Классификация материнских плат по форм-фактору
ЛЕКЦИЯ №2. Системная плата ПК. Микропроцессор.
Системная плата ПК
Основой системного блока ПК является системная плата, которая определяет вся конфигурацию компьютера. Все устройства, входящие в состав ПК, подключаются к этой плате с помощью расположенных на ней разъемов. Соединение всех устройств в единую систему осуществляется с помощью системной шины (магистрали), представляющей собой линии передачи данных, адреса, управления.
Рис 2.1. Структурная схема типовой системной платы на процессоре фирмы Intel.
На системной плате (часто ее называют материнской платой — motherboard), размещаются:
1. Наборы больших однокристальных электронных микросхем – чипов
(центральный процессор, чипсет, интегрированные контроллеры устройств и их
интерфейсы).
2. Микросхемы памяти и разъемы их плат.
3. Микросхемы электронной логики.
4. Разъемы системной шины (стандартов ISA, EISA, VESA, PCI, AGP, PCI-Express и
др.)
5. Простые радиоэлементы (транзисторы, конденсаторы, сопротивления и др.).
6. Слоты для подключения плат расширений (видеокарт или видеоадаптеров,
звуковых карт, сетевых карт, интерфейсов периферийных устройств IDE, EIDE,
SCSI…).
7. Разъемы портов ввода/вывода (COM, LPT, USB, PS/2 и др.).
Ядро ПК образуют микропроцессор (центральный процессор ПК) и основная память ПК, состоящая из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ОЗУ и ПЗУ часто называют внутренней памятью ПК. Все остальные устройства хранения информации называют внешней памятью, или накопителями, даже если эти накопители (НГМД, НМЖД и т.д) конструктивно входят в состав ПК и его системного блока.
Системная плата - основа системного блока. Конструктивно она представляет собой многослойную печатную плату. Содержит гнездо (Socket) для установки процессора, слоты (длинные щелевые разъемы) для установки памяти, видеоадаптера, плат расширения, разъемы для подключения внешних устройств. Для подключения внешних устройств обычно используются шины USB, PCI, PCI-Express (более старые стандарты шин – ISA, EISA, AGP).
Socket 478 [1] - конструктивное исполнение процессоров Intel. Имеет вид квадратной микросхемы с 478 выводами, торчащими вниз; [2] - гнездо на системной плате для установки такого процессора. Имеет нулевое усилие установки (Zero Inserting Force - ZIF), рычаг для фиксации/освобождения процессора и уши для крепления радиатора охлаждения.
LGA - Land Grid Array - новый тип корпуса процессоров Intel, характеризующийся отсутствием выводов как таковых. Вместо них корпус имеет 775 плоских площадок, которые при установке в гнездо входят в контакт с подпружиненными иглами в разъеме.
AGP - Accelerated Graphics Port - специализированный порт и разъем на системной плате для установки видеокарт. Является уродливым развитием стандарта PCI.
PCI - Peripheral Components Interconnect - стандарт шины для подключения устройств расширения к системной плате и встроенных устройств на самой системной плате. Имеет ширину шины 32 или 64 (для серверов) бит, частоту 33.33 (66.66) МГц. В системных платах персональных компьютеров используется версия 32 бита 33.33 МГц.
В настоящее время производители во главе с Интел развернули кампанияю по вытеснению AGP и PCI новой последовательной шиной PCI Express.
IDE - интерфейс жестких дисков и накопителей на оптических дисках. Физически выглядит как двухрядная гребенка на системной плате и на винчестерах или накопителях. Гребенки соединяются между собой ленточным шлейфом с 40 или 80 (в зависимости от скорости) жилами.
PCIexpress - новый стандарт шины для подключения устройств расширения к системной плате. Отличается последовательным способом обмена и масштабируемостью для увеличения пропускной способности. В зависимости от числа параллельно работающих последовательных каналов стандарт предусматривает разную длину разъема с обратной совместимостью устройств с меньшим числом каналов и разъемов с большим. Производители уже используют эту шину на новых системных платах и намереваются заменить ей используемые еще шины PCI и AGP.
USB – порт для подключения внешних устройств. Производители на волне всеобщего перехода на последовательные шины и экономию стратегически ценной медной проволоки стремятся заменить интерфейсом USB все ранее использовавшиеся и использующиеся еще параллельные интерфейсы LPT и последовательные COM и PS/2.
