Реферат. Материнские платы.

МАТЕРИНСИЕ ПЛАТЫ

Введение.

Важнейшей частью и основой компьютера является материнская плата. Именно на ней расположены процессор, оперативная память, BIOS, чипсет, вспомогательные микросхемы и т. п. Материнская плата во многом определяет производительность и функциональные возможности компьютера, включая возможность модернизации. Высокие параметры материнских плат, а в конечном счёте, и всей системы компьютера, достигаются за счёт их постоянного совершенствования, основанного на использовании новейших компьютерных технологий.

Традиционно центральным элементом, характеризующим вычислительные возможности компьютера, является процессор, подключаемый к материнской плате посредством соответствующего разъёма. Наибольшее распространение нашли разъёмы следующих типов: для процессоров Pentium, Pentium ММХ и аналогичных - Socket 7, для процессоров Celeron, Pentium II, Pentium III в зависимости от их исполнения - Slot 1 или Socket 370, для процессоров Pentium II Xeon, Pentium III Xeon - Slot 2, для процессоров типа AMD Athlon, AMD Duron, AMD ThunderBird - Slot А или Socket А. При этом с увеличением доли процессоров, подключаемых через разъёмы типа Socket, наращивается выпуск соответствующих материнских плат. Преемственность технологий и возможность модернизации компьютеров, созданных на основе материнских плат с разъёмами Slot 1/Slot А, обеспечивается за счёт использования соответствующих Socket-процессоров с помощью специальных плат-переходников.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИНСКОЙ ПЛАТЫ

1. Поддерживаемые процессоры. Каждый процессор характеризуется определённым набором параметров. Важнейшими являются тактовые частоты — внутренние и внешние, напряжение питания - одно или несколько, величины напряжений и т. д. Процессоры имеют определённые конструктивные отличия, тесно связанные с особенностям их внутренней структуры. Обычно для идентификации процессора достаточны следующие данные: фирма-изготовитель процессора; тип процессора, например, Pentium, Pentium II/III, AMD Athlon и т. д.; разъем подключения (Socket 7, Slot 1, Socket 370 и т. д.); внешняя и внутренняя частота.

2. Чипсет. В настоящее время на материнских платах используются самые разные чипсеты, которые влияют как на производительность материнской платы и её функциональные возможности, так и на стоимость платы, а в конечном счёте, на цену компьютера. Набор микросхем или чипсет, на базе которого строится материнская плата. Чипсет - самые большие (после процессора) микросхемы в компьютере, и самые большие из припаянных к материнской плате. Какие функции выполняет чипсет? Чипсет обеспечивает связь между основными узлами, расположенными на материнской плате, в первую очередь между процессором и памятью. Поэтому, естественно, от чипсета так же зависит производительность компьютера в целом, т.к. если, к примеру, чипсет медленно работает с памятью, то и система работает медленнее, нежели система с тем же процессором и памятью, но другим, более быстро работающим с памятью чипсетом. Но функция связывания всех компонентов в единую систему не единственная функция чипсета. Кроме того, современный чипсет содержит целый ряд основных, базовых контроллеров различных устройств, подключаемых к материнской плате.

Контроллер дисковода (его называют FDC - Floppy Disk Controller, а сам дисковод FDD - Floppy Disk Drive), к нему можно подключить 2 дисковода;

Контроллер жёсткого диска (контроллер принято называть IDE Controller, а жёсткий диск - HDD - Hard Disk Drive), причём встроенный в чипсет контроллер поддерживает 2 порта для подключения жёстких дисков, а к каждому порту можно подключить по 2 диска, т.е. к стандартной материнской плате можно подключить до 4 жёстких дисков.

Контроллер порта принтера (ещё его называют параллельный порт или LPT порт). Как ясно из названия к этому порту подключают принтер, так же нередко в этот порт подключают сканер.

Коммуникационные порты (2 шт.), говорят так же о последовательных портах, COM - портах. К этим портам может подключаться мышь, модем (устройство для связи с другими компьютерами по телефонным линиям), некоторые экзотические принтеры (обычно от мобильных компьютеров) и т.д.

