Материнская или системная плата компьютера и её компонеты
Раньше я вел очень активную жизнь: играл в теннис, футбол, занимался шахматами и стрельбой, участвовал в автогонках, соблазнял красивых девушек… Но все закончилось, когда сгорела материнская плата на компьютере!
Неизвестный автор
Наверняка любой пользователь, даже самый безнадежный «чайник», когда-либо слышал это словосочетание – «материнская плата». И это неудивительно – ведь от качества и возможностей этого элемента компьютера во многом зависит надежность и эффективность работы ПК, а, следовательно, этот компьютерный термин пользуется большой популярностью.
Каждый компьютер – это сложное устройство, в котором расположено множество узлов и микросхем. Казалось бы, разместить их всех так, чтобы они друг другу не мешали и могли бы эффективно взаимодействовать – это непосильная задача для конструкторов. Но решение этой задачи было найдено – оказывается, достаточно разместить все самые важные микросхемы, в том числе, и процессор, на одной-единственной большой плате.
Эволюция материнских плат
Бесспорно, основополагающим составным элементом компьютера является материнская плата. Каждый пользователь ПК, несомненно, слышал о ее существовании. Но не каждый имеет более или менее четкое представление о том, что она из себя представляет.
Материнская плата — это комплекс определенных устройств, обеспечивающих работу системы ПК в целом. Основные элементы материнской платы — встроенный процессор, оперативное запоминающее устройство, система BIOS, различные контроллеры ввода и вывода информации и разъемы расширения.
Самая первая материнская плата принадлежит к числу разработок фирмы IBM, датируемая августом 1981 года. Она называлась PC-1. Ее более усовершенствованная модель РС-2 появилась немногим позже в 1983 году. Основным преимуществом и отличием от РС-1 последней модели РС-2 являлась поддержка 256 Кбит памяти вместо 64 Кбит, а также наличие возможности поддержки устройств расширения (к примеру, жесткого диска, видеоадаптера) без дополнительной коррекции в программировании.
Характеристики материнской платы прямо пропорциональны размерам и габаритам микропроцессора. В 1976 году известная фирма Intel успешно разработала усовершенствованную модель микропроцессора 8086. В сравнении с предыдущей моделью 8080 размеры данной были увеличены вдвое, что обусловило возможность увеличения производительности в десять раз. Дополнительным преимуществом являлось увеличение размера информационных шин до 16 разрядов, что способствовало удвоенному ускорению передачи данных на микропроцессор и с него. А увеличение размера адресной шины до 20 бит позволило 8086 держать под прямым контролем 1Мбайт оперативной памяти.
Следующая модель микропроцессора 80286 обрела уже 24-разрядную адресную шину, что обусловило увеличение оперативной памяти до 16 Мбит.
В 1985 году создана модель Intel 80386, отличительной характеристикой которой от предыдущих являлось увеличение адресной шины до 32 разрядов и увеличение числа адресных характеристик до 32. Данные преобразования позволили микропроцессору прямое обращение к уже 4 Гб постоянной памяти. Помимо этого, важным достижением является то, что данный процессор мог еще работать и с 16-тью триллионами виртуальной памяти.
Следующим новаторским этапом в эволюционное развитие материнской платы является создание процессора 386SX. Отличительной чертой его от предыдущей модели 80386 является 16-битный вход и выход шины данных
Последующее поколение процессоров 486 отличается уже 32-разрядной архитектурой. Наличие внутренней памяти 8 Кбит со сквозной записью 16 Кбит. SX конфигурации не имеют встроенного процессора. Модели DX 2 отличаются использованием механизма внутреннего удвоения частоты, предоставляющего возможность увеличения скорости работы в два раза.
Значительно опережают по характеристикам быстродействия и пропускной способности созданные в 1989 и 1995 годах микропроцессоры Pentium и Pentium Pro, благодаря привнесению в архитектуру супер скалярных расчетов. Данная тенденция предоставила возможность увеличения в пять раз производительности процессоров по сравнению с предшественниками.
Шина — это канал передачи данных, необходимый для обеспечения совместной работы определенных блоков системы ПК. Эволюция шин передачи данных является составным и основополагающим моментом эволюции материнской платы.