IEEE1394 - это тоже последовательный интерфейс для внешних устройств, но более скоростной, чем USB. Если через USB могут работать клавиатуры, мыши, принтеры, сканеры, модемы, внешние дисководы и прочее медленное оборудование, то пропускной способности IEEE1394 хватает для перекачки видео, и используется этот интерфейс для подключения цифровых видеокамер, скоростных внешних DVD-приводов, сканеров.
Платформа - это совокупность базовых характеристик системной платы - на какой процессор она рассчитана, какой тип памяти, видео, устройств ввода-вывода она поддерживает. Например, можно говорить об "интеловской платформе" или "АМДэшной платформе" - так как процессоры этих двух производителей имеют различные конструктивные и логические особенности, сразу становится понятно, что в первом случае имеется в виду система на базе процессора Интел, во втором - АМД.
Внутри этой глобальной классификации тоже можно выделить свои "платформы". Например, Интел приложила героические усилия по смене платформы. Сложившаяся было платформа на базе процессора в конструктиве Socket 478, памяти DDR, видео AGP, интерфейса устройств расширения PCI и накопителей IDE, портов LPT и COM, по мнению Интел, должна была быть заменена на платформу с процессором в корпусе LGA 775, памятью DDR2, видео и устройств расширения PCI Express, накопителей SATA, а порты должны быть исключительно USB и IEEE1394.
Основные компоненты, установленные на материнской плате:
· ЦП
· набор системной логики (англ. chipset) — набор микросхем, обеспечивающих подключение ЦПУ к ОЗУ и контроллерам периферийных устройств. Как правило, современные наборы системной логики строятся на базе двух СБИС: «северного» и «южного мостов».
· Северный мост (англ. Northbridge), MCH (Memory controller hub), системный контроллер — обеспечивает подключение ЦПУ к узлам, использующим высокопроизводительные шины: ОЗУ, графический контроллер.
Для подключения ЦПУ к системному контроллеру могут использоваться такие FSB-шины, как Hyper-Transport и SCI.
Обычно к системному контроллеру подключается ОЗУ. В таком случае он содержит в себе контроллер памяти. Таким образом, от типа применённого системного контроллера обычно зависит максимальный объём ОЗУ, а также пропускная способность шины памяти персонального компьютера. Но в настоящее время имеется тенденция встраивания контроллера ОЗУ непосредственно в ЦПУ (например, контроллер памяти встроен в процессор в AMD K8), что упрощает функции системного контроллера.
В качестве шины для подключения графического контроллера на современных материнских платах используется PCI Express. Ранее использовались общие шины (ISA, VLB, PCI) и шина AGP.
· Южный мост (англ. Southbridge), ICH (I/O controller hub), периферийный контроллер — содержит контроллеры периферийных устройств (жёсткого диска, Ethernet, аудио), контроллеры шин для подключения периферийных устройств (шины PCI, PCI-Express и USB), а также контроллеры шин, к которым подключаются устройства, не требующие высокой пропускной способности (LPC — используется для подключения загрузочного ПЗУ; также шина LPC используется для подключения мультиконтроллера (англ. Super I/O) — микросхемы, обеспечивающей поддержку «устаревших» низкопроизводительных интерфейсов передачи данных: последовательного и параллельного интерфейсов, контроллера клавиатуры и мыши).
Как правило, северный и южный мосты реализуются в виде отдельных СБИС, однако существуют и одночиповые решения. Именно набор системной логики определяет все ключевые особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.
· ОЗУ (некоторая часть оперативной памяти может располагаться прямо на плате)
· загрузочное ПЗУ — хранит ПО, которое исполняется сразу после включения питания. Как правило, загрузочное ПЗУ содержит BIOS, однако может содержать и ПО, работающие в рамках EFI.
Классификация материнских плат по форм-фактору
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. Спецификация форм-фактора определяет обязательные и опциональные компоненты. Однако подавляющее большинство производителей предпочитают соблюдать спецификацию, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость материнской платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт расширения) других производителей.
· Устаревшие: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата AT; LPX.
· Современные: АТХ; microATX; Flex-АТХ; NLX; WTX, CEB.
