Глубокое познание материнских плат.

Из чего же она состоит?

Конечно же, всем известно, что основой любой материнской платы является чипсет, но об этом чуть попозже – для начала следует определиться с физической структурой и электрической начинкой МП.

Печатная плата

Материнская плата представляет из себя печатную плату с разводкой – PCB [Printed Circuit Board] – на которой смонтированы все элементы. PCB обычно состоит из 4 или 6 слоев, состоящих из плоских камедевых пластин, между которыми находятся элементы цепи – пропаянные соединительные дорожки. Два слоя, которые находятся сверху и снизу являются сигнальными слоями. Два слоя, которые находятся посередине используются как заземление и разводка питания. Путем помещения пластин питания и заземления в центр, достигается коррекция и защита сигнала.

Форм-факторы

Материнская плата должна иметь тот же форм-фактор (типо-размер), что и блок питания в корпусе, в который она будет установлена, который, в свою очередь, может быть либо AT или ATX. Сразу хочу отметить, что независимо от типа корпуса, в полноразмерный Tower влезают как платы full-AT/ATX, так и их меньшие модификации.

Компьютеры IBM PC AT имели форм-фактор AT (30х35 см), который был уменьшен в размерах и стал называться Baby-AT (ВАТ, 22х33 см). Последний использовался с 1983 по 1997 год для установки всех процессоров от 8086 до PentiumII, но в продаже такие корпуса можно увидеть и сейчас. Обычно в платах АТ использовался полноразмерный 5-контактный разъем DIN для клавиатуры (также назывался АТ), который был совместим с IBM XT. На сегодняшний самый распространенный форм-фактор – ATX (30,5х24 см). Существуют также разновидность последнего стандарта - Micro ATX (mini-ATX, 28,4х21 см), но корпус для любого варианта используется тот же самый, хотя mATX можно поставить и «маленькие» корпуса Midi- и Mini Tower. Основное отличие между стандартами и их "младшими братьями", кроме отличия в размерах, - максимально допустимое количество слотов для памяти и для дополнительных карт и наличием/отсутствием ISA. АТХ вел ряд новшеств:

Все внешние разъемы располагаются в 2 этажа и напаяны у правого края РСВ. Для них в корпусе предусмотрено большое прямоугольное окно, свободное пространство которого закрывается алюминиевыми заглушками, которые не всегда подходят к корпусу

Процессор находится под блоком питания, который создает дополнительное охлаждение. Но практика показывает, что это охлаждение неэффективно.

Разъемы контролеров floppy и IDE располагаются близко к корзине для крепления винчестера и дисководов, а модули памяти легкодоступны

Многие интегрированные МП используют форм-фактор mATX из-за маленькой PCB и малым количеством слотов для дополнительных карт, что позволяет существенно сократить расходы. Существуют также стандарты LPX и NLX, но они используются только брендами для сборок фирменных моделей компьютеров.

Поддержка процессора

Безусловно, процессор физически и электрически должен быть совместим с МВ. Сейчас абсолютное большинство CPU перешло на использование разъемов Socket. Компания с Intel в настоящее время использует следующие типы разъемов: Socket 478, Socket 775. Компания AMD использует разъемы: Soсket A (иногда он обозначается как Soсket 462), Socket 754, Socket 939.

Чем это она питается?

На материнскую плату подается напряжение от блока питания (БП): в случае АТ форм-фактора это 5V, В случае ATX – 3.3V, поэтому в МП форм-фактора АТ используется несколько микросхем VRM для преобразования 5В в более низкие напряжения, а в ATX такой модуль один. Различные компоненты, установленные на МВ питаются от разного напряжения. Наиболее распространенные компоненты потребляют +5В (такие как чип BIOSа, часы реального времени, контроллер клавиатуры, DRAM чипы, логика большей части контроллеров, коннекторы) и +3.3В (L2 кэш, чипсет, SDRAM чипы, AGP). Двигатели накопителей и кулеры питаются от +12В. Но БП также вырабатывает отрицательные напряжения, и возникает законный вопрос, зачем? Ответ прост: в современных компьютерах он не используется. –5В раньше подводилось к ISA шине и использовалось для питания старых контроллеров НГМД. Напряжения +12 и –12В на системной плате также не используются, они подводились к шине ISA для питания различных адаптеров и контроллеров последовательных портов.