Контроллер клавиатуры и контроллер специального порта мыши. Разъем такого вида принято называть PS/2. Поэтому говорят о PS/2 порте мыши и клавиатуры. 

Контроллер Универсальной Последовательной Шины (USB, Universal Serial Bus). Это достаточно новая шина, и интересная тем, что позволяет к одному порту подключить последовательно 127 устройств! Но, при этом нужно отметить, что текущая реализация USB в чипсетах обеспечивает весьма низкую скорость обмена с устройствами, но уже разработана новая версия шины USB, и в 2001 году она вероятно должна быть реализована в чипсетах. Обычно чипсет состоит из нескольких микросхем, чаще всего из двух. Эти микросхемы принято называть мостами (bridge). Одна микросхема обеспечивает связь компонентов системной платы, её обычно называют Северным мостом (North bridge), другая микросхема называется Южным мостом (South bridge), она ответственна в первую очередь за интегрированные в чипсет контроллеры. Бывают и другие названия микросхем чипсета (Hub, хаб, но об этом, как ни будь позже). Бывают чипсеты, состоящие так же из 1, 3, 4 микросхем. От чипсета, на базе, которого построена материнская плата, зависят все возможности, которые плата предоставляет. В частности, тип используемого процессора, тип и количество оперативной памяти зависят в первую очередь от чипсета. Итак, ясно, что чипсет является как бы сердцем материнской платы, и, безусловно, важнейшим её компонентом.

3. Системные шины и частотные параметры. С помощью существующих перемычек па плате или средствами BIOS можно установить необходимые тактовые частоты процессора: внешнюю — для процессора и его шины (FSB), внутреннюю — для процессора и кэш-памяти L1, L2. Например, одни платы поддерживают 50, 60, 66 МГц, вторые — 66, 100 МГц, третьи осуществляют поддержку 100, 133 МГц. Ну а некоторые позволяют устанавливать не только стандартные частоты — это обычно 60, 66, 100,133 МГц, соответствующие рекомендованным режимам, но и дополнительные частоты, позволяющие устанавливать форсированные режимы (overclocking).

4. Объем и тип внешней кэш-памяти (L2) для процессоров с разъёмом Socket 7. От объёма и типа кэш-памяти, как известно, зависит общая производительность ПК. Большинство материнских плат имеют объем кэш-памяти 512 Кбайт с возможностью расширения до 1 Мбайт или даже до 2 Мбайт.

5. Объем, тип и количество разъёмов оперативной памяти. Большинство современных материнских плат позволяют установить, как минимум, память до 256 Мбайт DIMM SDRAM, а некоторые — до 1 Гбайт и даже до 1,5 Гбайт.

6.Контроллеры и адаптеры. Современные материнские платы уже включают в себя контроллеры жёстких и гибких дисков, а некоторые из плат ещё и аудио- и видеоадаптеры. С одной стороны, это обеспечивает компактность ПК и полное отсутствие каких-либо конфликтов между устройствами. С другой стороны — сложнее выполнить модернизацию.

7.Количество и типы разъёмов (AGP, PCI, ISA, AMR) для плат контроллеров. Определяют количество и стандарт (AGP, PCI, ISA, AMR) подключения контроллеров, которые могут быть установлены в разъёмы (слоты) материнской платы. Это определяет функциональные возможности ПК. Необходимое число и типы слотов зависят как от уже существующих на плате интегрированных контроллеров, так и от решаемых на ПК задач.

ФОРМ-ФАКТОРЫ МАТЕРИНСКИХ ПЛАТ

Материнские платы классифицируются по так называемому форм-фактору (Form Factor). Форм-фактор определяет не только размеры материнских плат, но и ряд специфических характеристик, определяющих их функциональные и эксплуатационные свойства. При этом каждый формат требует соответствующего корпуса и блока питания. На сегодняшний день существует четыре преобладающих типоразмера материнских плат - AT, ATX, LPX и NLX.

