Надо Знать

добавить знаний



Материнская плата


PC-Architecture.png

План:


Введение

Системная плата
Maticnaploca.jpg
PC-Architecture.png

Материнская плата, системная плата, базовая плата [1] ( англ. motherboard ), Известная также как главная плата ( англ. mainboard ) - плата, на которой содержатся основные компоненты компьютера, обеспечивающие логику работы.


1. Назначение

На системной плате монтируется чипсет, это микросхемы, которые обеспечивают и контролируют логику функционирования платы, на плате также располагаются разъемы для подключения центрального процессора, графической платы, звуковой платы, жесткий дисков, оперативной памяти и другие разъемы.

Все основные электронные схемы компьютера и необходимые дополнительные устройства включаются в системную плату, или подключаются к ней с помощью слотов расширения. Важнейшей частью системной платы является чипсет, состоящий, как правило, из двух частей - северного моста (Northbridge) и южного моста (Southbridge). Обычно северный и южный мост расположены на отдельных микросхемах. Именно северный и южный мосты определяют, в значительной степени, особенности системной платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.

Современная системная плата ПК, как правило, включает чипсет, осуществляющий взаимодействие центрального процессора с ОЗУ и основной оперативной памятью, с портами ввода / вывода, со слотами расширения PCI Express, PCI, а также правило, с USB, SATA и IDE / ATA. Большинство устройств, которые могут присоединяться к системной плате, делают это с помощью одного или нескольких слотов расширения или сокетов, а некоторые современные системные платы поддерживают беспроводные устройства, использующие протоколы IrDA, Bluetooth, или 802.11 ( Wi-Fi). На сайте фирмы Intel приведен описание ее системных плат, см. например http://www.intel.com/cd/products/services/emea/rus/motherboards/321879.htm.

На системной плате содержатся смонтированы:

  • слоты DIMM для установки модулей памяти типа SDRAM, DDR, DDR2.. (Разные для каждого типа памяти). Чаще всего их 3-4, хотя на компактных платах можно встретить только 1 или 2 таких слота;
  • специализированный разъем типа AGP или PCI-Express для установки видеокарты. Впрочем, последнее время, с повальным переходом на видеоинтерфейс последнего типа, часто встречаются платы с двумя, а то и с тремя видеорознимамы. Также встречаются и системные платы (с дешевых) без видеорознимив вообще - их чипсеты имеют встроенное графическое ядро, и внешняя графическая карта для них необязательна;
  • рядом со слотами для видеокарт обычно находятся слоты для подключения дополнительных карт расширения стандартов PCI или PCI-Express х1 (раньше встречались еще и слоты ISA, но сейчас такие платы - музейная редкость);
  • интерфейсы ( IDE и / или современный Serial ATA) для подключения дисковых накопителей - жестких дисков и оптических приводов. Также там до сих пор находится разъем для floppy-дисковода (3,5 "дискеты), хотя все идет к тому, что от него вскоре окончательно откажутся. Все дисковые накопители подключаются к системной плате с помощью специальных кабелей в разговорной речи называют" шлейфами " ;
  • недалеко от процессора располагаются разъемы для подключения питания (чаще всего два типа - 24-контактный ATX и 4-контактный ATX12V для дополнительной линии +12 V) и двух-, трех-или чотирифазний модуль регулирования напряжения VRM (Voltage Regulation Module), состоящий из силовых транзисторов, дросселей и конденсаторов. Этот модуль преобразует, стабилизирует и фильтрует напряжение подается от блока питания;
  • заднюю часть системной платы занимает панель с разъемами для подключения дополнительных внешних устройств - монитора, клавиатуры и мыши, сетевых-, аудио-и USB-устройств и т.д.;
  • кроме перечисленных слотов и разъемов, на любой системной плате имеется большое количество вспомогательных джамперов (перемычек) и разъемов: это могут быть и контакты для подключения системного динамика, кнопок и индикаторов на передней панели корпуса, и разъемы для подключения вентиляторов, и контактные колодки для подключения дополнительных аудиорознимив и портов USB и FireWire.

На каждой системной плате в обязательном порядке имеется специальная микросхема памяти, чаще установлена ​​специальная панельку; впрочем, отдельные производители, с целью экономии впаивают ее в плату. Микросхема содержит прошивку BIOS и батарею, которая обеспечивает питание при пропадании внешнего напряжения. Таким образом, с помощью всех этих слотов и разъемов, а также дополнительных контроллеров, системная плата объединяет все устройства, входящие в состав компьютера, в единую систему.

