Конструктивные особенности системных плат

Системные платы различаются в первую очередь по типу поддерживаемых процессоров и памяти, по степени интеграции (количеству устройств, находящихся на плате), по числу разъемов расширения. Другие, менее существенные отличия, связаны с особенностями применяемых разными фирмами-изготовителями технических решений, направленных на улучшение потребительских свойств продукции.

Процессорный разъем. Процессорным разъемом задается группа поддерживаемых платой процессоров. Но для того, чтобы данный процессор мог работать в данной плате, одного только совпадения типов процессорных разъемов мало. Необходимо также, чтобы поддерживалось нужное напряжение питания (для процессоров, выпущенных по более совершенной технологии, с меньшими проектными нормами, требуется и меньшее напряжение питания). Требуется также поддержка со стороны BIOS и чипсета (по частоте шины FSB).

Форм-фактор. Существует несколько типоразмеров, или форм-факторов, задающих не только геометрические размеры плат, но и возможное количество слотов расширения. Максимальное количество устройств расширения, ограниченное конструкцией корпуса, равно 7. Такое количество слотов (например, один AGP и шесть PCI) может быть размещено только на платах формата ATX и его расширенного варианта Extended ATX. На платах меньшего размера количество слотов меньше - 4 у microATX и 3 у FlexАТХ. Однако общее количество слотов на платах часто превышает указанные количества, так как используется так называемая разделяемая конфигурация некоторых слотов, например ISA и PCI, когда можно установить устройство либо одного типа, либо другого, но не оба одновременно.

Платы самого большого размера - Extended ATX - дают возможность размещения большого объема памяти и дополнительных компонентов и используются для серверных решений. Самые маленькие платы - FlexАТХ и microATX - имеют весьма ограниченные возможности расширения, но для них это не критично, так как необходимая функциональность достигается с помощью интегрированных устройств (графика, звук, сетевые и другие контроллеры). Платы нормального размера ATX используются для решений самого разного уровня - от серверов до производительных персональных компьютеров. Их основное преимущество - большое количество слотов расширения, а значит и максимальные возможности формирования требуемой конфигурации компьютера с использованием устройств расширения.

Слоты расширения. Основной шиной для подключения устройств расширения в персональных компьютерах является 32-разрядная PCI, работающая на частоте 33 МГц. Шина ISA уже давно признана устаревшей и применяется все реже. Большая часть выпускаемых системных плат не имеет уже ни одного слота ISA.

В платах высокого уровня для серверов и рабочих станций широко применяются 64-разрядные варианты PCI с рабочей частотой 33 и 66 МГц. Слоты 64-разрядной шины PCI несколько длиннее, чем обычной 32-разрядной за счет дополнительной контактной группы (рис. 2.3). В них можно устанавливать как 64-разрядные, так и 32-разрядные платы расширения. Существуют только некоторые ограничения, связанные с напряжением питания. PCI устройства бывают на напряжение питания 5 В или 3.3 В, в настоящее время используются преимущественно 3.3-вольтовые. Платы на 5 В имеют вырез в контактной площадке недалеко от скобы крепления, а на 3.3 В - с противоположной стороны. Соответствующие перемычки имеются и на слотах. Если слот помечен как 5-вольтовый, то в него можно устанавливать и 5- и 3.3-вольтовые устройства, если как 3.3-вольтовый - только 3.3-вольтовые. 64-разрядные 33 МГц слоты бывают 5- и 3.3-вольтовые. Например, в 5-вольтовый 64-разрядный слот PCI можно устанавливать любую PCI карту (64 или 32 разряда, 3.3 или 5 В), правда, 66 МГц карта будет работать на частоте 33 МГц. 66 МГц слоты PCI бывают только 3.3-вольтовыми.

Интегрированные устройства. Современные системные платы содержат широкий набор интегрированных устройств. В первую очередь он определяется чипсетом (южным мостом). Обязательный набор - АТА контроллер с поддержкой режима АТА100, один или два USB контроллера, на 2 или 3 порта каждый. Наличие параллельного и последовательного портов пока также является обязательным.

Интеграция какого-либо контроллера в чипсет - это самый мощный способ для снижения стоимости и для максимально широкого распространения соответствующих устройств. Сейчас на очереди стоит вопрос внедрения универсальной последовательной шины USB 2.0. Отдельные устройства уже появились, но широко использоваться она начнет только с началом применения чипсетов со встроенными контроллерами (южный мост Intel IСНЗ, в который будет интегрирован USB 2.0 контроллер, ожидается в 2002 году). До сих пор неясным остается вопрос с интеграцией в чипсеты контроллера последовательного интерфейса IEEE 1394. Производители чипсетов неоднократно уже меняли свое отношение к этому вопросу, но, скорее всего, чипсеты со встроенным контроллером IEEE 1394 все-таки появятся.