1   Форм-фактор АТ

Форм-фактор АТ делится на две, отличающиеся по размеру модификации - AT и Baby AT. Размер полноразмерной AT платы достигает до 12" в ширину, а это значит, что такая плата вряд ли поместится в большинство сегодняшних корпусов. Монтажу такой платы наверняка будет мешать отсек для дисководов и жёстких дисков и блок питания. Кроме того, расположение компонентов платы на большом расстоянии друг от друга может вызывать некоторые проблемы при работе на больших тактовых частотах. Поэтому после материнских плат для процессора 386, такой размер уже не встречается.

Таким образом единственные материнские платы, выполненные в форм-факторе AT, доступные в широкой продаже, это платы соответствующие форматы Baby AT. Размер платы Baby AT 8.5" в ширину и 13" в длину. Почти все имеют последовательные и параллельные порты, присоединяемые к материнской плате через соединительные планки. Они также имеют один разъем клавиатуры типа DIN5, впаянный на плату в задней части. Гнездо под процессор устанавливается на передней стороне платы. Слоты SIMM и DIMM находятся в различных местах, хотя почти всегда они расположены в верхней части материнской платы.

Сегодня этот формат плавно сходит со сцены. Часть фирм ещё выпускает некоторые свои модели в двух вариантах - Baby AT и более новом - ATX, но это происходит все реже и реже. Не говоря уже просто об удобстве работы - так, чаще всего на Baby AT платах все коннекторы собраны в одном месте, в результате чего-либо кабели от коммуникационных портов тянутся практически через всю материнскую плату к задней части корпуса, либо от портов IDE и FDD - к передней. Гнезда для модулей памяти, заезжающие чуть ли не под блок питания. При ограниченности свободы действий внутри весьма небольшого пространства MiniTower, это, мягко говоря, неудобно. Вдобавок, неудачно решён вопрос с охлаждением - воздух не поступает напрямую к самой нуждающейся в охлаждении части системы - процессору.

Достоинства:

1. хорошо организованная стандартизация, широко развёрнутое производство позволяют использовать большой выбор корпусов и блоков питания;

2. простой и дешёвый в производстве дизайн.

Недостатки:

1. неэффективное охлаждение современных компонентов, может возникнуть потребность в дополнительных вентиляторах;

2. расположение процессора может вызвать проблемы с установкой плат расширения большой длины, например, полноразмерных — 330х120 мм;
3. разъёмы ввода/вывода подключаются к материнской плате посредством большого числа соответствующих кабелей, имеющих несколько стандартов распайки.

2   Форм-фактор LPX

Ещё до появления ATX, первым результатом попыток снизить стоимость PC стал форм-фактор LPX. Предназначался для использования в маленьких корпусах для построения дешёвых PC. Задача была решена путём довольно новаторского предложения - введения стойки. Вместо того, чтобы вставлять карты расширения непосредственно в материнскую плату, в этом варианте они помешаются в подключаемую к плате вертикальную стойку, параллельно материнской плате. Это позволило заметно уменьшить высоту корпуса, поскольку обычно именно высота карт расширения влияет на этот параметр. Расплатой за компактность стало максимальное количество подключаемых карт - 2-3 штуки. Ещё одно нововведение, начавшее широко применяться именно на платах LPX — это интегрированный на материнскую плату видеочип. Размер корпуса для LPX оставляет 9 х 13'', для Mini LPX - 8 x 10''. Разумеется, этот форм фактор не был предназначен для широкой замены Baby AT в массовом РС: его предназначение - дешёвые системы. Затем появился форм-фактор NLX, который начал вытеснять LPX.

