Системные платы

Материнская плата представляет панель, на которой установлены различные типы разъемов, которые соединяются системными шинами. Размеры системных плат являются стандартизированными, они выпускаются в нескольких вариантах, что обуславливает размером и типом корпусов, в которые эти плати можно установить.

Системная, или материнская, плата персонального компьютера (System board или Motherboard) является основной системного блока, определяющей архитектуру и производительность компьютера. На ней устанавливаются следующие обязательные компоненты.

• Процессор(ы) и сопроцессор
• Память: постоянная, оперативная, кэш-память
• Обязательные системные средства ввода вывода: контроллеры клавиатуры, прерываний, DMA, таймеры, CMOS RTC, средства управления динамиком
• Интерфейсные схемы и разъемы шин расширения
• Кварцевый генератор синхронизации
• Схема формирования сброса системы по сигналу Power Good от блока питания или кнопки Reset
• Схема управления блоком питания (для плат и блоков ATX)
• Регуляторы напряжения питания – VRM (Voltage Regulation Module). Как правило, это управляемые преобразователи напряжения +5В в более низкое, требуемое для современных низковольтных процессоров и интерфейсов.
• Средства мониторинга состояния системного блока: измерители скорости вращения вентиляторов и температуры процессора и других высокотемпературных компонентов; измерители питающих напряжений; сигнализаторы несанкционированного доступа и т.п. Эти средства позволяют программно (через загружаемое ПО или меню CMOS Setup) снимать показания измерителей и датчиков,  а также при должной настройке вырабатывать прерывание, сигнализирующее о критических событиях, и даже предпринимать экстренные меры (вплоть до выключения питания при перегреве). Средства мониторинга присутствуют не на всех системных платах.

Кроме этих сугубо обязательных средств, на большинстве современных системных плат устанавливают и контроллеры НГМД, интерфейсы COM- и LPT- портов, 2-6 портов USB, пару каналов ATA. Этот набор по нынешним меркам является обязательным для «голых» системных плат, иногда к нему добавляют и контроллеры SCSI, FireWire. Существуют и системные платы с интегрированными видео- и аудиоустройствами, адаптером локальной сети и прочими, обеспечивающие полную функциональность компьютера без всяких карт расширения. Размещение на системной плате контроллеров, требующих интенсивного обмена данными (ATA, SCSI, графический адаптер), позволяет использовать преимущества локального подключения к шине памяти и процессора. Какая плата лучше – «голая» или с интегрированной периферией, - зависит от назначения компьютера.

Системные платы первых PC кроме процессора содержали несколько периферийных БИС (контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти, контроллер шины) и связующую логику на микросхемах малой и средней степени интеграции. Современные платы исполняются на основе чипсетов (Chipset) – наборов из нескольких БИС, реализующих все необходимые функции связи основных компонентов – процессора, памяти и шин. Чипсет определяет возможности применения различных типов процессоров, основной и кэш-памяти и ряд других характеристик системы, определяющих её возможности и перспективы модернизации. Его тип существенно влияет и на производительность  - при одинаковых установленных компонентах производительность компьютеров, собранных на разных системных платах может отличаться на 30%.

Основные виды системных плат:

• Объединительная
• Полноразмерная плата AT
• Плата Baby AT
• ATX
• LPX
• NLX

Системы с объединительными платами бывают 2-х типов: пассивные и активные. Пассивные объединительные платы не содержат никакой электроники, а имеют только разъемы шин, несколько различных буферов и драйверных схем, остальные элементы размещаются на платах расширения. Активные объединительные платы содержат схемы управления шиной и многие другие компоненты; на таких платах содержится вся необходимая электроника за исключением процессорного комплекса. Процессорным комплексом называют часть схемы объеденной платы, которая включает сам процессор и непосредственно связанные с ним компоненты, такие как тактовый генератор, кэш-память и т.д.

Большинство ПК используют активную плату с отдельным процессорным комплексом. Компания IBM использует такую конструкцию в самых мощных компьютерах серверного класса.

Полноразмерная плата AT:

12”*13” (30,5*33 см)

Такая плата помещается в полноразмерный системный блок AT или Tower

Baby AT

Может быть установлена в полноразмерном комплексе AT, причём для подключения клавиатуры на таких платах используется 5-тиконтактный разъем DIN.Эти плати можно установить практически в любой комплекс

Плата LPX

Для корпусов с уменьшенной высотой

Плата NLX

Эти платы наиболее перспективны, так как на них можно установить новые микропроцессоры с повышенным тепловыделением. Этот тип имеет ряд преимуществ: поддержка современных технологий – это особенно важно для пентиумов последних поколений, так как эти микропроцессоры требуют наличие специальной системы охлаждения; слоты расширения находятся непосредственно на системной плате, что обеспечивает возможность подключения современных видео карт для высоко эффективных видео мониторов.

