Назначение и структура материнской платы

Объединяющим звеном в компьютере, включающим процессор, память, всевозможные устройства расширения для всех этих компонентов является системная плата, на которой располагаются процессор и обслуживающие его контроллеры, память, слоты расширения системной шины, контроллеры внешних устройств. Системная плата задает, 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.

Печатная плата, которая служит основой структуры ПК, называется материнской платой. (Если она не содержит разъемов для подключения других печатных плат, то с технической точки зрения она называется главной или системной платой. Этот термин может использоваться применительно к основной печатной плате любого ПК, но, поскольку почти все эти платы имеют разъемы для подключения других печатных плат, термин материнская плата получил большее распространение для обозначения этого элемента, даже в тех относительно редких случаях, когда плата является исключительно системной.)

Материнская плата, как правило, содержит несколько интегральных микросхем (чипов), которые обеспечивают определенные функциональные аспекты ПК, однако степень интеграции функциональных возможностей ПК в отдельных микросхемах будет существенно зависеть от изготовителя и модели.Но, независимо от других конструктивных особенностей, главной задачей материнской платы является осуществление связей между другими функциональными компонентами ПК. Для этого предусмотрены специальные разъемы, в которые можно вставить другие компоненты. Некоторые из них (те, в которые вставляются другие печатные платы) называются разъемами системной шины, или слотами расширения, поскольку вставка карт расширения в эти разъемы является наиболее распространенным способом подключения к системной шине ПК (через эти разъемы карты расширения осуществляют взаимодействие с материнской платой). Название остальных разъемов зависит от их функционального назначения. На рис.1.1 показана материнская плата настольного ПК, рассматриваемого в качестве примера.

На этой плате, как и на многих других расположен центральный процессор, CPU. Центральный процессор представляет собой большую интегральную микросхему, несущую на себе основную часть функциональной нагрузки ПК и управляющую большей частью остальной его деятельности. В большинстве современных ПК эта интегральная микросхема скрыта под большим радиатором,который представляет собой ребристый объект и правом верхнем углу рисунка. (Радиатор служит для эффективного отвода тепла, вырабатываемого центральным процессором, предохраняя его, тем самым от перегрева.)

Длинные прямоугольные объекты в верхней левой части рисунка представляют собой слоты расширения (разъемы системной шины). На этой материнской плате расположены три разъема шины PCI (меньшие по размеру белые разъемы) и три разъема шины ISA (Industry Standard Architecture - Стандартная промышленная архитектура). Карты расширения, которые могут вставляться в эти разъемы системной шины, позволяют объединять в одном ПК множество разнородных компонентов.

В передней части материнской платы расположены разъемы для подключения кабелей дисководов гибких дисков и любых IDE (Integrated Drive Electronics - Интегрированная электроника дисководов) или EIDE (Enhanced IDE - Усовершенствованная IDE) периферийных устройств, которые вы могли бы поместить внутри системного блока. В правом нижнем углу материнской платы расположены системные часы "реального времени" с автономным питанием от батарей, следящие за датой и временем, когда ваш ПК выключен, и системные часы (таймер), которые определяют время выполнения каждого шага команды (или почти любого другого действия, которое происходит внутри включенного компьютера).

Рядом с процессором расположены разъемы со вставленными в них маленькими печатными платами. На каждой из этих плат смонтированы корпуса интегральных микросхем. Одна из этих плат содержит кэш-память второго уровня (L2), а две другие - подсистему основной оперативной памяти (RAM) данного ПК. Кэш-память размещена на отдельной плате - модуле COASt (Cache On A Stick - "Заначка на палочке"). Оперативная память на современных материнских платах формируется с использованием модулей памяти типа SIMM (Single Inline Memory Module - Модуль памяти "в одну линейку") или модулей памяти типа DIMM (Dual Inline Memory Module - Модуль памяти "в две линейки") или модулей обоих типов одновременно. Материнская плата на рис. 1.1. содержит разъемы для модулей памяти типа DIMM, что типично для самых современных ПК.

Несколько других интегральных микросхем среднего размера обеспечивают основную ROM ПК и служат для хранения базовой системы ввода-вывода (BIOS). Эти чипы ROM BIOS содержат программы начальной загрузки ПК, и к ним обращаются другие программы при использовании ими стандартных методов доступа к другим компонентам ПК.

В тыльной части материнской платы расположены несколько интегральных микросхем и разъемы, которые выходят на заднюю панель ПК. К этим разъемам подключаются/принтер, мышь и клавиатура. Интегральные схемы на материнской плате реализуют для данной машины протоколы обмена последовательного и параллельного портов ввода-вывода, а также интерфейс клавиатуры и специальный "интерфейс мыши", разработанный фирмой IBM для своих компьютеров класса PS/2. Не во все материнские платы ПК встраивается полный набор этих портов и разъемов, хотя разъем для подключения клавиатуры присутствует практически всегда.

Другие большие интегральные схемы на материнской плате содержат микропроцессорный набор, для которого иногда используется название чипсет (chipset), а иногда - связующая логика (glue logic). Эти интегральные схемы используются для передачи информации из одной части материнской платы в другую. Кроме того, они выполняют функцию определения адреса в ROM или в RAM. Затем они выполняют адресацию соответствующей микросхемы или модулей SIMM или DIMM для получения необходимой информации в нужном месте (или в случае RAM это может означать команду чипам или модулям SIMM или DIMM принять информацию для хранения).

И, наконец, по всей материнской плате и нескольким блокам перемычек разбросано множество маленьких соединителей (разъемов) Соединители, маленькие штырьки, с помощью таких же Маленьких разъемов соединяются проводами с индикаторами и переключателями на передней панели, с дисковыми устройствами, устройствами, установленными в соответствующих отсеках, и с блоком питания.

