1.4 Состав и структура системной платы компьютера
Системная, или материнская, плата (англ. motherboard, MB; также mainboard) настольного персонального компьютера – это сложная сборочная единица на базе многослойной печатной платы, являющейся основой построения вычислительной системы.
На системной плате расположены следующие основные компоненты настольного персонального компьютера (рис. 1.8):
- центральный процессор (англ. central processing unit – CPU);
- микросхемы чипсета (англ. chipset – набор микросхем);
- микросхема загрузочного постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), содержащая BIOS (англ. basic input/output system – базовая система ввода-вывода);
- контроллеры шин и интерфейсов ввода-вывода и периферийных устройств;
- оперативное запоминающее устройства (ОЗУ, RAM – random access memory) в виде модулей памяти, установленных в специальные разъёмы;
- слоты для подключения плат расширения;
- разъемы для подключения периферийных устройств – клавиатуры, мыши, монитора, принтера и т. п.
Рис. 1.8 – Системная плата настольного ПК с обозначением основных компонентов
Дополнительная система охлаждения и периферийные устройства монтируются внутри шасси, в совокупности образуя системный блок компьютера. Некоторые из конструкций системных плат показаны на рисунках 1.8, 1.9.
Рис. 1.9 – Общий вид системной платы настольного компьютера
Форм-фактор системной платы. Форм-фактор (англ. form factor) – это стандарт, задающий габаритные размеры технического изделия, а также описывающий дополнительные совокупности его технических параметров, например форму, типы дополнительных элементов, размещаемых в/на устройстве, их положение и ориентацию (табл. 1.1).
Таблица 1.1 – Основные форм-факторы системных плат настольных ПК
| Форм-фактор системной платы | Физические размеры, (ширина × длина) | Спецификация, год | Примечание | |
| дюймы | мм | |||
| Массовые персональные компьютеры | ||||
| XT | 8,5 × 11 | 216 × 279 | IBM, 1983 | Оригинальная архитектура IBM PC/XT |
| AT | 12 × 11–13 | 305 × 279–330 | IBM, 1984 | Архитектура IBM PC/AT – Desktop/Tower |
| ATX | 12 × 9,6 | 305 × 244 | Intel, 1995 | Основная архитектура полноразмерных плат для системных блоков типов MiniTower, FullTower |
| MicroATX | 9,6 × 9,6 | 244 × 244 | Intel, 1997 | Сокращённый формат ATX. Имеет меньше слотов. Возможно использование блока питания меньшего размера |
| Mini-ATX | 11,2 × 8,2 | 284 × 208 | AOpen, 2005 | Разработаны по технологии MoDT (англ. Mobile on Desktop Technology), оптимизированной для мобильных процессоров |
Данный стандарт носит рекомендательный характер. Спецификация форм-фактора определяет обязательные и дополнительные компоненты. Однако подавляющее большинство производителей предпочитают соблюдать спецификацию, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость материнской платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт расширения) других производителей в будущем. Форм-фактор для компьютеров может определяться как для корпуса, так и для устанавливаемой в него системной (материнской) платы.
Основным компонентом персонального компьютера и, соответственно, системной платы является центральный процессор. Приведём определения для процессора и центрального процессора согласно стандарту [4].
Процессор – функциональная часть вычислительной машины или системы обработки информации, предназначенная для интерпретации программ.
Центральный процессор – процессор, выполняющий в данной вычислительной машине или системе обработки информации основные функции по обработке информации и управлению работой других частей вычислительной машины или системы.
Центральный процессор (ЦП; также центральное процессорное устройство – ЦПУ; англ. central processing unit, CPU) – электронный блок либо интегральная микросхема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором (рис. 1.10).
Рис. 1.10 – Процессор Intel Core 2Extreme X6800
Эволюция технологических процессов производства микропроцессоров фирмы Intel представлена в таблице 1.2. Из неё видно, что начиная с 2004 г. минимальный топологический размер в микропроцессоре стал меньше 100 нм, поэтому с этого момента можно начинать отсчёт эпохи наноэлектроники.
Таблица 1.2 – Эволюция технологических процессов фирмы Intel [6]
| Наименование процесса | Р854 | Р856 | Р858 | Рх60 | Р1262 | Р1264 | Р1256 | Р1268 | Р1270 |
| Внедрение, год | 1995 | 1997 | 1999 | 2001 | 2004 | 2005 | 2007 | 2009 | 2011 |
| Минимальный топологический размер, нм | 350 | 250 | 180 | 130 | 90 | 65 | 45 | 32 | 22 |
| Диаметр пластины Si, мм | 200 | 200 | 200 | 200/300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 |
| Межсоединения | Al | Al | Al | Cu | Cu | Cu | Cu | Cu | Cu |
| Диэлектрик затвора | SiO2 | SiO2 | SiO2 | SiO2 | SiO2 | SiO2 | High-k | High-k | High-k |
| Канал | Si | Si | Si | Si | Strained Si | Strained Si | Strained Si | Strained Si | Strained Si |
Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, ОЗУ и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие:
- а) контроллер оперативной памяти (ОЗУ, т. е. RAM), так называемый северный мост;
- б) контроллер периферийных устройств (ПУ), так называемый южный мост. Периферийными устройствами можно считать внешние по отношению к системному блоку компьютера устройства.