БП АТ и ATX имеют разные принципы подключения и взаимодействия с системной платой: АТ подключается через два 6-штырьковых разъема, PS8 и PS9, а ATX – одним 20-контактным разъемом с ключом, исключающим возможность неправильного подсоединения к МВ. В АТ-корпусах питание 220В от БП подается на 4-жильный кабель, соединенный с кнопкой питания Power, когда эта кнопка нажата, то контакты замыкаются и переменное напряжение возвращается в БП, а оттуда на МП. В корпусах ATX система включается подачей сигнала PS_ON (Power_On), поступающем с 14 контакта 20-pin разъема при нажатии кнопки питания на корпусе, которая не имеет 2 положений, как ранее, которая замыкается на коннектор PW_BTN на «матери». Это низкий активный сигнал, при высоком уровне этого сигнала БП выключается. Поскольку этот сигнал подается с МП, то он может быть сгенерирован ОС или переключателем Power, поэтому мы имеем возможность выключать компьютер с помощью Windows. Кроме того, еще одним новшеством в ATX стало использование сигнала «ждущего режима» +

5VSB (Stand_by, Soft power), который всегда активен и подает на плату питание малой мощности, даже когда компьютер выключен, поэтому настоятельно рекомендую использовать БП с выключателем сзади, который стоит отключать, когда компьютер не используется. Эти два сигнала позволяют, используя APM, в ОС Windows ME, Win 2K и WindowsXP кнопкой Power на клавиатуре выключать питание, а Sleep – переходить в «ждущий режим» (в Windows 98 обе кнопки вызывают «ждущий режим»).

При подключении устройств к МП необходимо знать принципы разводки и схемотехники. Главное правило любого подключения – соблюдение полярности. Первый контакт колодки на МП необходимо совместить с первым контактом на шнуре (шлейфе). Первый контакт на шнурах часто отмечается красным цветом.

Регуляторы напряжения

Очень важен вопрос правильного питания компонентов материнской платы. Огромное количество проблем возникает из-за некачественного питания элементов, что часто приводит к неработе, неустойчивой работе и даже выгоранию некоторых элементов (особенно в слотах). Источник питания подает 5В прямого напряжения на МП, следовательно, для некоторых компонентов системы требуется регуляция мощности (например, для регуляции напряжения на ядре CPU). Для этого используется дополнительный модуль, который называется VRM (модуль стабилизатора напряжения), или плата регулятора напряжения, встроенная в интегральную схему и впаянная в PCB.

Для того, чтобы использовать как можно больше различных типов процессоров, схема должна держать определенный диапазон напряжения. Для этого обычно на плату устанавливается набор резисторов соединенных с рядом контактов. Сейчас на большинстве МП стоит так называемый автодетект (автоопределение), это значит, что схема сама определяет и распределяет напряжение, ориентируясь по контактам VID[0:4] на процессоре, что исключает потребность в джамперах. Но на процессорах AMD лучше выставлять напряжение вручную, теперь это легко осуществляется через BIOS.

Конденсаторы

Конденсаторы обеспечивают ровный поток напряжения в схеме. Это очень важно потому, что потребление энергии процессором может меняться мгновенно от низкого к высокому и наоборот, особенно когда выполняется режим приостановки работы (HALT) или возвращение в нормальное состояние. Регуляторы напряжения не могут реагировать мгновенно на изменения, для этого и "сглаживается" напряжение.

Генератор тактовых импульсов (Clock Generator Chip)

Каждый компонент в компьютере работает по синхронизующим импульсным тактам (clock, CLK), выдаваемым тактовым генератором - но не каждый компонент работает на одних и тех же частотах (тактах). В компьютерах класса 486 и выше применяется деление опорной частоты генератора для синхронизации шин и внутреннее умножение частоты в процессорах.

BIOS и RTC (часы реального времени)

Программный код, необходимый для управления дисками, видеокартой, клавиатурой, портами и другими компонентами компьютера. Данное аппаратно встроенное программное обеспечение размещается в микросхеме ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, или ROM – Read Only Memory), установленной на материнской плате компьютера. В силу этого BIOS доступна постоянно, независимо от работоспособности внешних компонентов, таких как, например, загрузочные диски.