· Внедряемые: Mini-ITX и Nano-ITX; Pico-ITX; BTX, MicroBTX и PicoBTX
Существуют материнские платы, не соответствующие 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 «бренд», 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 году, когда многие производители уже создали собственные платформы).
Табл. 2.1.
| Форм-фактор | Физические размеры | Спецификация, год | Примечание |
| XT | 8,5 х 11" (216 х 279 мм) | IBM, 1983 | архитектура IBM PC XT |
| AT | 12 х 11"–13" (305 х 279–330 мм) | IBM, 1984 | архитектура IBM PC AT (Desktop/Tower) |
| Baby-AT | 8,5" х 10"–13" (216 х 254-330 мм) | IBM, 1990 | архитектура IBM PC XT (форм-фактор считается недействительным с 1996 г.) |
| ATX | 12" х 9,6" (305 х 244 мм) | Intel, 1995 | для системных блоков типов MiniTower, FullTower |
| ATX Riser | Intel, 1999 | для системных блоков типа Slim | |
| eATX | 12" х 13" (305 х 330 мм) | ||
| Mini-ATX | 11,2" х 8,2" (284 х 208 мм) | для системных блоков типа Tower и компактных Desktop | |
| microATX | 9,6" х 9,6" (244 х 244 мм) | Intel, 1997 | имеет меньше слотов, чем ATX, также возможно использование меньшего PSU |
| LPX | 9" х 11"–13" (229 х 279–330 мм) | Western Digital, 1987 | для системных блоков типа Slim |
| Mini-LPX | 8"–9" х 10"–11" (203–229 мм х 254–279 мм) | Western Digital, 1987 | для системных блоков типа Slim |
| NLX | 8"–9" х 10"-13,6" (203–229 мм х 254–345 мм) | Intel, 1997 | предусмотрен AGP, лучшее охлаждение чем у LPX |
| FlexATX | 9,6" х 7,5"-9.6" (244 х 190-244 мм) | Intel, 1999 | разработан как замена для форм-фактора MicroATX |
| WTX | 14" × 16,75" (355,6 х 425,4 мм) | для высокопроизводительных рабочих станций и серверов среднего уровня | |
| Mini-ITX | 6,7" х 6,7" (170 х 170 мм) | VIA Technologies, 2003 | допускаются только 100 Вт блоки питания |
| Nano-ITX | (120 х 120 мм) | VIA Technologies, 2004 | |
| BTX | 12,8" х 10,5" (325 х 267 мм) | Intel, 2004 | допускается до 7 слотов и 10 отверстий для монтажа платы |
| MicroBTX | 10,4" х 10,5" (264 х 267 мм) | Intel, 2004 | допускается до 4 слотов и 7 отверстий для монтажа платы |
| PicoBTX | 8,0" х 10,5" (203 х 267 мм) | Intel, 2004 | допускается 1 слот и 4 отверстия для монтажа платы |
| ETX и PC-104 | используются для встраиваемых (embedded) систем | ||
| CEB | 12" х 10,5" (305 х 267 мм) | для высокопроизводительных рабочих станций и серверов среднего уровня | |
| Pico-ITX | 3,9" х 2,7" (100 х 72 мм) | VIA, 2007 | используются в ультракомпактных встраиваемых системах |
Системная шина
Системная шина — основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.
Системная шина включает в себя:
- шину данных, содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;
- шину адреса, содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
- шину команд, содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;
- шину питания, содержащую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.
Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему контроллер шины, формирующий основные сигналы управления.
Шина - совокупность проводников и протоколов передачи сигналов управления и данных по ним для организации передачи информации между устройствами. На заре появления микропроцессорных систем были изобретены параллельные шины, позволяющие подключать на одни и те же линии данных, адресов и управления несколько устройств. Например, процессор 8080 имел 8-разрядную шину данных и 16-разрядную шину адреса. Если не подключать все устройства параллельно к одной шине, тогда всю эту кучу проводов нужно будет тащить к каждому устройству отдельно, и микропроцессорная система и плата под нее неимоверно усложнится. Параллельное подключение устройств позволяет экономить линии шин данных и адреса, но требует от устройств, чтобы они могли, кроме перевода линий шин в высокое и низкое логические состояния, еще и отключаться от шины во избежание конфликтов. Выбор активного устройства производится путем декодирования состояния линий шины адреса, а направление передачи по параллельной шине определяется сигналами чтения и записи. Название «параллельная» определяется тем, что разряды данных, адреса или команды пересылаются одновременно – каждый разряд по своей линии передачи.