Шина PC/XT-bus является первой, специально разработанной для компьютерных конфигураций PC/XT, основополагающим моментов которых являлось наличие микропроцессоров. 8-разрядная архитектура и контролер данной шины обеспечивали работу на частоте микропроцессора 4,77 Мгерц. А с появлением компьютеров PC/AT с 16-разрядными процессорами 80286 и 80386 (SX) была создана шина PC/AT-bus.
Усовершенствованная конфигурация шины способствует росту тактовой частоты процессора до 16 Мгерц, что обусловило выполнение деления тактовой частоты контролером пополам для обеспечения необходимой тактовой частотой работы шины.
Эволюция оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) также неразрывно связана с эволюцией материнской платы. В первых ПК функционировали стандартные RAM-чипы по 16 Кбит. Каждому биту принадлежал свой собственный уникальный адрес. Немногим позже после внедрения XT создано ОЗУ, главными характеристиками которого являются реализация работы с большими объемами информации до 64 Кбит и более низкая себестоимость. 1984 год отличается появлением в области развития компьютерной техники микросхем ОЗУ в 256 Кбита.
В последующий период архитектура материнской платы не претерпевает значимых изменений, а, вернее, в состав остается прежним (процессор, шины адреса, передачи данных и управления, разъемы расширений, контролеры ввода и вывода).
На нынешний момент в материнскую плату внедряют контролер HDD и внешние устройства (порты COM и LPT). Архитектура материнской платы видоизменялась с соответствии с микропроцессором. Изменялись шины, увеличивалась их разрядность и пропускная способность. Микропроцессоры нового поколения (4004 — Pentium Pro) отличаются очень весомыми изменениями в данных показателях от предыдущих.
Под материнской платой понимают нынче только “зеленую” плату (или green mothrboard). На данный момент, благодаря американскому агентству защиты окружающей среды (EPA) была освещена проблема излишнего потребления компьютерными системами электроэнергии и предложение перехода на более эргономичные режимы, существуют только системные платы, которые позволяют реализовать несколько экономичных режимов потребления энергии. Оборудование, удовлетворяющее ее (EPA) требованиям должно в среднем не превышать напряжения в 30 Вт, не использовать или выделять токсичные материалы или вещества и реализовывать 100% утилизацию. Так как микропроцессоры нового поколения используют напряжение питания 3,5-4 В, а на плату выводится 5 В, на системных платах устанавливают преобразователи напряжения.
Одной из новейших тенденций развития являются разработки фирмы Intel по созданию микропроцессора, совместимого как с процессорами ПК, как и с процессорами RISC архитектуры — основным направлением изменения конфигураций материнской платы на ближайшее будущее.
Микропроцессоры
Архитектура материнской платы напрямую зависит от внешней архитектуры микропроцессора.
В 1976 году фирма Intel начала усиленно работать над микропроцессором 8086. Размер его регистров был увеличен в два раза, что дало возможность увеличить производительность в 10 раз по сравнению с 8080. Кроме того размер информационных шин был увеличен до 16 разрядов, что дало возможность увеличить скорость передачи информации на микропроцессор и с него в два раза. Размер его адресной шины также был существенно увеличен — до 20 бит. Это позволило 86-му прямо контролировать 1М оперативной памяти.
Вместо 20-разрядной адресной шины 8088/8086 80286 имел 24-разрядную шину. Эти дополнительные 4 разряда давали возможность увеличить максимум адресуемой памяти до 16 М.
Intel 80386 был создан в 1985 году. С увеличением шины данных до 32 бит, число адресных линий также было увеличено до 32. Само по себе это расширение позволило микpопpоцессоpу прямо обращаться к 4Гб физической памяти. Кроме того он мог работать с 16 триллионами байт виртуальной памяти. Существует модификация процессора Intel80386 — 386SX. Главное отличие его от 80386 это 16-битный вход/выход шины данных. Как следствие его внутренние регистры заполняются в два шага.
Все процессоры семейства 486 имеют 32-разрядную архитектуру, внутреннюю кэш-память 8 Кб со сквозной записью (у DX4 — 16 КВ). Модели SX не имеют встроенного сопроцессора. Модели DX2 реализуют механизм внутреннего удвоения частоты (например, процессор 486DX2-66 устанавливается на 33-мегагерцовую системную плату), что позволяет поднять быстродействие практически в два раза, так как эффективность кэширования внутренней кэш-памяти составляет почти 90 процентов. Процессоры семейства DX4 — 486DX4-75 и 486DX4-100 предназначены для установки на 25-ти и 33-мегагерцовые платы.
Первой системной, разработанной для компьютеров PC/XT, в основе которых лежали микропроцессоры, была шина PC/XT-bus. Она была 8-и разрядной а ее контролер обеспечивал работу на чистоте микропроцессора (4,77мгц). С появлением машин типа PC/AT, использующих 16-и разрядные микропроцессоры 80286, а позже и 80386 (версия SX), была создана шина PC/AT-bus. В связи с ростом тактовой частоты микропроцессоров до 12-16 МГц контролер выполнял ее деление пополам для обеспечения приемлемой тактовой частоты работы шины.
Эволюция микросхем ОЗУ вплотную связана с эволюцией персональных компьютеров. Для успеха настольных компьютеров требовались миниатюрные чипы ОЗУ. По мере увеличения емкости памяти цена скачкообразно возрастала, но потом постоянно уменьшалась по мере отработки технологии и роста объемов производства.
Первые PC реализовывались на стандартных RAM-чипах по 16 Кбит. Каждому биту соответствовал свой собственный адрес.
Где-то около года после представления XT появилось ОЗУ с большими возможностями и более эффективное с точки зрения его цены. Хотя новые микросхемы могли вмещать по 64 Кбит, она были дешевле чем 4 по 16 Кбит. Системная плата PC была создана с учетом использования новых микросхем памяти. Через несколько лет 64 Кбитные чипы стали настолько широко распространены, что стали дешевле чем 16 Кбитные микросхемы.
К 1984 году был сделан еще один шаг по увеличению объема памяти в одном корпусе — появились 256 — Кбитные микросхемы. И RAM чипы этого номинала были установлены на первых AT. А сегодня микросхемы в 1 Мбит стали обычным явлением.
За годы существования архитектура материнских плат для РС не претерпела особых изменений, точнее ее состав (микропроцессор; шины адреса, данных и управления; разъемы для плат расширения, внешней памяти, внешнего кэша; контролеров ввода/вывода и некоторых других вспомогательных с микросхем). На сегодняшний день в материнскую плату встраивают контролер HDD и внешними устройствами (COM и LPT: порты). Архитектура же материнской платы совершенствовалась вместе с микропроцессорами. Появлялись новые шины, увеличивалась разрядность, быстродействие шин, их пропускная способность.
Многие фирмы производители на свой страх и риск создают новые шины (в том числе и слоты расширения). Так достаточно известная фирма AsusTeK создала свой собственный слот MediaBus. На сегодняшний момент MediaBus больше никто не поддерживает, да и сама фирма AsusTeK создала только плату видеоадаптера, соединенную с звуковой картой. Правда MediaBus представляет собой просто расширенную PCI дополнительным разьемом. В приложении приведено таблиц с собственными тестами нескольких материнских плат для PC, выпускаемыми фирмой AsusTeK.
Говорить о материнской плате в отдельности от всех остальных частей компьютера не возможно — это комплекс, работающий как один организм. Тенденции развития материнских плат в основном диктуются развитием микропроцессоров. Микропроцессроры сделали огромный прыжок вперед (4004 — Pentium Pro). Но CISC архитектура построения процессоров практически иссякла. Фирма Intel и HP уже работают над созданием нового процессора поддерживающего (совместимого) как с процессоры для PC так и процессоры, построенными на RISC архитектуре. Вслед за процессорами, материнские платы будут тоже менять свою конфигурацию и архитектуру и направление этого развития лежит в сторону RISC-архитектуры.
Материнская плата
Материнская плата – основная плата компьютера, обычно самая большая по размеру. На ней размещаются:
• процессор — основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;
• микропроцессорный комплект (чипсет) — набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;
• шины — наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
• оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) — набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;
• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) — микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;
• разъемы (слоты) для подключения дополнительных устройств – дочерних плат.
Существуют материнские платы самых разных форматов (AT, ATX, LPX,NLX, Mini-, Micro-ATX, Micro-NLX, Flex-ATX). Основные характеристики материнских плат:
• тип используемого процессора (зависит от разъема для установки процессора);
• число и тип разъемов для установки дочерних плат;
• возможность обновления BIOS.
Чипсет – это набор микросхем, необходимых для взаимодействия процессора со всем остальным электронным хозяйством. Первые чипсеты обычно состояли из четырех микросхем. Сегодня в основном чипсеты состоят из двух микросхем, одна из которых называется южным мостом, а другая – северным. Если взглянуть на материнскую плату, то без труда можно найти эту пару – это самые крупные микросхемы после процессора. По их маркировке можно определить производителя и марку чипсета.
От модели чипсета зависят все основные характеристики платы: поддерживаемые процессоры и виды микросхем памяти, тип системной шипы, порты для подключения внешних устройств. Современные чипсеты имеют множество встроенных контроллеров (дисков, портов ввода-вывода, шин USB и IEEE 1394).
Знать производителя и марку чипсета не менее важно, чем производителя и марку процессора, поскольку функциональные возможности компьютера определяет чипсет, а от процессора лишь зависит скорость, с которой эти функции выполняются. Чипсет материнской платы должен быть согласован с процессором. Это значит, что не всякому процессору подойдет любая материнская плата и наоборот.
От чипсета прежде всего зависят частоты, на которых она может работать. От него зависит и возможный объем оперативной памяти, и количество дополнительных устройств, которые можно подключить к материнской плате.
Как видите, в материнских платах очень многое зависит чипсета. Он выполняет множество функций, причем с каждым годом их становится все больше. Несколько лет назад в компьютерах можно было найти дочернюю плату дискового контроллера – к ней подключались все дисководы. Сегодня такой платы уже нет. Функции этого контроллера отошли к «северному мосту» чипсета, и все дисководы подключаются к материнской плате напрямую. То же самое произошло со специальной платой, к которой подключали принтер. Сегодня все порты для подключения внешних устройств входят в состав материнской платы.
Чипсеты развиваются, и интеграция продолжается. Сегодня все чаще встречаются материнские платы, чипсеты которых способны выполнять функции видеокарты и/или звуковой карты. Принимая решение о покупке компьютера с интегрированными звуком и видео, оцените свои планы и перспективы. Если вы стремитесь получить функциональную систему за минимальную цену, это решение для вас. Если же вы хотите сохранить перспективы дальнейшего развития, затратив дополнительно 30-50 условных единиц, от приобретения интегрированных систем лучше воздержаться. Дополнительные затраты окупятся через пару лет, когда встанет вопрос о модернизации компьютера.
Процессор.Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Процессор состоит из десятков миллионов транзисторов, с помощью которых собраны отдельные логические схемы. Основные внутренние схемы процессора – арифметико-логическое устройство, внутренняя память (так называемые регистры), кэш-память (сверхоперативная память) и схемы управления всеми операциями и внешними шинами.
В настоящее время для ПК существует множество видов процессоров. Наиболее распространенными являются Intel-совместимые процессоры, которые используются в IBM-совместимых ПК. Самыми производительными из них являются процессоры Intel Pentium IV и AMD Athlon.
Самыми высокопроизводительными процессорами (из массово производимых) являются процессоры Alpha фирмы Digital. На сегодняшний момент они остаются более производительными, чем Intel-совместимые. Процессоры Alpha используются во многих мини-ЭВМ и суперкомпьютерах.
Часто различают процессоры CISC (Common Instruction Set Computer — процессоры с полным набором команд) и RISC (Reduced Instruction Set Computer -процессоры с сокращенным набором команд).
В CISC-процессорах для выполнения каждой команды используется своя микропрограмма, состоящая из набора микрокоманд. Каждая микрокоманда реализована на аппаратном уровне и выполняет какое-либо элементарное действие, необходимое для реализации различных команд. Конкретная команда процессора кодируется набором микрокоманд, образующих микропрограмму. Таким образом, программы формируются из команд процессора, а сами команды, в свою очередь, являются микропрограммами,
В RISC-процессорах каждая команда процессора реализована в виде отдельной схемы. Поэтому здесь каждая отдельная команда выполняется быстрее, но самих команд меньше, и для реализации некоторых действий, которые в CISC-процессорах выполняются одной командой, требуется несколько команд.
Традиционно в мэйнфреймах используются CISC-процессоры, а в мини-ЭВМ — RISC-процессоры. Процессоры Intel и совместимые с ними являются CISC-процессорами.