В современных материнских платах используются, как правило, микросхемы Flash BIOS, система BIOS в которых может перезаписываться при помощи специальной программы, что облегчает модернизацию кода BIOS при появлении новых устройств, которым нужно обеспечить поддержку (например, новых типов микросхем оперативной памяти).

В настоящее время наиболее популярны Award BIOS и AMI BIOS.

Для того, чтобы дать BIOS-у знать какой специальный компонент должен поддерживаться, существует интегральная схема CMOS, которая содержит особые параметры пользователя, которые считываются сразу после того, как определен процессор. Эта схема обычно встраивается в чип часов реального времени (Real Time Clock [RTC]), в котором содержится информация о дате и времени. До меню параметров в CMOS можно добраться через специальное меню во время POST при нажатии клавиши DEL или F1 в то время как производится подсчет памяти, и далее изменения вводятся вручную. Эти изменения должны быть сохранены для того, чтобы они вступили в силу. RTC и CMOS хранят информацию только тогда, когда поступает напряжение, которое подается из небольшой батарейки 2032 на МП. Если эта батарея повреждается или отсоединяется, информация в CMOS теряется и должна быть введена заново во время следующей загрузке.

Процессорный разъем

Спецификация разъема определяет как сам конструктив разъема, так и назначение контактов, электрические параметры, определяет порядок взаимодействия с шинами данных, особенности взаимодействия с оперативной памятью и т. д.

Сегодня актуальны Socket 478, Socket 775 для семейства Intel Pentium 4, для процессоров от AMD - Soket A, Socket 754, Socket 939. Естественно, ни электрически, ни архитектурно эти конструктивы не совмещаются, а цифра после слова socket означает всего лишь количество процессорных «ног».

Системный набор (Chipset, чипсет)

Системный набор (Chipset, чипсет) – набор системных микросхем, обеспечивающих работу процессора, системной шины, интерфейсов взаимодействия с оперативной памятью и другими компонентами персонального компьютера. Современные системные наборы (начиная с Intel 440LX) состоят из двух базовых микросхем – Северный мост (North Bridge) и Южный мост (South Bridge). Северный мост обеспечивать взаимодействие процессора, оперативной памяти и видеокарты, а также осуществлять обмен данными с южным мостом. Южный мост содержит в себе различные контроллеры управления. В частности, два двухканальных контроллера IDE, контроллер шины PCI, контроллер ввода-вывода (I/O контроллер, отвечает за интерфейсы СOM, LPT, PS/2), USB-контроллер и др. Между собой северный и южный мосты общаются напрямую, посредством специальной скоростной магистрали, — на этот счет у каждого производителя имеются собственные разработки. Существуют, однако, чипсеты (их называют интегрированными), в которых северный и южный мосты совмещены в одной микросхеме. Как правило, разработчики встраивают в эту микросхему еще и видеоконтроллер. Производителей системных наборов не так много. Лидером среди них является компания Intel. Однако широкое распространение получили также и наборы от таких фирм, как VIA Technologies, ATI Technologies, Silicon Integrated Systems.

Интерфейсы

Интерфейс – стандарт подключения устройств к системе. Под интерфейсом следует понимать разъемы, наборы микросхем, генерирующих стандартные сигналы, форматы стандартных сигналов.

Перечислим используемые интерфейсы.

ISA (Industry Standard Architecture – архитектура промышленного стандарта) – основная шина на устаревших материнских платах. Конструктивно данный интерфейс представляет собой разъем на системной плате, состоящий из двух частей – 62-контактного и примыкающего к нему 36-контактного сегментов. Пиковая пропускная способность не превышает 5.55 Mb. Раньше с помощью интерфейса ISA подключались такие устройства, как видеокарты, модемы, звуковые карты и т. д. На современных материнских платах этот интерфейс либо совсем отсутствует, либо имеется всего 1-2 разъема.

