для работы с памятью DDR выпущено несколько модификаций:
□ i845 поддерживает только память SDRAM — PC133;
□ i845D поддерживает DDR133 - РС2100;
Системные платы
□ i845E имеет шину 533 МГц и поддерживает DDR;
□ i845PE поддерживает DDR - РС2700;
□ i845GV поддерживает DDR и встроенную графику, имеет шину AGP;
□ i845GE поддерживает DDR и встроенную графику;
□ чипсет i875D поддерживает память DDR, i865 — упрощенный вариант i875.
Чипсет i850E поддерживает RDRAM PC1066 и частоту шины 533 МГц, обеспечивая самую производительную (4200 Мбайт/с) на начало 2003 года платформу на основе МП Pentium 4.
Многие новые версии чипсетов поддерживают прямой 2-канальный доступ к памяти, 6 портов USB 2.0 и технологию Hyper-Threading, позволяющую организовать многопроцессорный режим даже при наличии только одного установленного МП (один физический процессор представляется операционной системе как два логических, и она, не видя разницы, направляет потоки как на двухпроцессорную систему).
Сравнительные характеристики некоторых популярных чипсетов представлены в табл. 5.2.
Таблица 5.2 | . Сравнительные характеристики чипсетов | ||||
Параметр | Частота шины (МГц) | Поддержка SDRAM | Макс, объем оперативной памяти | Пиковый обмен с памятью Мбайт/с | Макс, число слотов DIMM/ RIMM |
Intel 440BX | 66, 100,133 | РС66, РС100, PC 133, | 1024 Мбайт | 800-1064 | |
Intel 815 | 66, 100,133 | PC 100, РС133 | 512 Мбайт | ||
Intel 820 | 100,133 | RDRAM | 1024 Мбайт | ||
Intel 850 | RDRAM 300 и 400 МГц | ||||
Intel 845D | РС266, DDR SDRAM | ||||
Intel 875 | PC266, DDR SDRAM | ||||
VIA 133A | 66, 100,133 | PC66, PC100, PC133 | |||
VIA 266A | PC266, DDR SDRAM |
Системная плата имеет разъемы {слоты) для установки определенных модулей оперативной памяти. Для модулей ОЗУ используются 30-, 72- и 168-контактные разъемы и они сгруппированы в 2-4 слотах. Слоты с 30 и 72 контактами рассчитаны на модули памяти типа SIMM, которые в новых машинах уже не используются; 168-контактные слоты предназначены для современных модулей DIMM. С точки зрения поддерживаемой оперативной памяти, важными характеристи-
Глава 5. Микропроцессоры и системные платы
ками СП являются также число слотов памяти, рабочая тактовая частота памяти (например память РС100, РС133 и т. п.), общая емкость поддерживаемой памяти (так, чипсет i815 обеспечивает работу только 512 Мбайт памяти, в то время как 440ВХ, i820 и VIA Apollo - 1024 Мбайт).
На системных платах может размещаться дополнительная кэш-память второго уровня (Cache Level 2), которая предназначена для ускорения процесса обмена данными между процессором и оперативной памятью и служит для временного хранения часто используемых данных и команд, снимая во многих случаях необходимость обращения к более медленной оперативной памяти.
Расположенная непосредственно на материнской плате кэш-память относится, как правило, ко второму уровню, так как во многих процессорах уже имеется встроенная в кристалл кэш-память первого уровня. Объем Cache Level 2 на СП варьируется от 128 до 1024 Кбайт: микросхемы кэш-памяти выполнены в корпусах типа DIP или SOP и устанавливаются либо в соответствующие разъемы DIP-панельки, либо распаиваются непосредственно на плате. Синхронная кэшпамять может размещаться в специальных модулях COAST, очень напоминающих модуль SIMM и устанавливаемых в специальный разъем.
Современные модели процессоров Pentium II, III и 4 имеют Cache Level 2 на плате самого процессора, поэтому для них кэш-память на материнской плате может отсутствовать. На системной плате (в новых моделях обычно в составе микросхем чипсета) располагается микросхема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), содержащая программы BIOS, необходимые для управления многими компонентами компьютера. BIOS доступна постоянно, независимо от работоспособности внешних компонентов, таких, например, как системные загрузочные диски (назначение BIOS более подробно рассмотрено в разделе «Операционные системы ПК» главы 10). В BIOS есть программа, которая называется System Setup — именно с ее помощью пользователь управляет самыми глубокими настройками системы.