Во многих случаях список присутствующих на плате контроллеров, задаваемый чипсетом, расширяется за счет дополнительных устройств. Так, платы, предназначенные для серверов и рабочих станций, обычно снабжаются SCSI контроллерами (на современном этапе это Ultra160 SCSI контроллеры, одно- или двухканальные). В платы, предназначенные для персональных компьютеров, иногда устанавливаются АТА RAID контроллеры. Расширяется применение встроенных IEEE 1394 контроллеров, особенно с началом выпуска фирмой VIA соответствующих недорогих чипов.

Встроенная система мониторинга состояния компьютера, включающая контроль за напряжениями питания, температурой процессора, скоростью вращения вентиляторов, температурой в корпусе компьютера, стала уже почти обязательным компонентом системных плат от ведущих производителей.

Специфические функции. С точки зрения основных параметров, определяемых чипсетом, форм-фактором, предполагаемой сферой применения, системные платы от разных производителей очень близки. Однако многие ведущие производители снабжают свои изделия некими дополнительными, специфическими функциями, повышающими их потребительскую ценность для некоторых категорий пользователей.

Имеются в виду в основном наиболее активные пользователи, творчески относящиеся к процессу конфигурирования, эксплуатации и апгрейда компьютеров. Они часто пытаются «разогнать» процессор, заставить его работать на повышенной по сравнению с номинальной тактовой частоте (это очень неплохой способ повысить производительность при минимуме затрат). В некоторых случаях процессоры действительно могут надежно работать на повышенных частотах. Максимально возможная тактовая частота процессоров определяется используемым при их производстве техпроцессом, который для всех процессоров данного типа одинаков, а номинальная, проставляемая в маркировке, - необходимостью получения целого ряда частот в некотором диапазоне, для разных сегментов рынка. Например, фирма AMD выпускает процессоры Duron на частоты от 600 до 900 МГц, при этом вероятность того, что процессор с частотой 600 МГц будет нормально работать на частоте 900 МГц (и даже более высокой) довольно велика. Фирмы, выпускающие процессоры, совсем не заинтересованы в их «разгоне» и борются с ним путем фиксации коэффициента умножения тактовой частоты на одной из последних стадий производства, при установке кристалла в корпус. Изначально же процессоры поддерживают несколько значений коэффициента, позволяющих из заданной внешней тактовой частоты получить некоторое количество частот в нужном диапазоне. Производители плат, чтобы привлечь больше потребителей, наоборот, предлагают специальные средства, помогающие осуществить «разгон» процессора.

Среди этих средств основным является тактовый генератор с плотной сеткой частот, позволяющий устанавливать частоты процессорной шины от 66 МГц вплоть до 150-170 МГц с шагом 1 МГц. Поскольку внутренняя тактовая частота получается умножением частоты шины на внутренний коэффициент умножения, то появляется возможность подобрать более высокую частоту шины, при которой процессор еще нормально функционирует (результат зависит не только от процессора, но и от чипсета, памяти и устройств расширения, также вынужденных работать на повышенных частотах). Еще одно средство - возможность регулировать напряжения питания процессорного ядра и схем ввода-вывода. При повышении напряжения питания процессора стабильность работы на предельно высоких частотах возрастает. Но при этом возрастает и потребляемая мощность а, следовательно, и температура процессора, так что при таком решении требуется качественный кулер.

Для процессоров Athlon и Duron существует и еще один способ - установка более высокого коэффициента умножения. Возможность его применения связана с тем, что иногда в продажу попадают процессоры с незаблокированным коэффициентом умножения. Кроме того, для многих процессоров существует простой и безопасный способ снять блокировку, если она установлена, - путем замыкания нескольких контактных площадок на корпусе процессора с помощью обычного графитового карандаша.

BIOS

BIOS (basic input/output system) - базовая система ввода-вывода. Она представляет собой микропрограмму, необходимую для простейшего управления компьютером и его узлами. BIOS содержат материнские платы, контроллеры, видеокарты и некоторые другие устройства.

BIOS системных плат служит для управления основными функциями клавиатуры, видеосистемы, портов, дисков, ОЗУ, разнообразных других устройств и контроллеров. Именно с BIOS начинается первичная загрузка компьютера. Для этого он размещается в специальной микросхеме – ПЗУ (ROM) на материнской плате. Микрокод BIOS может быть рассчитан на неизменное существование в течение всего срока службы платы, но большинство (почти все современные) BIOS поддерживают смену программы, то есть подлежат перепрошивке (Flash ROM). Это делается для того, чтобы в дальнейшем можно было исправить ошибки и внести дополнительные функции для работы с новыми устройствами без замены оборудования. Все более менее современные BIOS стандартизированы. Максимальный размер микрокода в них составляет 1, 2 или 4Мбит. Поэтому в случае выхода из строя микросхемы Flash ROM ее всегда можно легко заменить, предварительно прошив соответствующей прошивкой.

В каких случаях необходима или желательна замена микропрограммы? Тут можно предположить несколько ситуаций. Первое – нужно подключить новое устройство, а оно ненормально функционирует с материнской платой, причем точно известно, что устройство работоспособно и есть серьезные подозрения на старую прошивку. Как правило, это случай с винчестерами, когда на старых МП не полностью системой видится их объем. Второе – замечены ошибки в работе, нестабильность, при этом существуют новые версии микропрограммы на сайте производителя с исправлением данных проблем. Возникает закономерный вопрос: ”А как осуществить перепрошивку?” Оказывается, это несложно. Для этого необходимо скачать из интернета новую версию BIOS и прошивальщик. Прошивка добывается на сайте производителя, программу - прошивальщик найти несложно. Для каждого типа BIOS, который зависит от изготовителя, существуют свои фирменные утилиты для прошивки, друг с другом они не совместимы. При добывании этих файлов надо четко следить за их целостностью и датой выпуска. Рекомендуется брать микрокод с последней версией. Далее после того, как мы достали, необходимые нам программы, можно приступить непосредственно к замене микрокода. Для этого создается загрузочная системная дискетка, на которую пишутся прошивальщик и файл BIOS, машина перегружается с нее и вручную вызывается утилита перепрошивки. По завершению процесса машина должна быть перезагружена (нормально с винчестера), и ей можно пользоваться.

Конфигурирование или по – другому настройка BIOS. Большинство скорей всего знает, что при нажатии клавиши или комбинации клавиш (как правило, delete) при загрузке машины мы попадем в меню BIOS Setup. В нем мы можем обнаружить множество пунктов с разнообразными настройками для устройств. В разных BIOS они разные, но все же сильно похожи друг на друга. AMI BIOS имеет всегда гораздо меньше параметров, который можно изменять, чем AWARD. У последнего (он, кстати, намного больше распространен) порой присутствует такое количество настроек, что пункты целиком не умещаются на экране. В большинстве случаев конфигурация уже установлена оптимально, поэтому не надо ничего изменять за исключением нескольких пунктов (конфигурация дисков, например).

BIOS содержит, в числе прочего, набор обработчиков прерываний, ISR, ответственных за самые простейшие, основные, действия компьютера. Например, реакция на нажатие клавиш или вывод символов на экран монохромного монитора (или упраздненного сегодня монитора CGA). Строки таблицы векторов прерываний, IVT изначально заполняются адресами именно этих обработчиков.

Вдобавок, у многих ПК есть дополнительные микросхемы BIOS ROM, расположенные на различных картах расширения. Типичным примером являются видеокарты, практически всегда имеющие весьма мощную собственную микросхему BIOS ROM. Внутри нее хранятся альтернативные обработчики прерываний, написанные специально под эту карту и берущие на себя весь вывод на экран. Для этого во время загрузки компьютера такая карта должна заместить в IVT адреса обработчиков экранных прерываний, ISR, из BIOS на материнской плате адресами собственных обработчиков.

В процессе загрузки операционной системы в память загружается еще некоторое количество обработчиков прерываний, ISR. Грубо говоря, с программистской точки зрения операционная система - это большая коллекция полезных обработчиков ISR. Большинство своих услуг операционная система предоставляет программам или через эти обработчики (ISR) или через обработчики из BIOS.

Когда вы загружаете какой-нибудь резидентный драйвер (драйвер мыши), вы получаете еще несколько обработчиков ISR. В поведении таких программ прослеживаются две характерные черты. Во-первых, программа написана, загружается в память и ведет себя так, чтобы оставаться там, пока пользователь не выгрузит ее обратно. Во-вторых, такие программ обязательно меняют несколько строк в IVT, помещая туда собственные адреса. Так программа обеспечивает свою активизацию в нужный момент.

Исключением из этого правила является класс драйверов устройств, называемых блочными устройствами (block devices). К ним относятся драйверы, создающие дополнительные диски, полученные из RAM-памяти ПК или драйверы, обслуживающие различные устройства хранения информации (жесткие диски, CD-ROM и т. д.). Такие драйверы обычно включают себя в операционную систему, не только изменяя содержимое некоторых строк IVT, но, что более важно, вписывая себя в специальный связный список, носящий название цепочек драйверов устройств.