Системная (материнская) плата

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Системная (материнская) плата задаёт, с одной стороны, фундаментальные параметры компьютера (тип процессора и памяти), определяющие возможный уровень производительности, а с другой – практические (форм-фактор, количество слотов расширения, наличие интегрированных устройств), определяющие потребительские свойства и возможную сферу применения.

Материнской платой называют основную печатную плату персонального компьютера, на которую устанавливаются все системные компоненты. От качества материнской платы зависит надежность и скорость взаимодействия различных узлов компьютера [2,стр.27]. На материнской плате располагаются:

• набор системной логики (чипсет);
• центральный процессор, сопроцессор;
• оперативная (основная) память;
• кэш-память;
• базовая система ввода-вывода (BIOS);
• набор дополнительных микросхем поддержки кэш-памяти, основной памяти, системных шин и т.п.;
• системная шина (или набор шин, например PCI ISA и др.);
• связанные с системной шиной унифицированные разъёмы (слоты, порты);
• гнёзда увеличения ресурсов;
• контроллеры и адаптеры периферийных устройств;
• генератор тактовой частоты.

Как видим, у материнской платы большой набор компонентов, которые влияют на работу всего компьютера. Вся эта конструкция устанавливается в корпусе системного блока на специальных пластмассовых стойках и крепится винтами.

Рассматривая виды материнских плат, необходимо отметить, что они напрямую зависят от форм-фактора, т.е. от типоразмера. Форм-фактор – стандарт (спецификация), определяющий размеры материнской платы, расположение крепежных отверстий, сокета центрального процессора, слотов оперативной памяти, интерфейсов шин, портов ввода/вывода, разъемов для подключения питания.

 

 

 

 

 

 

1. ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА

 

В результате, могут возникать сбои в работе даже сверхнадёжных и дорогих компонентов ЭВМ. Поэтому основная задача при производстве печатной платы так разместить сигнальные дорожки, чтобы минимизировать действие помех на передаваемые сигналы. Для этого печатную плату делают многослойной, многократно увеличивая полезную площадь печатной платы и расстояние между дорожками. Обычно современные материнские платы имеют шесть слоёв: три сигнальных слоя, слой заземления и две пластины питания. Однако количество слоёв питания и сигнальных слоёв может варьироваться, в зависимости от особенностей материнских плат.

На печатной плате располагаются все основные компоненты и разъёмы для подключения плат расширения и периферийных устройств. Рассмотрим более подробно все компоненты материнской платы.

 

 

 

 

 

2. КОМПОНЕНТЫ МАТЕРИНСКОЙ ПЛАТЫ

 

2.1 Чипсет

 

Контроллеры, обеспечивающие взаимодействие МП с памятью, графической подсистемой, устройствами ввода-вывода и т.д. изготавливаются обычно в виде комплекта микросхем, который называется чипсетом. «Сбалансированность» архитектуры чипсета означает, что он должен обеспечить полное использование пропускной способности процессорной и других шин, по которым происходит передача информации, т.е. чипсет не должен быть «узким местом» ПК и одновременно не должен предлагать больше, чем могут использовать процессор, память и другие компоненты [3, стр.154]. Чипсет состоит из северного моста и южного моста. Иногда северный и южный мосты объединяют в одну микросхему, такое решение называют одночиповым. Классическая структура с двумя микросхемами носит название двухмостовой схемы.

Северный мост выполняет функции контроля и направления потока данных из 4-х шин: шины связи с процессором или системной шины;  шины связи с памятью; шины связи с графическим адаптером; шины связи с южным мостом. То есть северный мост является центральным узлом материнской платы, который связывает между собой видеоадаптер, память, процессор и элементы, управление которыми совершает южный мост.

Южный мост включает в себя: контроллер шины связи с северным мостом; контроллер шины связи с платами расширения; контроллер линий связи с периферийными устройствами и другими ЭВМ; контроллер шины связи с жёсткими дисками; контроллер шины связи с медленными устройствами. Так же южный мост соединяется с микросхемой BIOS и микросхемой Super I/O, отвечающей за последовательные и параллельные порты.

Для соединения северного и южного мостов используется специальная шина. Разные производители чипсетов используют разные шины.

На текущее время двухмостовая схема построения чипсетов уходит в прошлое. Всё чаще производители интегрируют контроллер памяти на кристалл процессора (к примеру, это реализовано в структуре некоторых процессоров Intel Core ix и в ряде линеек AMD). Это позволяет поднять производительность системы за счёт уменьшения времени взаимодействия с периферийными устройствами и внутренними компонентами, ранее подключаемыми к южному мосту, но значительно усложняет конструкцию чипсета, тем самым увеличивая стоимость материнской платы.