Обычно ведущим устройством (активным) на шине выступает процессор, но активными могут быть и другие устройства - например, контроллер прямого доступа к памяти (DMA - Direct Memory Access) может брать на себя управление шиной, и тогда процессор отключается от нее, давая возможность передать данные непосредственно в/из памяти, что получается быстрее и без прерывания выполняемой программы. В спецификации шины PCI, например, предусмотрен режим Bus Mastering, позволяющий получать управление шиной не только процессору или контроллеру DMA, но и другим устройствам на шине, если они достаточно интеллектуальны, чтобы это делать.
В последнее время наблюдается стремление разработчиков аппаратуры перейти от параллельных шин к последовательным. Объясняется это сложностями синхронизации обмена по параллельным шинам на высоких частотах - если физические проводники, реализующие шину, будут иметь различие по длине, на высоких частотах это приведет к расхождению фронтов сигналов на разных проводниках, увеличению времени, необходимого для установления переходных процессов перед подачей сигналов записи или чтения и, тем самым, ограничению максимальной скорости передачи и быстродействия устройств. Кроме того, увеличение разрядности процессоров, требует увеличения разрядности шин и количества выводов процессора, что делает систему громоздкой и ненадежной. Последовательные шины реализуются более простыми физическими средствами, но требуют более сложных устройств для передачи и приема, поскольку требуется преобразование информации из параллельной формы в последовательную и обратно, а при передаче формирование избыточных кодов для надежной передачи и коррекции ошибок, если они возникают. Последовательные шины более просты механически, более устойчивы к помехам и в перспективе имеют более широкие перспективы для перехода на высшие скорости обмена.
К шине подключаются адаптеры или контроллеры, служащие для согласования работы устройства с остальными блоками ПК.
Адаптер – блок для соединения устройств, использующих различные интерфейсы.
Контроллер – то же, что и адаптер, только с некоторыми самостоятельными функциями, способен выполнять собственные программы управления.
Микропроцессор
Микропроцессор (МП) — центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.
Микропроце́ссор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем.
История микропоцессоров
В конце 1970 г. компания Intel приступила к выпуску первого в мире микропроцессора модели 4004. Он был четырехразрядным, то есть за одну операцию (такт) обрабатывал одно 4-разрядное число. В 1972 г. Intel разработала 8-разрядный микропроцессор модели 8008, а в 1978 г. — первый 16-раз рядный процессор 8086. Он стал базой для персональных компьютеров IBM PC XT, ставших стандартом де-факто для всей компьютерной индустрии. Затем появились процессоры 80286, 80386 (первый 32-разрядный процессор), 80486. С появлением в 1995 г. процессоров Pentium начался новый этап развития персональных компьютеров, когда они стали не только рабочим инструментом, но и домашним, бытовым устрой ством повседневного использования.
В 1995 г. персональный компьютер, оснащенный процессором Pentium 100 и 16 Мбайт оперативной памяти, стал продаваться по цене ниже 3000$. Видимо, этот рубеж стал психологическим барьером, поскольку продажи росли с космической скоростью вплоть до насыщения рынка, когда в развитых странах 80-85% семей стали владельцами ПК. Поначалу главными покупателями выступали студенты и аспиранты, затем к ним подключились школьники и их родители. В последнее время в мире продается около 200 миллионов ПК в год, а средняя цена настольной персоналки не превышает 1000$.
С 1995 г. и по настоящее время различные фирмы выпустили свыше 120 моделей процессоров для персональных компьютеров. Некоторые из них стали знаковыми явлениями в компьютерной индустрии. Основными производителями процессоров для ПК в рассматриваемый период стали компании Intel и AMD. Корпорация Intel с 1995 г. и по настоящее время использовала семь моделей платформ с различными интерфейсами про цессоров: от Socket 5 до Socket 775. Компания AMD использовала немного меньше — пять платформ (от Socket 7 до Socket 939). Таким образом, в среднем актуальность платформы сохранялась в течение полутора-двух лет.