3 Форм-фактор АТX

Неудивительно, что форм-фактор ATX во всех его модификациях стал популярным. Спецификация ATX, предложенная Intel ещё в 1995 году, нацелена как раз на исправление всех тех недостатков, что выявились со временем у форм-фактора AT. А решение, по сути, было очень простым - повернуть Baby AT плату на 90 градусов, и внести соответствующие поправки в конструкцию. К тому моменту у Intel уже был опыт работы в этой области - форм-фактор LPX. В ATX как раз воплотились лучшие стороны и Baby AT ,и LPX: от Baby AT была взята расширяемость, а от LPX - высокая интеграция компонентов. Вот что получилось в результате:

* Интегрированные разъёмы портов ввода-вывода. На всех современных платах коннекторы портов ввода-вывода присутствуют на плате, поэтому вполне естественным выглядит решение расположить на ней и их разъёмы, что приводит к довольно значительному снижению количества соединительных проводов внутри корпуса. К тому же, заодно среди традиционных параллельного и последовательного портов, разъёма для клавиатуры, нашлось место и для новичков - портов PS/2 и USB. Кроме всего, в результате несколько снизилась стоимость материнской платы, за счёт уменьшения кабелей в комплекте.

* Значительно увеличившееся удобство доступа к модулям памяти. В результате всех изменений гнезда для модулей памяти переехали дальше от слотов для материнских плат, от процессора и блока питания. В результате наращивание памяти стало в любом случае минутным делом, тогда как на Baby AT материнских платах порой приходится браться за отвёртку.

* Уменьшенное расстояние между платой и дисками. Разъёмы контроллеров IDE и FDD переместились практически вплотную к подсоединяемым к ним устройствам. Это позволяет сократить длину используемых кабелей, тем самым повысив надёжность системы.

* Разнесение процессора и слотов для плат расширения. Гнездо процессора перемещено с передней части платы на заднюю, рядом с блоком питания. Это позволяет устанавливать в слоты расширения полноразмерные платы - процессор им не мешает. К тому же, решилась проблема с охлаждением - теперь воздух, засасываемый блоком питания, обдувает непосредственно процессор.

Улучшено взаимодействие с блоком питания. Теперь используется один 20-контактный разъем, вместо двух, как на AT платах. Кроме того, добавлена возможность управления материнской платой блоком питания - включение в нужное время или по наступлению определённого события, возможность включения с клавиатуры, отключение операционной системой, и т.д.

* Напряжение 3.3 В. Теперь напряжение питания 3.3 В, весьма широко используемое современными компонентами системы, (взять хотя бы карты PCI) поступает из блока питания. В AT-платах для его получения использовался стабилизатор, установленный на материнской плате. В ATX-платах необходимость в нем отпадает.

Достоинства:

1. благодаря конструкции блока питания и расположению процессора и памяти обеспечивается эффективная система охлаждения элементов;

2. лёгкий доступ к памяти и процессору для модернизации;

3. фиксированное расположение разъёмов устройств ввода/вывода на плате, отсутствие проблем при установке.

Недостатки:

1. необходимы специальные, более сложные и дорогие по сравнению с AT блок питания и корпус;

2. сложный дизайн материнской платы, что сказывается на её цене.

Для материнских плат для процессоров Pentium 4 стандарт ATX имеет отличие, он называется ATX 2.03 или ATX12V. Для таких плат отличается в первую очередь блок питания, он должен иметь соответствующие коннектора для подключения к P4-плате. Законодателем мод (Intel) предписывается три разъёма питания на плате для Pentium 4: «стандартный» ATX (позиция 1 на рисунках), «квадратный» 4-Pin ATX12V (позиция 2 на рисунке), и 5-pin «половина AT-разъёма» (AUXPWR) (позиция 3 на рисунке).

Таким образом, если конструкцией платы не предусмотрена работа в случае если все необходимые коннекторы не подключены к разъёмам питания, она просто откажется работать. Однако даже если жёсткой блокировки запуска нет, угроза нестабильной работы все же остаётся. Некоторые платы вместо ATX12V и AUXPWR имеют разъём питания, который уже знаком Вам (используется при подключении стандартного HDD/CDROM), что снимает часть проблем со стабильностью питания. Таким образом, перед началом экспериментов имеет смысл выяснить, имеет ли вообще смысл их начинать: быть может, Ваша плата для Pentium 4 не будет работать с старым БП в любом случае.

Во исполнение требований спецификации РС99 в конструкции современных материнских плат используют цветные разъёмы для подключения внешних устройств.