Mouse & keyboard
USB (Universal serial bus)
Parallel port
CPU Chip
RAM slots
Floppy controller
IDE controller
PCI slot
ISA slot
CMOS Battery
AGP slot
CPU slot
Power supply plug in

2. Комплектация

Современные системные платы поставляются как правило в отдельных коробках, и комплектуются:

  • всеми необходимыми кабелями для подключения периферии внутри корпуса компьютера, и пластиной для внешней периферии;
  • документацией (необходима для конфигурирования)
  • драйверами для интегрированных на плате компонентов и дополнительным программным обеспечением.

Вариант поставки для производителей компьютеров (OEM) для экономии расходов содержит два десятка плат в одной коробке, но с полной комплектацией.


3. Классификация системных плат по форм-фактору

Форм-фактор системной платы - стандарт, определяющий размеры системной 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 ' памяти, а также тип разъема для подключения блока питания.

Форм-фактор (как и любые другие стандарты) носит рекомендательный характер, однако подавляющее большинство производителей стараются их придерживаться, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость системной 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; Pico-ITX; BTX, MicroBTX и PicoBTX.

Существуют системные платы несоответствующие никаким из существующих форм-факторов (см. таблицу). Обычно это обусловлено либо тем, что производимый компьютер узко специализированный, либо желанием производителя системной платы самостоятельно производить и периферийные устройства к ней, или невозможностью использования стандартных компонентов (так называемый "бренд", например Apple Computer, Commodore, Silicon Graphics, Hewlett Packard , Compaq чаще других игнорировали стандарты, кроме того в виде распределен рынок производства сформировался только к 1987 г., когда многие производители уже создали собственные платформы).

Форм-фактор Физические размеры Спецификация, год Примечания
XT 8,5 11 "(216 279 мм) IBM, 1983 архитектура IBM PC XT
AT 12 11 "-13" (305 279-330 мм) IBM, 1984 архитектура IBM PC AT (Desktop / Tower)
Baby-AT 8,5 " 10" -13 "(216 254-330 мм) IBM, 1990 архитектура IBM PC XT (форм-фактор считается недействительным с 1996).
ATX 12 " 9,6" (305 244 мм) Intel, 1995 для системных блоков типа MiniTower, FullTower
ATX Riser Intel, 1999 для системных блоков типа Slim
eATX 12 " 13" (305 330 мм)
Mini-ATX 11,2 " 8,2" (284 208 мм) для системных блоков типа Tower и компактных Desktop
microATX 9,6 " 9,6" (244 244 мм) Intel, 1997 имеет меньше слотов, чем ATX, также возможно использование меньшего блока питания (PSU)
LPX 9 " 11" -13 "(229 279-330 мм) Western Digital, 1987 для системных блоков типа Slim
Mini-LPX 8 "-9" 10 "-11" (203-229 мм 254-279 мм) Western Digital, 1987 для системных блоков типа Slim
NLX 8 "-9" 10 "-13,6" (203-229 мм 254-345 мм) Intel, 1997 предусмотрен AGP, лучшее охлаждение по сравнению с LPX
FlexATX 9,6 " 7,5" -9.6 "(244 ? -244 Мм) Intel, 1999 разработан как замена для форм-фактора MicroATX
Mini-ITX 6,7 " 6,7" (170 170 мм) VIA Technologies, 2003 допускаются лишь 100 Вт блоки питания
Nano-ITX (120 120 мм) VIA Technologies, 2004
BTX 12,8 " 10,5" (325 267 мм) Intel, 2004 допускается до 7 слотов и 10 отверстий для монтажа платы
MicroBTX 10,4 " 10,5" (264 267 мм) Intel, 2004 допускается до 4 слотов и 7 отверстий для монтажа платы
PicoBTX 8,0 " 10,5" (203 267 мм) Intel, 2004 допускается 1 слот и 4 отверстие для монтажа платы
WTX 14 " 16,75" (355,6 425,4 мм) 1999 для производительных рабочих станций и серверов среднего уровня
ETX и PC-104 используются для встроенных (embedded) систем

4. Развитие архитектуры системных плат

Функционально системную плату можно описать различным образом. Иногда такая плата содержит всю схему компьютера (одноплатные). В противоположность одноплатным, в шиноориентированих компьютерах системная плата реализует схему минимальной конфигурации, остальные функции реализуется с помощью многочисленных дополнительных плат. Все компоненты соединяются шиной. В системной плате нет видеоадаптера, некоторых видов памяти и средств связи с дополнительными устройствами. Эти устройства (платы расширения) добавляются к системной плате путем присоединения к шине расширения, которая является частью системной платы.

Первая системная плата была разработана фирмой IBM, и показанная в августе 1981 года (PC-1). В 1983 году появился компьютер с увеличенной системной платой (PC-2). Максимум, что могла поддерживать PC-1 без использования плат расширения - 64К памяти. PC-2 имела уже 256К, но наиболее важное различие заключалось в программировании двух плат. Системная плата PC-1 не могла без корректировки поддерживать наиболее мощные устройства расширения, такие как жесткий диск и улучшенные видеоадаптеры.