Логическое устройство системной платы показано на рисунке 1.11. Опишем наиболее важные после центрального процессора компоненты материнской платы – северный и южный мосты.
Рис. 1.11 – Логическая структура системной платы настольного персонального компьютера
Северный мост
Северный мост (Northbridge) – это системный контроллер, являющийся одним из элементов чипсета материнской платы, отвечающий за работу с оперативной памятью (RAM), видеоадаптером и процессором (CPU).
Северный мост отвечает за частоту системной шины, тип оперативной памяти и ее максимально возможный объем. Одной из основных функций северного моста является обеспечение взаимодействия системной платы и процессора, а также определение скорости работы. Частью северного моста во многих современных материнских платах является встроенный видеоадаптер. Таким образом, функциональная особенность северного моста являет собой еще и управление шиной видеоадаптера и ее быстродействием. Также северный мост обеспечивает связь всех вышеперечисленных устройств с южным мостом.
Северный мост получил свое название благодаря «географическому» расположению на материнской плате. Внешне это квадратной формы микрочип, расположенный под процессором, но в верхней части системной платы. Как правило, северный мост использует дополнительное охлаждение. Обычно это пассивный радиатор, реже – радиатор с активным охлаждением. Связано это с тем, что температура северного моста примерно на 30° выше температуры южного.
Завышенная температура вполне обоснована. Во-первых, северный мост находится в непосредственной близости от центрального процессора, во-вторых, он находится выше видеокарты, жестких дисков и южного моста. Это означает, что часть тепла от вышеупомянутых устройств доходит до северного моста. В-третьих, самое главное – северный мост отвечает за обработку команд самых сильных компонентов системы – процессора, памяти и графики. Поэтому повышенная температура является нормой для северного моста любой материнской платы.
Южный мост
Южный мост (Southbridge) – это функциональный контроллер, известен как контроллер ввода-вывода, или ICH (In/Out Controller Hub).
Отвечает за так называемые медленные операции, к которым относится отработка взаимодействия между интерфейсами IDE, SATA, USB, LAN, Embeded Audio и северным мостом системы, который, в свою очередь, напрямую связан с процессором и другими важными компонентами, такими как оперативная память или видеоподсистема. Также южный мост отвечает за обработку данных на шинах PCI, PCIe и ISA (в старых моделях).
Список обслуживаемых систем материнской платы южным мостом довольно велик. Помимо вышеприведенных IDE, SATA, USB, LAN и прочего, южный мост отвечает еще и за SM-шину (используется для управления вентиляторами на плате), DMA-контроллер, IRQ-контроллер, системные часы, BIOS, системы энергообеспечения APM и ACPI, шину LPC Bridge.
Выход из строя южного моста, как правило, приводит к отказу всей системной платы, т. к. он работает напрямую с внешними устройствами. Возможной причиной отказа может быть перегрев от короткого замыкания, например USB-соединителя. Возможны неисправности питания жесткого диска, т. к. в большинстве случаев южный мост не оборудован системой дополнительного охлаждения, поэтому он перегревается и сгорает. Реже причиной поломки южного моста является заводской брак. Деформация (излишние изгибы) системной платы также приводит к повышению нагрева южного моста с последующим выходом его из строя.
В персональном компьютере (а в последнее время и в компьютерах других типов) основная память состоит из двух частей – постоянной и оперативной. В очень небольшой по современным понятиям (она достигает нескольких мегабайт) постоянной памяти хранится программа начальной загрузки, называемая BIOS (Basic Input-Output System). Эта информация «зашита» в памяти, т. е. хранится постоянно. Оперативная память в момент включения компьютера не содержит никакой информации. При его включении на все блоки подается сигнал установки в исходное «нулевое» состояние, начинают формироваться тактовые импульсы и компьютер начинает работать.
Один из вариантов структуры системной платы мобильного персонального компьютера показан на рисунке 1.12 [6].
Рис. 1.12 – Структура мобильного компьютера с чипсетом i945GSE
Ещё одним из важнейших компонентов любого цифрового компьютера и, соответственно, системной платы (см. рис. 1.11) является генератор тактовой частоты (clock generator), по сути являющийся «сердцем компьютера».
Генератор тактовой частоты (или генератор тактовых импульсов – ГТИ) предназначен для генерации электрических импульсов с заданным периодом повторения (обычно прямоугольной формы) с целью синхронизации различных процессов в компьютере. Базовая частота формируется кварцевым резонатором. Тактовые импульсы используются как эталонная частота – считая их количество, можно измерять временные интервалы. В микропроцессорной технике один тактовый импульс, как правило, соответствует одной операции. Хотя обработка одной инструкции может производиться за один или несколько тактов работы микропроцессора, в зависимости от архитектуры и типа инструкции. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.
Добавить комментарий