 

2.2 Центральный процессор

 

Центральный процессор управления (ЦПУ) – это основное устройство ЭВМ, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде. В основе работы современных процессоров лежит вероятностная модель. Её смысл заключается в том, что процессор предсказывает последующие действия программы или пользователя, основываясь на их предыдущих действиях.

Сопроцессор – специализированный микропроцессор, дополняющий функциональные возможности основного (в том числе центрального) процессора [6, стр.200], но оформленный как отдельный функциональный модуль.

Центральный процессор компьютера имеет ряд технических характеристик, которые определяют самую главную характеристику любого процессора – его производительность. К таким характеристикам относятся:

- Тактовая частота;

- Разрядность;  

- Кэш-память;

- Количество ядер;

- Частота и разрядность  системной шины.

Процессор на материнской плате установлен в специальном разъёме, который носит название сокет или слот1. Использование сокета вместо непосредственного припаивания процессора на материнской плате упрощает замену процессора для модернизации или ремонта компьютера, а также снижает стоимость материнской платы. Сокеты различаются по размеру, количеству ножек, соответственно для каждого типа процессора необходимо использовать свой слот для установки. Сокеты имеют разные варианты крепления кулера для охлаждения процессора. Существует всего несколько фирм, специализирующихся на изготовлении процессоров: Intel, AMD, Cyrix, IBM и Texas Instruments. К текущему времени популярной фирмой Intel было выпущено 7 поколений процессоров Pentium.

 

 

 

 

2.3 Оперативная память

 

Оперативная (основная) память – энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операций. Содержащиеся в оперативной памяти данные доступны только тогда, когда на модули памяти подаётся напряжение, т.е. компьютер включён. Пропадание на модулях памяти питания, даже кратковременное, приводит к искажению либо полному уничтожению данных в оперативном запоминающем устройстве. Обязательным условием является адресуемость памяти (каждое машинное слово имеет индивидуальный адрес). Оперативная память передаёт данные процессору непосредственно, либо через кэш-память. Оперативная память на современных платах формируется с использованием модулей памяти типа SIMM или DIMM, или модулей обоих типов одновременно. SIMM (Single Inline Memory Module – модуль памяти в одну линейку), односторонняя планка – модуль памяти, у которого микросхемы памяти расположены с одной стороны. DIMM (Dual Inline Memory Module – модуль памяти в две линейки), двусторонняя планка – модуль памяти, у которого микросхемы памяти расположены с двух сторон. Этот объём может состоять как из одной линейки, так и из нескольких, установленных в разные слоты. Одной ОЗУ для нормальной работы компьютера не достаточно, поэтому рассмотрим ещё несколько видов памяти. Запоминающее устройство с произвольным доступом (ЗУПД) – один из видов памяти компьютера, позволяющий единовременно получить доступ к любой ячейке (всегда за одно и то же время, вне зависимости от расположения) по её адресу на чтение или запись. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – энергозависимая память, которая используется для хранения массива неизменяемых данных. Она даёт процессору инструкции для загрузки данных с ОЗУ. Программы, находящиеся в ПЗУ называют "зашитыми", т.к. они были внесены туда на этапе изготовления микросхемы. Этот комплект программ называют базовой системой ввода-вывода (BIOS).

 

2.4 Кэш-память

 

Кэш-память играет важную роль в поддержании производительности процессора. Если отключить кэширование, то производительность компьютера может упасть в десятки раз[4, стр.298].  Кэш-память – это память компьютера с очень высокой скоростью доступа, предназначенная для временного хранения информации, необходимой центральному процессору. В кэш-памяти хранятся наиболее часто используемые данные.

Производительность оперативной памяти, сравнительно с производительностью ЦП, намного ниже. Получается, что процессор ждёт, когда поступят данные от оперативной памяти, что понижает производительность процессора, а значит и производительность всей системы. Когда процессору нужно обратиться в память для чтения или записи данных, он сначала проверяет, доступна ли их копия в кэше. Кэш-память уменьшает время ожидания ЦП, сохраняя в себе данные и код выполняемых программ, к которым наиболее часто обращался процессор (отличие кэш-памяти от ОЗУ – скорость работы кэш-памяти в десятки раз выше).