4.1. Микропроцессоры

Архитектура системной платы напрямую зависит от внешней архитектуры микропроцессора. В 1976 году фирма Intel начала усиленно работать над микропроцессором 8086. Размер его регистров по сравнению с 8080 был увеличен в два раза, что позволило увеличить его производительность в 10 раз. Кроме того размер информационных шин был увеличен до 16 разрядов, что дало возможность увеличить скорость передачи информации на микропроцессор и с него в два раза. Размер его адресной шины также был существенно увеличен - до 20 бит. Это позволило 8086 прямо контролировать 1М оперативной памяти.

В 1982 году Intel создала процессор 80286. Вместо 20-разрядной адресной шины 8088/8086, 80286 имел 24-разрядную шину. Эти дополнительные 4 разряда давали возможность увеличить максимум памяти адресовалась, до 16 Мб.

Intel 80386 был создан в 1985 году. С увеличением шины данных до 32 бит, число адресных линий также было увеличено до 32. Само по себе это расширение позволило микропроцессору прямо обращаться к 4Гб физической памяти. Кроме того он мог работать с 16 триллионами байт виртуальной памяти. Существует модификация процессора Intel 80386 - 386SX. Главное отличие его от 80386 это 16-битный вход / выход шины данных. Как следствие его внутренние регистры заполняются в два шага. Все процессоры семейства 486 имеют 32-разрядную архитектуру, внутреннюю кэш-память 8 Кб (у DX4 - 16 КВ). Модели SX не имели встроенного сопроцессора, он был вынесен на плату. Модели DX2 реализуют механизм внутреннего удвоения частоты (например, процессор 486DX2-66 устанавливается на 33-мегагерцовую системную плату), что позволяет поднять быстродействие практически в два раза, поскольку эффективность кэширования внутренней кэш-памяти составляет почти 90 процентов. Процессоры семейства DX4 486DX4-75 и 486DX4-100 предназначены для установки на 25-ти и 33-мегагерцовые платы.

Созданные в середине 1989 и 1995 года процессоры Pentium и Pentium Pro значительно отличались по своей архитектуре от своих предшественников. В основу архитектуры была положена суперскалярная архитектура, которая и дала возможность получить пятикратное производительность Pentium по сравнению с моделью 80486. Хотя Pentium проектировался как 32-разрядный, для связи с остальными компонентами системы использовалась внешняя 64-разрядная шина.

Процессор Разрядность шины данных Рабочая частота, МГц
i4004 4 0.75
i8008 8 0.8
i8080 8 2
i8086 16 5, 8, 10
i8088 16 5, 8
i80286 16 8, 10, 12, 16
i80386 DX 32 20; 25; 33, 40
i80386 SX 16 20; 25; 33
i80486 DX 32 25; 33; 50; 66; 75; 100; 120
i80486 SX 32 16; 20; 25; 33
Pentium 32 60; 66; 75; 90; 100; 120; 133;
Pentium Pro 32 166; 180, 200

4.2. Шины

Компьютерная шина - это канал пересылки данных совместно используется различными блоками системы. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина).

Первой системной шиной, разработанной для компьютеров PC / XT, в основе которых лежали микропроцессоры, была шина PC / XT-bus. Она была 8-и разрядной, а ее контролер обеспечивал работу на частоте микропроцессора (4,77 МГц). С появлением машин типа PC / AT, использующих 16-и разрядные микропроцессоры 80286, а позже и 80386 (версия SX), была создана шина PC / AT-bus. В связи с ростом тактовой частоты микропроцессоров до 12-16 МГц контролер выполнял ее деление пополам для обеспечения приемлемой тактовой частоты работы шины.


4.2.1. ISA

На базе этих двух шин был разработан международный стандарт ISA ( англ. Industry Standard Architecture ), Длительное время широко использовался в компьютерах. Типичная тактовая частота - 8 МГц. Деление частоты остается функцией контролеров системных шин, но поскольку произошло дальнейшее увеличение тактовой частоты микропроцессоров до 25, 33 и 50 МГц, коэффициент деления был увеличен. Кроме увеличения разрядности увеличилось количество прерываний (IRQ) и каналов прямого доступа к памяти (DMA) (в ISA 15 и 7 соответственно), а также функциональных и диагностических возможностей. В то время сохранялась преемственность системных шин, в том числе на уровне контактов разъемов. Благодаря этому в новых системах можно использовать разработанные ранее контролеры и карты. Теоретическая пропускная способность шины - 16 Мбайт / с, практически она ниже, поскольку обмен данными по шине производится за три такта работы процессора. Для слотов расширения на системной плате компьютеров с шиной ISA-16 устанавливается стандартная пара рознимов (или один сдвоенный разъем) с числом контактов 62 +36, а на шине ISA-8 устанавливается разъемы с 64-контактами.


