PCB [Printed Circuit Board]

Руководство по материнским платам
Часть 1 - Основы
Некоторые люди считают материнскую плату несколько загадочным и сложным компонентом в системе. Большинство
покупают материнскую плату, основываясь на цене, думая, что все системные платы по существу одинаковы. Эту точку
зрения вполне можно понять, ведь системная плата особой функциональности не несет - судите сами, она не хранит никакой
информации, не производит никаких вычислений и печатает. По сути, все материнские платы играют роль посредника между
всеми компонентами, за счет которых происходит работа с реальной информацией.
Материнская плата по существу очень важный компонент в вашей системе и, надо заметить, что общая производительность
системы часто зависти от МП не менее, чем от процессора и ОЗУ. Каждый элемент должен взаимодействовать с котроллером
(устройство для обмена данными с какой-либо подсистемой или другим устройством компьютера), который передает данные
в систему и из системной памяти, после чего подключается процессор. Эти элементы есть - жесткие диски, накопители на
гибких магнитных дисках, CD-ROM'ы, принтеры, мыши, клавиатуры, мониторы… список очень большой. Так же существует
контроллер, который обрабатывает данные между процессором, кэш памятью и основной памятью системы. Эти контроллеры
обеспечивают надежность в работы вашей системы, совместимость и производительность всей вашей системы, со всем
большинством компонентов, расположенных на самой системной плате.
Кроме того, о схеме контроллера можно сказать, что большинство других компонентов на материнской плате это либо
сокеты, разъемы и просто контакты для подключения устройств, кабелей и проводов, либо компоненты, которые дают сигнал
синхронизации или регулируют распределение энергии, подающейся на разъемы. Среди них разъемы процессора, слоты
дополнительных карт и слоты памяти. О них о всех мы поговорим немного позже.
Многие пользователи, уже после того, как они приобрели МП, понимают, что она обошлась бы им дороже из-за всех тех
проблем, которые доставила диагностика той или мной проблемы, установка, даже если она досталась им бесплатно. Это
совсем не значит, что МП вы должны покупать первой, а затем все остальные компоненты к ней. Это значит то, что при
выборе МП надо быть не менее внимательным, чем при выборе процессора или видеокарты - иногда даже более.
Какова же выгода от обновления системы?
Большинство материнских плат требуют их замены уже через один-два года. Активное развитие технологий процессора,
памяти, жесткого диска и видеокарты "затмевает" возможности вашей МП. Что, впрочем, касается и других компонентов
системы. Для людей, у которых ПК - самоцель жизни и для геймеров, полное обновление своего "железного коня" обычное
дело, ели не считать обновлений памяти, видеокарт, которые осуществляются еще чаще.
Не смотря на то, многие пользователи считают, что для достижение наилучшей производительности системы необходим
мощный процессор и только, они ошибаются. Немаловажную роль играют в улучшении производительности улучшенные I/O
и скорость передачи данных памяти. Не каждая материнская плата, вышедшая год назад, сможет использовать все
возможности кого-либо новейшего жесткого диска, видеокарты или памяти. Другие же плюсы в обновлении МП, это новые
возможности в управлении питанием и подключения нового оборудования - например USB.
Многие МП предлагают интегрированные решения, включая звук, видео, LAN и SCSI контроллеры. Подобные МП не только
выигрывают в цене, они также имеют преимущества в установке, которая проходит быстро и легко. Большинство
продвинутых пользователей и геймеров предпочитают не интегрированные решения с целью выбора компонентов по своему
желанию для своей системы, хотя по большей мере это касается видеокарт и 3D акселераторов. Для тех же, кто замается
музыкой, звуковые карты класса high-end - необходимость, но как бы то ни было, большинство пользователей будет
удовлетворено возможностями интегрированных котроллеров звука/LAN.
Форм Факторы
Материнская плата должна иметь тот же форм фактор, что и блок питания в корпусе, в который она будет установлена,
который, в свою очередь, может быть либо AT или ATX в тех или иных вариациях. Компьютеры IBM PC AT имеют форм
фактор AT, который был уменьшен в размерах и стал называться Baby AT. На сегодняшний самый распространенный форм
фактор - ATX. Форм фактор ATX был представлен и разработан корпорацией Intel, чтобы устранить проблему, связанную с
помехами, влияющими на кабели, которые вызваны большими дополнительными картами и оборудованием для охлаждения
процессора. В ATX форм факторе так же используется 20-контактный разъем (против 12-контактного AT разъема), что дает
дополнительные возможности в питании.
Так как ATX был, по сути, разработан как "форм фактор будущего", он прошел через многое, перед тем как был одобрен, в
основном из-за того, что для него нужен был новый корпус. Корпуса ATX как правило дороже, чем корпуса AT, и, как
показывает опыт охлаждение не на много эффективней, чем корпусов AT со стандартным вентилятором.
Существуют разновидности этих двух стандартов, такие как 2/3 Baby AT или Micro ATX, но корпус для любого варианта
используется тот же самый. Основное отличие между двумя стандартами и их так сказать "родственниками", кроме отличия в
размерах, отличие в максимально допустимом количестве слотов для памяти и для дополнительных карт. Многие
интегрированные МП используют форм фактор Micro ATX из-за маленькой PCB и несколькими слотами для дополнительных
карт, что позволяет существенно сократить расходы.
Размеры обычных плат с форм фактором Baby AT примерно 21,5 сантиметров в ширину и 25 - 27,5 сантиметров в длину.
Платы с форм факторами 2/3 и 3/4 Baby AT того же размера, что и обычные платы Baby AT, но на 2,5 - 5 сантиметров
короче. МП ATX в основном 30 сантиметров в ширину и около 20 сантиметров длину, а платы Micro ATX на 10 сантиметров
короче.
Two additional form factors exist, called NLX and LPX, but these are used only by OEMs such as Compaq, Dell and others. Cases
and motherboards using these form factors are not available to the general public except in complete systems. These motherboards
can be identified by their single expansion slot, which takes a special 'riser' card. All PCI and ISA slots are on the riser card, with
sound and video generally integrated on the motherboard. The limited capability and relatively low end components on these
motherboards has helped to give a bad name to motherboard integration.
Поддержка процессора
Безусловно, процессор тоже должен быть совместим с МП. Основные типы разъемов для процессоров - Socket 7, Slot 1,
Socket 370, Socket A (Duron и Athlon), Slot A (старые Athlon), еще существовал, так называемый, Slot 2. Так как большинство
пользователей сперва выбирают и покупают процессор, при выборе и покупке МП надо быть предельно внимательным,
чтобы МП имела нужный разъем для процессора.
Разъем Socket 7 был предложен фирмой Intel одновременно с процессором Pentium 133 и заменил собой прежний Socket 5.
Процессоры Intel Pentium MMX и AMD K5 и K6 (все вариации), Cyrix 6x86 и MII, ADT Windchip и Windchip-2, а так же Rice mP6
все используют Socket 7.
Процессор устанавливается в керамическую или пластмассовую оправу с выходящими контактами для помещения его в
разъем. С помощью специального зажима у Socket разъема процессор легко устанавливается и, если надо снять процессор,
то он без проблем снимается. Такое строение называется ZIF (Zero Insertion Force) Socket.
С представлением своего нового процессора Pentium II, Intel изменил способ установки процессора. Intel хотел переместить
кэш второго уровня с МП ближе к процессору с целью увеличения скорости передачи данных. Они проделали это с
процессором с Pentium Pro, поместив его в керамическую оболочку вместе с чипом процессора (который назывался Socket 8).
Но этот процессор оказался дорогим для пользователей из-за технологии его изготовления: добавление контактов на
процессоре и встроенный SRAM. Для того чтобы снизить цену на PII, Intel поместил чип процессора и SRAM в картридж. Этот
картридж (Single Edge Cartridge или SEC) устанавливается стороной с тонким выступом в разъем (слот) на МП. Этот разъем
называется Slot 1. Этот разъем так же использовался для Celeron-ов до 1999 года.
Так же как и разъем Socket 8, Slot 1 имеет свой патент, что в свою очередь приводит к еще большей конкуренции среди
производителей процессоров и чипсетов. Это сказалось на цене продуктов Slot 1, но несмотря на это, Intel дал лицензии
таким производителям, как VIA, SIS и ALi для производства чипсетов под этот разъем. Правда, после раздачи патентов, у VIA
были некоторые разногласия с Intel-ом, но эта проблема разрешилась сама собой.
Один из последних разъемов является Socket 370, который был также разработан Intel-ом. Сейчас он используется для
процессоров Celeron, а PIII используют похожий Socket 370 FCPGA и Slot 1. Благодаря сокращению схемы процессора, Intel,
наконец-то смог установить кэш второго уровня в процессор, что повлекло новое повышение цен на процессоры. И как
результат этого, им пришлось вернуться к корпусу похожему на Socket 7.
Slot 2 является еще одним стандарт разъема, запатентованным, корпорацией Intel, и используется только для
высокопроизводительных процессоров линии Xeon. Раньше, в эту сферу рынка никто не смел и совать свой нос, так велико
было господство Intel - до недавнего времени. AMD вышел на этот рынок со своим новым высокопроизводительным дизайном
и стандартом разъема, который называется Slot A.
Дополнительная информация
Старые платы использовали FPM или EDO SIMM-ы (Single Inline Memory Module), но сейчас основной стандарт ОЗУ - SDRAM
DIMM-ы (Dual Inline Memory Module), а так же медленно, но верно входит в жизнь Rumbus, так называемые RIMM-ы. На
сегодняшний день вряд ли можно насчитать два-три чипсета, которые имеют поддержку для FPM или EDO, а производители
перешли на разъемы памяти DIMM, в основном из-за цены, которая значительно ниже. Перед покупкой МП важно убедиться,
что она имеет разъемы именно для той памяти, которую вы собираетесь приобрести, а так же узнать количество эти слотов.