Большинство современных процессоров для компьютеров и серверов имеют как минимум три независимых кэша: кэш инструкций; буфер ассоциативной трансляции; кэш данных. Кэш данных часто реализуется в виде многоуровневого кэша:

- кэш-память первого уровня (L1) является самой быстрой и самой дорогой памятью. Она расположена на процессорном кристалле, работает на чистоте процессора и используется непосредственно его ядром. Ёмкость кэш-памяти первого уровня не велика (обычно не более 128 Кбайт).

- кэш-память второго уровня (L2) – высокоскоростная память, выполняющая те же функции, что и кэш L1. Разница между L1 и L2 в том, что последняя имеет более низкую скорость, но больший объём (от 128 Кбайт до 12 Мбайт).

- кэш-память третьего  уровня (L3) выполнена на быстродействующих микросхемах типа SRAM и расположена непосредственно на самой материнской плате вблизи процессора. Она значительно медленнее L1 и L2, но быстрее оперативной памяти. Понятно, что объём L3 больше объёма L1 и L2. Кэш-память третьего уровня встречается только в очень мощных компьютерах.

Кэш-память, как и обычная память, имеет разрядность. Чем она выше, тем с большими объёмами данных кэш может работать.

 

2.5 BIOS

 

BIOS (Basic Input / Output System – базовая система ввода-вывода) – это программа, служащая интерфейсом между аппаратным обеспечением компьютера и операционной системой (ОС). Сама программа BIOS записана в специальную микросхему. В старых системах BIOS прошивалась в микросхему ПЗУ. В современных системах используется флэш-память, и теперь, после выхода обновлений для определённых версий BIOS, с помощью перезаписи данной микросхемы возможен процесс обновления (перепрошивки).

Как только пользователь включает компьютер, первой начинает работать именно эта программа. BIOS производит начальное тестирование всей системы. Эта процедура называется POST (Power-on-Self Test). Во время неё проверяется работоспособность всех компонентов компьютера, а так же она находит и настраивает всё остальное оборудование. Если проверяемые контроллеры и аппаратура исправны и настроены, то BIOS передаёт управление операционной системе. По планам разработчиков, основная функция BIOS должна была состоять в работе операций ввода-вывода, но это было актуально лишь во время "правления" операционных систем типа MS-DOS. В современных ОС эти функции BIOS практически не используются.

Для того чтобы изменить настройки BIOS, существует подпрограмма BIOS Setup. Чтобы зайти в неё, необходимо нажать клавишу Delete (иногда это могут быть кнопки F2 или F10) либо сочетание клавиш, указанных на экране монитора во время включения компьютера (т.е. во время проведения тестов POST). В этом меню можно установить системное время, параметры работы дисководов и жестких дисков, увеличить (или уменьшить) тактовую частоту процессора, памяти и системной шины, шин связи и настроить другие параметры работы компьютера. Однако тут стоит быть крайне осторожным, так как неправильно установленные параметры могут привести к ошибкам в работе или даже вывести компьютер из строя. Все настройки BIOS хранятся в энергозависимой памяти CMOS, работающей от батарейки или аккумулятора. На сегодняшний день основными производителями BIOS являются Award Software, American Megatrends (AMI), Mylex, Phoenix Technologies.

 

2.6 Системная шина

 

Системная шина – это "паутина", предназначенная для передачи информации между процессором и остальными электронными компонентами компьютера. Системная шина представляет собой набор проводников, и систему протоколов соединения устройств, при помощи этих проводников. Рассмотрим основные технические характеристики системных шин разных стандартов. В персональных компьютерах используются системные шины стандартов ISA, EISA, VLB и PSI.

ISA (Industry Standard Architecture) применялась, начиная с процессора i80286 вплоть до Pentium II (в последующих моделях исключена). Тактовая частота данной шины – 8МГц, максимальная скорость передачи данных – 16Мбайт/с.

EISA (Extended Industry Standard Architecture ) разработана для процессора i80386 с целью повышения производительности. Разъём шины EISA универсальный. Тактовая частота шины – 8–10МГц, максимальная скорость передачи данных в пакетном режиме – 33Мбайт/с, в стандартном – такая же, как у ISA.

VLB (VESA Local Bus) предложена ассоциацией VESA (Video Electronics Standard Association), является расширением шины процессора и предназначена для работы с контроллерами накопителей и видеоадаптером. Цель разработки – увеличение быстродействия ПК за счёт повышения тактовой частоты работы периферийных устройств (до 33МГц и выше). Максимальная скорость передачи данных по шине – 130Мбайт/с.