Для материнских плат важной характеристикой является форм-фактор – этот параметр определяет поколение микропроцессоров, которые можно устанавливать на материнскую плату.

Для разъема SuperSoket7 могут использовать процессоры фирм IBM типа K6, К6-2. В разъем Slot1 процессоры фирмы Intel, такие как Pentium 2,3,4. На сегодняшний день Slot1 используют все процессоры высшего уровня.

Процессор

Процессор – это главная микросхема материнской платы; устройство ЭВМ, которое предназначено для управления ходом вычислительных процессов, логические операции. В ПК присутствует центральный процессор, который выполняет все основные операции, связанные с обработкой информации, кроме того ПК может быть оснащен сопроцессором, ориентированным на эффективное выполнение специфических функций, таких как:

• Математический сопроцессор для обработки информационных данных в формате с плавающей точкой
• Графический сопроцессор для графических изображений
• Процессор ввода-вывода для выполнения операций взаимодействия с периферийными устройствами.

Процессор имеет ряд устройств, среди которых выделяют: УУ – устройство управления, АЛУ – арифметически-логическое устройство.

Основные параметры процессора:

• Разрядность
• Рабочее напряжение
• Тактовая частота
• Коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты
• Размер кэш-памяти

Тактовая частота определяет количество элементарных операций выполняемых процессором за единицу времени. Тактовая частота измеряется в Герцах(1 операция/с). Чем выше таковая частота, тем больше команд может выполнить процессор, тем выше производительность. У современных процессоров 2 ГГц.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью командной шины, по которой передаются команды для выполнения. У Intel – 32, 64 разряда.

Рабочее напряжение процессора обеспечивается материнской платой и блоком питания расположенным в системном блоке (3 вольта). Снижение рабочего напряжения позволяет уменьшить размер.

Коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты – это коэффициент, на который необходимо умножить тактовую частоту материнской платы для достижения необходимой частоты рабочего процесса. Процессор получает сигналы от материнской платы, которая работает на частотах более низких, чем процессор. Тактовая частота материнской платы – 100, 133 МГц, коэффициент  - 4, 5.

Начиная с процессоров 486, процедура модернизации посредством замены процессора на более мощный, стала традиционной. Системные платы стали выпускать с расчетом на различные модификации и тактовые частоты процессоров. Процессоры стали устанавливать в стандартизованные ZIF-сокеты, а затем  и в слоты – щелевые двухрядные разъемы.

Кэш – память. Обмен данными внутри процессора производится значительно быстрее, чем обмен данными между процессором и оперативной памятью. Для того, чтоб уменьшить количество обрамлений к оперативной памяти внутри процессора создают сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ) или кэш-память. Когда процессору нужны данные для обработки информации, он сначала обращается к кэш-памяти, а только при отсутствии там данных обращается к оперативной памяти. Поэтому высокопроизводительные процессоры имеют повышенные объемы кэш-памяти.

Кэш-память бывает 3-х уровней:

• 1-го уровня – выполняется на одном кристалле с процессором и имеет объем несколько десятков килобайт
• 2-го уровня – выполняется на отдельном кристалле, но располагается в границах процессора с объемом 100 и более килобайт
• 3-го уровня – выполняется на отдельных быстродействующих микросхемах расположенных на материнской плате и имеет один и более мегабайт.

Статическая кэш-память на системной плате стала широко применяться с процессорами 386, 486 и Pentium, производительность которых сильно оторвалась от  быстродействия динамической памяти. Кэш на системной плате Pentium является вторичным, поскольку первый уровень кэширования реализуется внутри процессора. Для процессоров P6, Pentium 4 и AMD K7 вторичный кэш с системной платы перекочевала на микросхему (картридж) процессора.

В качестве кэш-памяти применяются следующие типы статической памяти:

• Anync SRAM, она же A-SRAM или просто SRAM, - традиционная асинхронная память
• Sync Burst SRAM, или SB SRAM, - пакетная синхронная память
• PB SRAM – пакетно-конвейерная синхронная память.