В современных материнских платах используются, как правило, микросхемы Flash BIOS, программы в которых могут перезаписываться при помощи специальных средств, что облегчает модернизацию этих программ при появлении новых устройств, которым нужно обеспечить поддержку (например, новых типов микросхем оперативной памяти). У Flash BIOS есть один существенный недостаток. Существует много вирусов, которые, попав в систему, просто стирают все содержимое Flash BIOS, после чего системная плата выходит из строя. Самый известный из подобных вирусов — печально известный «Чернобыль», который испортил очень большое количество компьютеров. От вирусов можно защититься только одним способом — в System Setup запретить перезапись содержимого BIOS. Если эта опция активизирована, то ни один вирус ничего сделать не сумеет.
Важным компонентом, размещенным на системной плате (часто в системном чипсете), является микросхема CMOS-памяти. Она питается от своего локального аккумулятора (батарейки) и поэтому является энергонезависимой (сохраняет информацию при отключении компьютера от сети). Название CMOS произошло от названия технологии исполнения ее элементов. Память хранит информацию о параметрах многих устройств, входящих в ПК. Информация в ней может изменяться по мере необходимости, то есть память отслеживает текущую конфигурацию компьютера, на что не способна микросхема BIOS. Поэтому при загрузке компьютера BIOS берет необходимую для своей работы информацию об изме-
Системные платы
няемых параметрах компонентов ПК именно из этой памяти. Так, из CMOS-памяти считывается информация об установленном МП, о типах и емкости оперативной и всех видах дисковой памяти, о работоспособности устройств компьютера и т. д. Четкое отслеживание времени (в том числе и календаря), даже в отключенном от энергосети состоянии, также связано с тем, что информация о времени хранится в CMOS-памяти.
На системных платах располагаются также перемычки («джамперы») и DIP-переключатели, используемые для конфигурирования различных компонентов: переключатели используемого напряжения (5 В, 3,5 Вит. д.), переключатели внутренней частоты МП и другие. «Джампер» представляет собой съемную перемычку, устанавливаемую на штырьковые контакты СП; DIP-переключатели — это миниатюрные выключатели в DIP-корпусе. В современных компонентах пытаются сократить количество механических переключений, перекладывая их на автоматические программно-управляемые электронные схемы. Компоненты, которые после установки конфигурируются автоматически, относят к категории PnP-устройств (PnP — Plug and Play, «Включай и работай»).
В заключение — несколько слов о системной плате ASUS P4T для процессора Pentium 4. Внешний вид этой платы показан на рис. 5.5.
Рис. 5.5. Системная плата ASUS P4T
Вот спецификация этой платы с небольшими сокращениями.
□ Процессор:
О процессор Intel Pentium 4 (однопроцессорная конфигурация) на разъеме Socket 423 с тактовой частотой 1,4-1,5 ГГц и выше;
О системная шина с возможностью передачи данных на частоте 400 МГц.
□ Чипсет (функциональная схема чипсета показана на рис. 5.6):
О северный мост: Intel 82850 Memory Controller Hub (MCH);
О южный мост: Intel 82801 I/O Controller Hub 2 (ICH2);
О интерфейс с южным мостом — 8-разрядный, 4 х 66 МГц Hub Interface. Микросхема Intel 82802AB Firmware Hub (FWH).
Глава 5. Микропроцессоры и системные платы
Рис. 5.6. Функциональная схема чипсета i860
□ Системная память:
О 4 слота RIMM;
О поддержка двух каналов РС800/РС600 RDRAM памяти общей емкостью до 2 Гбайт;
О поддержка ЕС С (Error Checking and Correction) — режима автоматического обнаружения и исправления одиночных битов в хранимых числах (применяется код Хэмминга — глава 20).
□ Слоты интерфейсов расширения:
О 1 AGP Pro/AGP слот для 66 МГц AGP-интерфейса с поддержкой режима
четырехкратного умножения (4х); О 5 слотов PCI.
□ Порты ввода-вывода:
О 1 порт для дисковода, 2 последовательных и 1 параллельный порты, порты для мыши и клавиатуры;
О 2 встроенных и 2 дополнительных порта USB.
□ Интегрированный IDE-контроллер:
О 2 канала IDE, поддерживающие протоколы АТАЗЗ/66/100 (до четырех ATAPI-устройств).
a BIOS:
О 4-мегабитовая Flash ROM;
О Award BIOS с поддержкой РпР и режима энергосбережения.
□ Форм-фактор:
О Standard ATX 24,4 х 30,5 см (9,6 х 12,0 дюйма). Значимость этих данных в плане пропускной способности каждой подсистемы отражена в табл. 5.3.
Внутримашинные системный и периферийный интерфейсы
Таблица 5.3. Пропускная способность интерфейсов СП Р4Т