Связующая логика

Главным компонентом системной платы, полностью задающим фундамент (связку процессор-память) и в значительной степени практическую надстройку, является чипсет - набор контроллеров, через которые осуществляется связь процессора с другими устройствам. Основное требование к чипсету с точки зрения производительности - это обеспечение полного использования пропускной способности процессорной шины и других шин, по которым происходит передача информации, поэтому чипсет не должен являться узким местом системы. Основное требование к чипсету с точки зрения функциональности - это реализация максимального количества функций. То есть в чипсете должно реализовываться управление как можно большим количеством устройств, что способствует снижению стоимости и повышению надежности всей системы.

Чипсет общается с процессором через процессорную шину по соответствующему протоколу, так что для процессоров с разными протоколами системной шины требуются разные чипсеты. По этому признаку современные чипсеты делятся на 3 группы: с поддержкой протокола AGTL+ - для процессоров Pentium III и Celeron, с поддержкой протокола EV-6 - для процессоров Athlon и Duron и с поддержкой 400 МГц шины - для процессора Pentium 4. Все группы чипсетов развиваются практически параллельно и в целом обеспечивают для своих процессоров примерно равные возможности по функциональности. Достижимый же уровень производительности зависит, помимо прочего, от типа поддерживаемой памяти.

Подсистема памяти является наиболее критичной с точки зрения общей производительности. Поэтому желательно использовать память с максимальной пропускной способностью. Однако такое решение не всегда оправдано, так как разные типы памяти отличаются как по доступности, так и по цене. Использование медленной по отношению к процессорной шине памяти приводит к потерям производительности и оправдано только для систем начального уровня вследствие дешевизны. Использование быстрой по отношению к шине памяти не приводит к сколько-нибудь значительному росту производительности, так как начинает сказываться недостаток пропускной способности шины. Поэтому сбалансированное решение, когда пропускная способность памяти соответствует таковой для процессорной шины, является в большинстве случаев предпочтительным.

Однако сейчас практически все новые модели чипсетов рассчитаны уже на более производительную память DDR SDRAM. Для процессоров Athlon и Duron, имеющих быструю шину, это приводит к заметному росту производительности. Для процессоров Pentium III с относительно медленной шиной - к меньшему. Однако и для них это решение оправдано, так как по ценам память DDR SDRAM приближается к обычной SDRAM. Память RDRAM, которая по-прежнему остается весьма дорогой, поддерживает только фирма Intel, имея, по-видимому, целью добиться в конце концов ее широкого распространения и приемлемой цены. Надо отметить, что «многоканальность» и соответственно большую пропускную способность можно организовать и для обычной памяти за счет использования чередования банков памяти (interleaving). И такое решение широко применяется в серверных чипсетах.

Архитектура чипсетов.

В обычной мостовой архитектуре чипсет состоит из двух мостов - северного и южного. В северном реализован контроллер памяти, ускоренного графического порта AGP и шины PCI. В южном - АТА (IDE) контроллер для жестких дисков, порты ввода-вывода и некоторые другие контроллеры. Южный мост соединяется с северным с помощью шины PCI (пропускная способность 133 Мб/с), то есть он сам является PCI устройством. Такое решение позволяет, во-первых, ускорить обмен данными между устройствами и процессором, а во-вторых, освободить шину PCI от обслуживания южного моста (контроллер PCI переносится в южный мост). Скоростная шина строится по принципу трансляции ширины в частоту (как в памяти RDRAM), то есть имеет относительно малую ширину (обычно 8 бит) и очень высокую тактовую частоту. Для достижения самой высокой скорости обмена (для серверных чипсетов) шин может быть несколько.

Функции южного моста постоянно расширяются. Для современных южных мостов характерно наличие следующего набора контроллеров: контроллер АТА с поддержкой режима АТА100 со скоростью передачи 100 Мб/с; контроллеры USB (12 Мбит/с) на 4-6 портов (увеличение количества портов призвано скомпенсировать отсутствие устаревшей шины ISA); звуковой контроллер, в том числе с шестиканальным цифровым выходом SP/DIF. Часто добавляются сетевой Ethernet контроллер и контроллер домашних сетей Home PNA. В следующем поколении появится поддержка USB 2.0 со скоростью 480 Мбит/с и, возможно, IEEE 1394 (400 Мбит/с). Пока еще стандартные, но уже устаревшие порты - последовательный и параллельный - зачастую непосредственно в южный мост не включаются, а реализуются на отдельном чипе, присоединяемом к южному мосту по специальной шине LPC (Low Pin Count).

Все современные чипсеты построены по хабовой архитектуре (рис. 1.2).

Рисунок 1.3. Хабовая характеристика Intel

Основой каждого чипсета являются два хаба - МСН (Memory Controller Hub) и ICH (I/O Controller Hub). Фактически это северный и южный мосты. Соединяются между собой они с помощью специальной 8-разрядной шины HI8 (Hub Interface) с пропускной способностью 266 Мб/с. Кроме них имеются еще Firmware Hub (для размещения BIOS), а также некоторые другие хабы, например Р64Н (64-bit PCI Controller Hub), предназначенный для организации 64-разрядной шины PCI в серверных вариантах чипсетов.

Северный мост МСН содержит контроллеры памяти и порта AGP, а иногда и встроенный графический контроллер (тогда это будет GMCH - Graphics Memory Controller Hub), и уникален для каждого типа чипсета. Южный мост ICH является универсальным и может использоваться совместно с каждым МСН или GMCH.