Один из вариантов расположения разъёмов ввода/вывода на материнской плате стандарта АТХ с интегрированным аудио:

4  Форм-фактор Micro ATX

Форм-фактор ATX разрабатывался ещё в пору расцвета Socket 7 систем, и многое в нем сегодня несколько не соответствует времени. Например, типичная комбинация слотов, из расчёта на которую составлялась спецификация, выглядела как 3 ISA/3 PCI/1 смежный. Несколько неактуально не сегодняшний день, не так ли? ISA, отсутствие AGP, AMR, и т.д. Опять же, в любом случае, 7 слотов не используются в 99 процентах случаев, особенно сегодня, с такими чипсетами как MVP4, SiS 620, i810, и прочими готовящимися к выпуску подобными продуктами. В общем, для дешёвых PC ATX - пустая трата ресурсов. Исходя из подобных соображений в декабре 1997 года и была представлена спецификация формата micro ATX, модификация ATX платы, рассчитанная на 4 слота для плат расширения.

Достоинства:

1. меньший по сравнению с АТХ размер, уменьшающий цену платы;

2. благодаря конструкции блока питания и расположению процессора и памяти обеспечивается эффективная система охлаждения;

3. лёгкий доступ к памяти и процессору;

4. разъёмы I/O расположены на плате, что облегчает процесс сборки и настройки;

5. в качестве корпуса и блока питания могут использоваться стандартные АТХ или меньшие по размеру Mini АТХ.

Недостатки:

1. изменение размера повлекло за собой уменьшение количества слотов расширения;

2. сложный дизайн материнской платы, что сказывается на её цене.

5   Форм-фактор NLX

Форм-фактор NLX нацелен на применение в низкопрофильных корпусах. При её создании брались во внимание как технические факторы (например, появление AGP и модулей DIMM, интеграция аудио/видео компонентов на материнской плате), так и необходимость обеспечить большее удобство в обслуживании. Так, для сборки/разборки многих систем на базе этого форм-фактора отвёртка не требуется вообще.

Особенности NLX:

* Стойка для карт расширения, находящаяся на правом краю платы. Причём материнская плата свободно отсоединяется от стойки и выдвигается из корпуса, например, для замены процессора или памяти.

* Процессор, расположенный в левом переднем углу платы, прямо напротив вентилятора.

* Вообще, группировка высоких компонентов, вроде процессора и памяти, в левом конце платы, чтобы позволить размещение на стойке полноразмерных карт расширения.

* Нахождение на заднем конце платы блоков разъёмов ввода/вывода одинарной (в области плат расширения) и двойной высоты, для размещения максимального количества коннекторов.

Вообще, стойка - очень интересная вещь. Фактически, это одна материнская плата, разделённая на две части - часть, где находятся собственно системные компоненты, и подсоединённая к ней через 340 контактный разъем под углом в 90 градусов часть, где находятся всевозможные компоненты ввода/вывода - карты расширения, коннекторы портов, накопителей данных, куда подключается питание. Таким образом, во-первых, повышается удобство обслуживания - нет необходимости получать доступ к ненужным в данный момент компонентам. Во-вторых, производители в результате имеют большую гибкость - делается одна модель основной платы, и стойка под каждого конкретного заказчика, с интеграцией на ней необходимых компонентов. Вообще, вам это описание ничего не напоминает?

Достоинства:

1. лёгкий доступ к материнской плате для модернизации;

2. плата спроектирована так, что её можно легко извлечь из корпуса;

3. в качестве центрального узла используется кросс-плата.

Недостатки:

1.     необходимы специальные (NLX) корпус и блок питания.\

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

1 AMR (другой аналогичный стандарт CNR и ACR).

Альтернативный (и перспективный) путь частичной интеграции на материнскую плату аудио и модема — это реализация AMP. Расшифровывается это сочетание как Audio-Modem Riser. Практически это реализация спецификаций АС'97. То, что раньше называлось Digital AC'97 Controller, ныне переименовано в AMR - контроллер, который встраивается непосредственно в набор микросхем поддержки. На материнскую плату выносится общая часть модема и звуковой карты, а именно ЦАП и АЦП. На материнской плате появляется также очень короткий (всего 46 контактов) слот, куда вставляется специальная карта. А уже на карте расположены остальные блоки для реализации функций модема и звуковой карты. Их там окажется совсем немного — пара специализированных DSP и аналоговые части (например, усилитель). На карте также будут находиться все внешние разъёмы: для подключения колонок, микрофонов, телефонной линии, телефона, а может, и просто телефонной трубки и т. д.

2 Аппаратный мониторинг.

Контролировать состояние наиболее важных рабочих параметров поможет аппаратный мониторинг, интегрированный в чипсет или реализованный на системной плате в виде отдельной микросхемы. Благодаря этому вы сможете получить информацию о напряжении на микросхемах, скорости вращении вентиляторов, температуре процессора и системной платы. При достижении критических температур есть возможность предупредить пользователя или даже выключить компьютер

2   IrDA - коннектор.

Коннектором IrDA называют разъем для инфракрасного приёмника/передатчика. Физическое подключение производится к одному из СОМ-портов (обычно это COM2), а при подсоединении дополнительной платы возможен обмен данными с любым устройством, снабжённым подобным приёмником/передатчиком. Инфракрасная связь позволяет соединяться на расстоянии до одного метра в режиме «точка-точка» и использует инфракрасный диапазон от 850 до 900нм. Связь между устройствами устанавливается в полудуплексном режиме.

3   Технология Dual BIOS.

Использование этой технологии позволяет значительно повысить надёжность функционирования компьютера, т.к. в случае отказа одной микросхемы с BIOS, её роль берет на себя вторая, запасная микросхема. Здесь поясним вкратце, что BIOS это микросхема, связывающая компоненты материнской платы и платы расширения в единое целое. Грубо говоря, она— «спинной мозг» компьютера. Эта программа записана в специальную микросхему, установленную на материнской плате. При выключении питания эта программа не стирается. Но, чтобы иметь возможность оперативно изменить её в случае появления нового устройства (например, новой модификации процессора), предусмотрена опция по «перешиванию» этой микросхемы обновлённой программой BIOS самим пользователем. Обычно новый BIOS можно «скачать» на свой компьютер через Интернет, с сайта производителя материнской платы.

4   Интерфейс Digital Video (DV) или, по-другому IEEE 1394 (i. LINK).

Данный высокоскоростной интерфейс (до 400 Мбит/с) предназначен для ускоренной перекачки больших массивов данных в реальном времени. В последнее время стал особенно популярен для транспортировки видеопотоков. Используется, например, для подключения к системе цифровых видеокамер. Последняя, в этом случае, может быть подключена к компьютеру напрямую. Физически, соответствующий набор микросхем и разъёмов выпускается в виде отдельной платы, устанавливаемой в слот (её цена порядка 100$), или в виде интегрированного на материнскую плату узла. Цена материнской платы, в этом случае, примерно на 50$ выше обычной. Поэтому определиться, насколько IEEE 1394 вам нужен, лучше до покупки материнской платы.

5   RAID - контроллер.

Это специализированный контроллер для работы с несколькими винчестерами одновременно. Причём, для того, чтобы подключить, допустим, два винчестера к компьютеру никаких специальных контроллеров не нужно. В этом случае их объем просто суммируется. RAID же позволяет разбить данные на небольшие блоки и записать их сразу на все винчестеры. Считываются они, соответственно, одновременно с 2-х или 4-х и более винчестеров, что соответственно повышает скорость работы. Новый интерфейс ULTRA ATA 100 или 133 здесь совсем не лишний. Есть у RAID и другие возможности (подробнее поговорим об этом в уроке, посвящённом жёстким дискам). Здесь же отметим, что, как и IEEE 1394, RAID-контроллер может быть выполнен или в виде отдельной платы, или интегрирован на материнскую плату. В последнем случае он обойдётся значительно дешевле.