С середины 90-х годов грань между CISC и RISC-процессорами стирается, и на сегодняшний момент в процессорах Pentium IV используется много конструктивных решений, ранее характерных только для RISC-процессоров. В карманных компьютерах используются главным образом RISC-процессоры, поскольку они компактнее, значительно меньше нагреваются при работе и потому не требуют отдельной системы охлаждения
Разъемы для установки процессора (одного или нескольких) различны для процессоров Pentium III, Celeron (Socket-370), Pentium IV (Socket-423, Socket-478), AMD (Socket-462).
Основными параметрами процессоров являются: разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.
Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Чем больше разрядов имеют все схемы процессора, тем больше информации он обработает за единицу времени, то есть от разрядности процессора напрямую зависит производительность компьютера. Первые процессоры х86 были 16-разрядными. Начиная с процессора 80386 они имеют 32-разрядную, но для совместимости с программами, разработанными для младших моделей, микропроцессоры содержали набор 16-разрядных команд. До сих пор процессоры Intel обеспечивают поддержку выполнения старых 16-разрядных программ. Для работы с такими программами микропроцессор переключается в специальный режим, в котором он работает значительно медленнее. Процессоры Pentium уже поддерживали 64-разрядный обмен данными. Нынешние процессоры фирмы Intel уже частично 64-разрядные, т.е. имеют команды, рассчитанные на работу с 64-разрядными данными. В настоящее время активно выпускаются полностью 64-разрядные процессоры Intel (Itanium, Itanium-2). Однако они дорогие и пока используются только в высокопроизводительных серверах. Для использования их возможностей в обычных ПК пока нет соответствующих программ. Однако уже существует 64-разрядная версия Windows.
Кроме разрядности важную роль играет так называемая тактовая частота, на которую процессор рассчитан. Тактовая частота измеряется в мегагерцах. Один мегагерц – это миллион тактов в секунду. За один такт процессор выполняет какой-то фрагмент вычислительной операции, поэтому чем выше тактовая частота, тем быстрее процессор обрабатывает поступающие данные. В начале 2000 года тактовые частоты достигли 1 ГГц (1000 МГц). Сравните эту цифру со всего лишь 4.7 МГц у первых процессоров для IBM PC.
Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100-133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более, в результате чего и получается внутренняя частота. Многие процессоры имеют управляемый коэффициент умножения – его можно выбрать и установить при настройке компьютера с помощью перемычек материнской платы или программно. Но некоторые процессоры, например, такие как Intel Celeron, имеют «жесткие» коэффициенты умножения, управлять которыми нельзя.
Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область — так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.
Использование кэш-памяти позволило значительно поднять производительность компьютеров. Когда для 486-х процессоров впервые была применена технология кэширования, кэш-память располагалась на материнской плате как можно ближе к процессору. Сегодня кэш-память устанавливается «пирамидой». Самая быстрая по скорости, но самая малая по объему кэш-память первого уровня входит в состав кристалла процессора. Ее производят теми же технологиями, что и регистры процессора, в результате она оказывается безумно дорогой, но очень быстрой и, главное, надежной. Ее размер измеряется всего лишь десятками Кбайт, но она играет очень важную роль в быстродействии. Кэш-память второго уровня может располагаться на том же кристалле процессора (в этом случае она работает с частотой ядра процессора), но может располагаться и в отдельной микросхеме рядом с процессором (в этом случае она работает с половинной частотой ядра). Обычно объем кэш-памяти второго уровня измеряется сотнями Кбайт (128/256/512 Кбайт и т.д.). Самая большая, но и самая медленная кэш-память третьего уровня. Она к процессору не относится, поскольку устанавливается на материнской плате и работает с ее частотой. Ее размеры могут достигать 1-2 Мбайт. Размер кэш-памяти первого и второго уровня очень сильно влияет на стоимость процессора. Процессоры одной модели и с одной рабочей частотой могут различаться объемом кэш-памяти.
Различия между процессорами Pentium II-II1-IV и Celeron состоят главным образом в том, что у первых размеры кэш-памяти существенно больше. У процессоров серии Хеоn, предназначенных для серверов, кэш-память еще больше. С каждым новым поколением процессоров кэш-память увеличивается.