PCI (Peripheral Component Interconnect – соединение внешних компонентов) – самый распространенный и универсальный интерфейс для подключения различных устройств. Конструктивно разъем на материнской плате состоит из двух следующих подряд секций по 64 контакта. Шина PCI реализует синхронный обмен данными формата 32 и 64 бита. Поддерживается тактовая частота до 33 MHz (модификация PCI 2.1 – до 66 MHz). Пиковая пропускная способность при частоте шины 33 MHz – 132 Mb/s (разрядность – 32 бит) и 264 Mb/s (разрядность – 64 бит), при частоте шины 66 MHz – 264 Mb/s (разрядность – 32 бит) и 528 Mb/s (разрядность – 64 бит). С помощью этого интерфейса к материнской плате подключаются видеокарты, звуковые карты, модемы, контроллеры SCSI и другие устройства. Как правило, на материнской плате имеется несколько разъемов PCI.

PCI Express - новая стандартная системная шина.

Последовательная системная шина общего назначения.

Дата рождения — 22 июля 2002 года — опубликована базовая спецификация протокола и сигнального уровня, а также базовая спецификация на форм-фактор и энергопотребление карт и разъемы;

Фактически — совокупность независимых самостоятельных последовательных каналов передачи данных;

Сигнальный уровень 0.8 вольт. Каждый канал состоит из двух дифференциальных сигнальных пар (необходимо только 4 контакта);

Используется избыточное защищенное от помех кодирование — каждый байт при передаче представляется десятью битами;

Пропускная способность 2.5 Гигабита (250 МБ) в секунду для одного канала в каждом направлении одновременно (полный дуплекс), однако, следует учесть, что эффективная скорость передачи данных за вычетом избыточного кодирования составляет 2 Гигабита (200 МБ) ровно;

Стандартизированы 1, 2, 4, 8, 16 и 32 канальные варианты (до 6.4 эффективных Гигабайт в секунду соответственно, при передаче в одну сторону и вдвое больше при передаче в обоих направлениях). При передаче данных они передаются параллельно (но не синхронно) по всем доступным каналам;

Вся контрольная информация передается по тем же линиям что и данные, используется стек протоколов, из нескольких уровней, включая маршрутизацию данных;

Стандарт предусматривает и альтернативные носители сигнала, такие как оптические волноводы; Возможность динамического подключения и конфигурации устройств; Возможность распознавания и использования альтернативных (улучшенных) протоколов обмена.

Для подключения графических карт используется версия PCI Express x16. Теоретическая пропускная способность такой шины составляет до 4000 Мбайт/с независимо в обеих направлениях. Сравните с максимальной пропускной способностью AGP 8x, достигающей 2133 Мбайт/с, причем, лишь в одном направлении. Вполне очевидно, что новая шина с большим запасом перекрывает возможности современных графических процессоров и в перспективе может послужить дополнительным стимулом к их совершенствованию.

AGP (Acceleratecd Graphics Port – ускоренный графический порт) – интерфейс для подключения видеоадаптеров к отдельной магистрали AGP, имеющей выход непосредственно на оперативную память. Шина AGP обеспечивает высочайшую скорость передачи графических данных. Ее пиковая пропускная способность в режиме четырехкратного умножения AGPx4 теоретически имеет величину 1066 Mb/s. Интерфейс AGP конструктивно выглядит как отдельный разъем на материнской плате.

USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная магистраль) – относительно новый и перспективный интерфейс для подключения различных внешних устройств. Пиковая пропускная способность шины USB достигает 12 Mb/s. Возможно соединение до 127 внешних устройств по одному USB-каналу. На современных системных платах обычно имеется по два канала на контроллер. Данный интерфейс призван заменить такие устаревшие интерфейсы, как RS-232 (COM-порт) и параллельный интерфейс IEEE1284 (LPT-порт).

USB 2.0 - тот же USB, но со скоростью передачи данных до 480 Мбит/с. Очень рекомендую обратить на наличие этого перспективного порта особое внимание. Дело в том, что сейчас появляется много бытовой техники, которая для связи с компьютером использует именно этот порт. И будет обидно, если вы не сможете потом себе купить такую технику, только из-за того, что на вашем компьютере он отсутствует.