4.2.2. EISA

С появлением 32-разрядных микропроцессоров 80386 (версия DX) фирмами Compaq, NEC и рядом других была создана 32-разрядная шина EISA ( англ. Extended ISA ), Полностью совместимая с ISA. Преемственность EISA с ISA обеспечивается использованием "двухэтажного" разъема. Первый "этаж" - стандартная шина ISA, что позволяет использовать ISA контролеры и карты, разработанные как для ISA-16, так даже и для ISA-8. Шина EISA позволяет автоматически производить конфигурацию и арбитраж запросов на обслуживание (bus mastering), что выгодно ее отличает от шины ISA.

Но из-за дороговизны реализации такие системные платы не получили популярности.


4.2.3. VLB (VESA local bus)

Локальной шиной ( англ. local bus ) Обычно называется шина, электрически выходит непосредственно на контакты микропроцессора, т.е. это шина процессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контролер, а также некоторые другие вспомогательные схемы. Работы по созданию локальной шины велись разными фирмами параллельно, но в конце концов была создана ассоциация стандартов видеооборудования - англ. Video Equipment Standard Association (VESA). Первая спецификация на стандарт локальной шины появилась в 1992 году. Много было заимствовано из архитектуры локальной шины 80486. Были разработаны только новый протокол обработки сигналов и топология разъемов.

Преимуществом VLB является высокая скорость обмена информации (шина могла работать в системе с процессором 80486DX-50). Но возникает зависимость от частоты работы процессора (конструирование плат с широким частотным диапазоном). Электрическая нагрузка не позволяет подключать более трех плат (на практике часто два). Кроме того, VLB не рассчитана на использование с процессорами, которые пришли на замену четыреста восемьдесят шестой или параллельно существовали с ними: Alpha, PowerPC и т.д.. Поэтому в середине 1993 года из ассоциации VESA вышел ряд производителей во главе с Intel. Эти фирмы создали специальную группу для разработки нового альтернативного стандарта, названного Peripheral Component Interconnect ( PCI).


4.2.4. PCI

Разработка шины и производство соответствующих компонентов заняли больше времени, чем для VLB, и первые системы с шиной PCI появились только год спустя. Строго говоря шина PCI не является локальной, а относится к классу mezzanine bus, поскольку имеет между собой и локальной шиной процессора специальный узел - согласующее городов. При этом стандарт PCI предусматривает использование контроллера, который заботится о разделении управляющих сигналов шины и процессора, и осуществляет арбитраж по шине PCI, а также акселератор. Это делает шину процессорные независимой.

Стандарт PCI предусматривает несколько способов повышения пропускной способности. Один из них - блочная передача последовательных данных (например графика, дисковые файлы), не требует времени на установку адреса каждого элемента. Более того, акселератор может накапливать информацию в буферах, что обеспечивает одновременный с чтением данных из памяти блочный обмен с периферийным устройством. Второй способ ускорения передачи - мультиплексирование - предусматривает передачу последовательных данных по адресным линиям, что удваивает пропускную способность шины. Шина PCI использует установку прерываний по уровню, что делает ее надежной и привлекательной (в отличие от VLB). Еще одно отличие - PCI работает на 33 МГц, независимо от частоты процессора. Теоретически пропускная способность шины 132 Мбайт / с. Реальная же пропускная способность несколько больше половины от теоретической. Стандарт PCI предусматривает и 64-разрядную версию. Для 32-разрядной шины PCI используется 124-контактный разъем, причем в нем предусмотрены ключи и контакты, предназначенные для оценки необходимого для работы платы расширения напряжения питания (5В или 3,3 В).


4.2.5. AGP

4.2.6. PCI Express

4.3. Развитие подсистемы памяти

5. Производители системных плат

Большую часть мирового рынка системных плат держать под собой тайваньские производители (которые впрочем активно переносят производство в континентальный Китай). Пять крупнейших поставщиков плат - это Asus, Micro-Star (MSI), Gigabyte, Elitegroup, Intel. В класі серверних системних плат найбільшими виробниками є Intel та Supermicro.

В районі 2000 року помітних виробників системних плат було більше, біля двох десятків. Але жорсткіші умови конкуренції змушують виробників другого ешелону або йти з ринку, або намагатися знайти для себе нішеву спеціалізацію.


Литература

  • Скотт Мюллер Модернизация и ремонт ПК для чайников = Upgrading and Repairing PCs. - 17 изд. - М.: "Вильямс", 2007. - С. 241-443. - ISBN 0-7897-3404-4

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам