Главная

1. Параметры, определяемые чипсетом

Материнская плата – системная печатная плата с центральным процессором и поддерживающими его микросхемами. Материнская (системная) плата является основой компьютера и представля­ет собой плоский лист фольгированного стеклотекстолита, на котором находятся основные электронные элементы: микропро­цессор, оперативная память, кварцевый генератор, BIOS, вспо­могательные микросхемы и т.д. Необходимые электрические соединения этих элементов выполняются предваритель­ным травлением медной фольги, нанесенной на подложку из стеклотекстолита. Листы стеклотекстолита с нанесен­ным на каждом из них “рисунком” медной фольги в технологи­ческом цикле соединяются вместе, в результате чего плата имеет многослойную структуру. Именно в этом случае говорят о мно­гослойных печатных платах. Необходимые соединения между слоями выполняются в виде специальных металлизиро­ванных отверстий. Все системные платы IBM PC-совместимых компьютеров, как правило, покрыты защитным лаком зеленого цвета.

Существуют IBM PC-совместимые компьютеры, у которых на одной системной печатной плате сосредоточены все элементы, необходимые для его работы. Это так называемые платы All-In-Оnе. Однако у большей части персональных компьютеров сис­темные платы содержат лишь основные узлы, а элементы связи, например, с монитором и другими периферийными устройства­ми, отсутствуют. В таком случае отсутствующие элементы распо­лагаются на отдельных печатных платах, которые вставляются в специальные разъемы расширения, называемые слотами, предусмотренные для этого на системной плате. Дополнительные платы называют дочерни­ми, а системную плату – материнской. Функциональные устрой­ства, расположенные на дочерних платах, часто именуют кон­троллерами или адаптерами, а сами дочерние платы – картами расширения.

Контроллер – микросхема, управляющая устройством.

Контроллеры, управляющие работой внешних устройств компьютера, находятся на отдельных платах и вставляются в унифицированные разъемы на материнской плате.

Разъемы расширения, в которые вставляются до­черние платы, связаны друг с другом на материнской плате ря­дом параллельных проводников, по которым осуществляется пе­редача данных и адресов, а также управляющих сигналов. Элек­трические, временные и логические характеристики этих сигна­лов всегда отвечают определенному набору правил – протоколу, который общепризнан в международном масштабе и является, таким образом, стандартом на системную шину. Стандарт обыч­но определяет и тип используемых соединителей (тип контактов, их количество и т.п.).

Для обеспечения надежного соединения разъемы расширения на системной плате имеют позолоченные контакты. Печатные разъемы на дочерних платах также золотятся.

Обязательными атрибутами материнской платы (рис. 1) являются ба­зовый микропроцессор, оперативная память, системный BIOS, контроллер клавиатуры, кварцевый генератор, набор вспомо­гательных микросхем (контроллеров), аккумулятор, разъемы рас­ширения и питания, а также разъем для подключения клавиату­ры. В зависимости от типа микропроцессора на ней также могут находиться специальные гнезда для установки микросхем мате­матического сопроцессора, а также кэш-памяти.

Рис.1. Основные компоненты материнской платы

Кэш (cache memory) – сверхоперативная память, необходимая для того, чтобы центральный  процессор   не  снижал  производительность  из-за   низкого быстродействия основной памяти, расположена между процессором и основной памятью.

Кэш-память выполняет функцию буфера между процессором и оперативной памятью. При наличии кэш-памяти данные находятся в специально предназначенной для процессора исключительно быстрой памя­ти, и при их запросе циклы ожидания отсутствуют. Благодаря этому необходимость доступа к основ­ной памяти сводится к минимуму, и компьютер в целом работает быстрей. В современных компьютерах кэш обычно строится по двухуровневой схеме. Первич­ный кэш встроен во все процессоры класса 486 и выше; это внутренний кэш. Объем его 8–32 Кбайт. Вторичный кэш для процессо­ров 486 и Pentium является внешним (устанавливается на системной плате). На современных системных платах кэш-память реализуется или на отдельных микросхемах в DIL-корпусах (Dual-In-Line – двухрядное расположение выводов), или в COAST-модулях (Cache On A STick – кэш на одной панельке), вставляемых в со­ответствующие гнезда. Кэш-память реализуется на быстродействующих микросхемах статических ОЗУ (SRAM).

Ни один из элементов системной платы (даже микропроцессор) полностью не определяет возможности компь­ютера, а работоспособность системы зависит практически от любого из них.

Одной из основных характеристик материнской платы явля­ется ее геометрический размер в плане, от которого, как пра­вило, зависят число разъемов расширения и соответственно ко­личество дополнительно подключаемых устройств. В настоя­щее время прослеживается устойчивая тенденция к переходу на платы меньшего размера. Известны три базовых размера системных плат: Full-size AT, Baby-AT и LPX (Low Profile X). Первый типоразмер называется так потому, что полностью со­ответствует геометрии первых плат для компьютеров IBM PC/ AT – 12 на 13,8 дюйма. В на­стоящее время полноразмерные системные платы используют­ся, как правило, только в серверах. Для настольных компьюте­ров речь обычно идет либо о платах половинного (Half) разме­ра, либо еще меньших – так называемых Baby-AT. Размеры Baby-AT практически полностью соответствуют геометрии оригинальной материнской платы для IBM PC/XT – 8,57 на 13,04 дюйма. С точки зрения конструктива подобные изделия даже от различных производителей выполнены при­мерно одинаково, так как расположение разъема для подклю­чения клавиатуры, слотов расширения и крепежных отверстий подходит даже для плат, немного не совпадающих по разме­рам. Разновидностью Baby-AT может считаться плата miniAT, размеры которой составляют 8,57 на 9,85 дюйма. Такие платы обычно легко устанавливаются во все стандартные корпуса, за исключением низкопрофильных (slimline). Для корпусов типа slimline используются только платы с габаритными размерами LPX или miniLPX. Впервые такие платы были предложены фирмой Western Digital. Их габаритные размеры могут состав­лять 9 на 13 и 8,2 на 10,4 дюйма соответственно. Все подобные системные платы имеют встроенные графический контроллер и адаптеры для накопителей, то есть являются платами All-In-Опе.

Фирма Intel недавно предложила собст­венную спецификацию на системные платы типа АТХ и miniATX с габаритными размерами 12 на 9,6 и 11,2 на 8,2 дюйма соответ­ственно. В частности, данная спецификация рекомендует некое стандартное размещение основных компонентов на самой плате. При установке подобной платы в соответствующий корпус это позволит избежать таких проблем, как недоступность разъема про­цессора и модулей памяти, невозможность установки полнораз­мерных плат расширения и т.п.

В среднем материнские платы име­ют 1–8 разъемов расширения, четкого стандарта здесь нет и многое зависит от фирмы-производителя платы.

Поскольку современные микропроцессоры используют напря­жение питания 3,3–4 В, на системных платах монтируют специ­альные преобразователи (VRM, Voltage Regulator Module), ряд из которых позволяет регулировать уровень напряжения. Установ­кой соответствующих перемычек можно изменять напряжение, например, от 3,3 до 3,6 В. От блока питания на системную плату поступает напряжение 5 В.

Чипсет (chipset) на систем­ной плате – набор чипов (то есть микросхем), обеспечивающих согласованную работу устройств компьютера. Этот набор называют еще системной логикой. Микросхемы впаяны в плату и поменять их нельзя. Число чипов в наборе колеблется от 1 до 4. Чипсет определяет основные возможности платы:

• типы поддерживаемых ЦП (обычно чипсет поддержи­вает несколько типов ЦП);

• поддержку многопроцессорной конфигурации;

• максимальную внешнюю частоту FSB (Front Side Bus);

• логику коммутации устройств между собой (ЦП, основ­ной памяти и др.);

• типы основной памяти, а также максимальный ее раз­мер (чипсет поддерживает несколько типов памяти);

• скорости работы с каждым типом памяти, которые оп­ределяются тактовыми диаграммами;

• поддержку AGP (Accelerated Graphical Port) – ускоренного графического порта (не­обходим для современной ЗD-графики) и его скоростные режимы;

• максимальное число слотов шины PCI (что важно для расширяемости), ее версию и режимы;

• тип дискового интерфейса и его скоростные режимы;

• поддержку AMR-портов, которые дают возможность ис­пользовать AMR-модемы и звуковые карты.

Чипсет может также включать возможности, обеспечивае­мые дополнительными чипами на плате: интегрированные устройства (аудиочип и/или графический чип) и мониторинг компьютера.

Чипсет обычно состоит из двух чипов:

• North Bridge (NB, северный мост) – обслуживает цент­ральные устройства; содержит контроллеры основной памяти, AGP-шины, системной шины и шины памяти;

• South Bridge (SB, южный мост) – содержит контролле­ры устройств ввода/вывода и стандартных периферий­ных устройств.

По низкоскоростной шине контроллеры SB управляют сле­дующими устройствами:

• дисководом для гибких дисков (FDD);

• клавиатурой (КВС – Keyboard Controller);

• портом мыши PS/2;

• системными часами (RTC – Real Time Clock);

• коммуникационными портами (СОМ и LPT);

• шинами SMBus (используются для мониторинга).

Существующая тенденция включения отдельных контрол­леров в состав чипсета (SB) благоприятно отражается на компактности плат и их цене.

В настоящее время выделяют чипсеты с обычной и хаб-архитектурой.

Обычная архитектура. Характерная черта обычной архитектуры – связь мостов по шине PCI.  Здесь южный мост является PCI-устройством. Это означает, что обмен между мостами ограничен пропускной способностью шины PCI. В качестве низкоскоростной шины используется ISA-шина (2).

Хаб-архитектура. Данная архитектура впервые появилась осенью 1999 г. в чипсетах Intel i8x0. Термин “хаб” (hub) дословно означает концентратор, но здесь лучше перевести как коммутатор, т.е. каждый из чипов представляет собой коммутатор и может коммутировать подключенные к нему устройства для обмена их между собой без участия ЦП (рис. 3.3). Это важно для обработки потоковых данных (из сети или мультимедийных).

Другой важный момент – соединение мостов SB и NB не по шине PCI, а по отдельной и вдвое более скорост­ной специальной шине. Напомним, что шина PCI разделя­ется между устройствами.

Максимальный объем памяти является характеристикой чипсета. Для современных чипсетов он составляет 256–2048 Мбайт. В настоящее время 256 Мбайт с избытком хва­тает для существующих приложений.

Рис. 2. Обычная архитектура

Характеристи­кой чипсета также является максимальное число слотов (2–4). Существуют платы, где число слотов больше на 1, однако для использования дополнительного слота нужны специальные модули.

Ускоренный графический порт AGP (Accelerated Graphics Port) – скоростной порт для подключения графической карты по отдельной скоростной одноименной шине AGP. Скорость обмена с графической картой важ­на для 3D-графики.

Рис. 3. Хаб-архитектура

До появления AGP-шины карта подключалась через шину PCI, которая, во-первых, в 2–8 раз раз медленнее, а во-вторых, используется другими устройствами.

В процессе развития порт AGP становился более скорост­ным, и сейчас различают режимы AGP 1х, 2х, 4х. Запись ре­жима означает кратность скорости AGP по сравнению с ре­жимом 1х. При этом 1х соответствует 256 Мбайт/с (что в 2 раза выше пропускной способности РСI). Все версии совмес­тимы снизу вверх. Максимальный поддерживаемый режим является характеристикой чипсета. AGP имеет большое преимущество перед PCI в современ­ной 3D-графике, особенно для режимов 2х и выше.

Заметим, что для версии 4х важно, чтобы пропускная спо­собность

шины памяти была не ниже, чем у шины AGP (1 Гбайт/с). Это очевид­ное требование автоматически учтено в чипсетах. AGP должна быть поддержана еще и ОС, что выполнено для Windows 9x и 2000. Для реализации конк­ретного скоростного режима AGP он должен поддержи­ваться как чипсетом, так и графической картой.