IEEE1394 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1394 – стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике 1394) – новый и перспективный последовательный интерфейс, предназначенный для подключения внутренних компонент компьютера и внешних устройств. Возможно подключение до 127 устройств к одному контроллеру с помощью единого шестижильного кабеля. Пиковая пропускная способность уже существующей версии этого интерфейса составляет 50 Mb/s, разрабатываемые модификации интерфейса будут иметь пропускную способность 200 Mb/s и даже вплоть до 800 Mb/s. Этот интерфейс будет использоваться для подключения жестких дисков, дисководов CD-ROM и DVD-ROM, а также высокоскоростных внешних устройств, таких как цифровые видеокамеры, видеомагнитофоны и т. д. Данный интерфейс призван заменить в будущем интерфейсы IDE/ATA и SCSI.

IDE/ATA (Integrated Drive Electronics – встроенная электроника накопителя; AT Attachment – подключение к AT) – интерфейс, предназначенный для обеспечения работы жестких дисков и других накопителей. Обеспечивается пиковая пропускная способность до 66 Mb/s (по новому протоколу UDMA/66). На материнских платах реализованы два канала IDE, к каждому из которых возможно подключение до двух устройств.

SCSI (Small Computer System Interface – интерфейс малых компьютерных систем) – интерфейс, предназначенный для обеспечения работы высокоскоростных устройств с большим объемом передаваемых данных, таких как жесткие диски, устройства для чтения и записи CD-ROM, сканеры и т. д. Существует много различных спецификаций данного интерфейса, отличающихся пиковой пропускной способностью, максимальным числом подключаемых устройств, максимальной длиной кабеля. Так, максимальная пропускная способность может достигать 80 и даже 160 Mb/s. Все SCSI-устройства управляются специальным SCSI-контроллером, реализованным чаще в виде отдельной платы расширения, устанавливаемой в свободный разъем на материнской плате. Однако выпускаются и материнские платы со встроенными контроллерами SCSI.

RS-232 – интерфейс обмена данными по последовательному коммуникационному порту (COM-порту). Управление работой COM-портов (число которых ограничено четырьмя) осуществляется специальной микросхемой UART16550A, расположенной на материнской плате. Физически разъем COM-порта может быть 25- или 9-контактным. С помощью данного интерфейса осуществляется работа и подключение таких устройств, как “внешние” модемы, мыши и др.

IEEE1284 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1284 – стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике 1284) – стандарт, описывающий спецификации параллельных скоростных интерфейсов SPP (Standard Parallel Port – стандартный параллельный порт), EPP (Enhanced Parallel Port – улучшенный параллельный порт), ECP (Extended Capabilities Port – порт с расширенными возможностями), как правило, используемых для подключения через параллельные порты компьютера (LPT-порты) таких устройств, как принтеры, внешние запоминающие устройства, сканеры, цифровые камеры. Со стороны LPT-порта установлен стандартный разъем DB-25 (25 контактов), а со стороны устройства используется разъем Centronics. Контроллер параллельного порта размещен на материнской плате.

ACPI (Advanced Configuration Power Interface – расширенный интерфейс конфигурирования и питания) – интерфейс, представляющий собой единую систему управления питанием для всех компонентов компьютера. Поддерживается новейшими модификациями BIOS материнских плат.

Типы разъемов оперативной памяти

На данный момент существует также несколько типов разъемов для установки оперативной памяти. Такие как: SIMM, DIMM, RIMM

SIMM (Single In line Memory Module - модуль памяти с одним рядом контактов) - модуль памяти, вставляемый в зажимающий разъем, помимо компьютера использующийся также во многих адаптерах, принтерах и прочих устройствах. SIMM имеет контакты с двух сторон модуля, но все они соединены между собой, образуя как бы один ряд контактов. Модули SIMM бывают двух видов (30 и 72 pin) основное различие в количестве контактов на модуле. Но 30 pin овые модули уже достаточно давно сняты с производства и вероятнее всего вы их не встретите.

DIMM (Dual In line Memory Module - модуль памяти с двумя рядами контактов) - модуль памяти, похожий на SIMM, но с раздельными контактами (172 pin то есть 2 x 84pin) контакты расположены с 2х сторон, но гальванически разделены в отличие от SIMM модулей, за счет чего увеличивается разрядность или число банков памяти в модуле. Также применены разъемы другого типа нежели чем для модулей SIMM.

CELP (Card Egde Low Profile - невысокая карта с ножевым разъемом на краю) - модуль внешней кэш-памяти, собранный на микросхемах SRAM (асинхронный) или PB SRAM (синхронный). По внешнему виду похож на 72-контактный SIMM, имеет емкость 256 или 512 кб.

COM порт - последовательный порт. Скорость обмена до 115kбит/с. Возможно подключения лишь одного устройства к порту. В основном используется для подключения манипулятора мышь или модема. Стандартно в материнскую плату встроено два последовательных порта.

PS/2 порты. Практически полный аналог COM порта. Служит для подключения клавиатуры или манипулятора мышь.

Разъемы для подключения дисковых устройств

FDD (Floppy Disk Drivers- Накопитель на Гибких Магнитных Дисках) Конструктивно представляет из себя 12х2 контактный игольчатый разъем с возможностью подключения двух дисководов. Устройство подключенное к перевитому шлейфу будет диском A:, к прямому B:. Реализовано одновременное обращение только к одному устройству.

HDD(Hard Disk Drivers- Накопитель на Жестких Магнитных Дисках) Конструктивно может быть выполнен в нескольких вариантах: IDE, SCSI

IDE- Более дешевый и в настоящее время самый распространенный интерфейс. Конструктивно представляет из себя 2х20 контактный игольчатый разъем. Стандартно контролер IDE имеет один такой разъем, к которому можно подключить до 2х дисковых устройств. Стандартно на материнской плате собраны 2а IDE контролера Primary и Secondary. Существуют также несколько протоколов обмена данными: UDMA/33 - 33MБ/сек и UDMA/66 - 66МБ/сек.

Протокол UDMA/66 обладает вдвое большей скоростью передачи данных за счет того, что данные передается по обоим фронтам тактирующего сигнала в отличие от UDMA/33, в следствии чего необходим шлейф в котором бы отсутствовали помехи от 2х параллельно идущих проводников. Для решения этой проблемы применяется 80 жильный шлейф каждый второй проводник которого соединен с общим проводом для уменьшения помех .

SCSI- Более дорогой и в настоящее время менее распространенный интерфейс. Один контролер может обслуживать от 1 до 32 устройств в зависимости от конструкции. Конструктивно различаются два типа SCSI.

Контролер SCSI внешне представляет из себя плату расширения либо он встроен в материнскую плату и тогда мы можем видеть лишь 25х2 игольчатый разъем. Скорость обмена до 20МБ/с.

Контролер UWSCSI внешне тоже представляет из себя плату расширения или встроен в материнскую плату и тогда мы можем видеть 34х2 трапециидальный разъем плюс для поддержки SCSI 25x2 игольчатый разъем. Скорость обмена до 80МБ/с по каналу UWSCSI.

Интеграция

Последние несколько лет одной из наиболее "горячих" тем была тема интеграции МП - нужно ли встраивать видео, звук, и другие возможности в МП. Большинство продвинутых пользователей и геймеров решительно выступают против интеграции МП, так это ограничивает возможности их выборе и считают, что интеграция должна осуществляться на МП класса low-end, которые поставляются на "массовый рынок". С другой стороны, производители находят интеграцию МП довольно привлекательной, так как это позволяет им представлять пользователю более функциональный продукт и в то же время снизить цену на товар в связи с уменьшением нескольких расширительных гнезд и меньших PCB.

Последнее время стало нормой использовать интегрированное видео и звук, а теперь уже и сетевые и модемные контроллеры стали интегрировать. В качестве интегрированного звука используются наиболее продвинутые контроллеры, удовлетворяющие спецификации AC’97.

В последнее время с удешевлением RAID-микросхем, которые все чаще стали применяться в МП, повысилась их популярность. Многие фирмы стали встраивать RAID в свои МП.

RAID - Redundant Array of Independent Disks - избыточный массив независимых дисков или Redundant Array of Inexpensive Disks - избыточный массив недорогих дисков.

Последним важным интегрированным средством стал аппаратный мониторинг – сначала он реализовывался на отдельных микросхемах (типа Winbond W83782D), а начиная с чипсетов VIA 694x и КТ133А аппаратный мониторинг был реализован в структуре чипсета.
__________________