Особенно это касается тех, кто обновляет свою систему и собирается переставить прежнюю память на новую систему - ведь
сейчас, как правило, пользователи не покупают все вместе: процессор, МП и память.
В число дополнительных слотов, присутствующих на плате, могут входить ISA (Industry Standard Architecture), PCI (Peripheral
Component Interface), AGP (Advanced Graphics Port) и AMR (Audio Modem Riser). Слоты ISA позволяют использовать 8-битные
и 16-битные карты, которые имеют рабочую частоту работы шины 8МГц. Еще существует определенный круг людей, у
которые используют эти "старинные" карточки, а тем временем, производители пытаются как можно скорей уйти от этого
стандарты и искоренить его. PCI слоты работают в 32-битном режиме и поддерживают скорость работы шины до 33МГц (в
определенных продуктах и 66МГц). AGP слот - это специальный 32-битный слот для видеокарт и работает он на частоте
66МГц, обеспечивая значительную пропускную способность для графических приложений.
Сегодня большинство материнских плат, если имеют слоты ISA, то один и едва ли два. И то один слот ISA как правило как
правило "подвисает" из-за нехватки места, так как для установки еще одной карты ISA нужно много места, а PCI слот
мешает, следовательно только один тип карты может быть установлен в один из этих двух слотов. Это значит, что плата с 2
ISA, 5 PCI и 1 AGP слотами будет устойчиво работать с 2 ISA и 4 PCI картами или же 1 ISA и 5 PCI картами.
Еще одна тема для обсуждения это поддержка продукта, надежность, совместимость и качество товара. Большинство
производителей не любят предоставлять поддержку своих продуктов для коечного пользователя из-за ценовых издержек.
Если же они и поддерживают, то они, как правило берут за это определенную платы за обслуживание. Для этого, совсем
неплохая идей взять и узнать у производителя , у которого вы покупаете продукт, что он обеспечит поддержку продукта в
течении всего гарантийного срока.
Безусловно, надежность и совместимость не могут быть определены, если вы просто взгляните на МП или даже если
проведете пару-тройку простых тестов. Наилучший подход для этого узнать побольше о прежних продуктах этого
производителя. Несколько часов, потраченных на чтение информации о фирме производителе и о ее товарах, избавит вас в
дальнейшем от лишней головной боли. Качество это такое щекотливое слово, которое воспринимается каждым человеком
по-своему. Не смотря на то, что некоторые авторы в своих обзорах пишут, что "эта МП хорошая", "эта плохая", но только
некоторые из них, если они вообще есть, имеют достаточно опыта для того, чтобы дать точную оценку на одно примере или
даже с нескольких образцов. Так что, наверное, будет правильней отталкиваться от надежности и совместимости МП, как
критерия качества МП пока вы не наберете достаточно опыта, чтобы дать качественную оценку той или иной МП.
Основы чипсета
Первые микрокомпьютеры выполняли функцию контроллеров для различных приборов, и представляли из себя отдельные
интегральные схемы, установленные на МП, но в связи с направленностью электроники на уменьшение размеров
компонентов, в конечном итоге они уместились на одной или двух ASIC (application specific integrated circuits специализированная интегральная схема). Основной целью при производстве Intel своих собственных чипсетов для Pentium
было обеспечить гарантию в совместимости и стабильности для их платформы x86. Другой причиной, было получение полной
уверенности, что их стандарт PCI (и все, что они сочтут нужным) будет встроен и встроен правильно.
Сейчас, довольно большой выбор на компьютерном рынке, как для тех кто обновляет систему, так и для тех, кто покупает
всю систему целиком. На протяжении нескольких лет, Intel владела примерно 90% рынка производителей чипсетов, но эта
ситуация изменилась. Как уже говорилось выше, основная направленность VIA, ALi и SiS это чипсеты под Socket 7, Slot 1,
Socket 370, Slot A и Socket A.
Традиционно, продукты Intel (как процессоры, так и чипсеты) считались самыми стабильными, высокопроизводительными и
самыми надежными. Сейчас ситуация день ото дня меняется - велика конкуренция на рынке товаров - Intel все еще можно
назвать лидером, но уже не с той уверенностью. Раньше ситуация складывалась так - другие фирмы-производители чипсетов
могли урвать свой куш на рынке только при условии, если Intel откажется от чипсета для Socket 7 и предпочтет Slot 1, и, как
мы помним, некоторые фирмы сделали на этом реальные капиталы, в их число вошли VIA, SiS и ALi, другие же фирмы
кинулись за Slot 1 (а там их уже поджидала Intel) и по существу проиграли, ведь, если поднапрячь свое серое вещество, то
можно вспомнить, как неохотно пользователи уходили с платформы Socket 7. И как показала история, индустрия вернулась к
тому, с чего начинала свое движение - к Socket-разъему.
Рынок не-Интеловских чипсетов позволил производителям приобрести больше опыта и поработать над проблемами
производительности и стабильности работы МП, но так же заставил производителей плат расширений и приборов уделять
больше внимания проблеме совместимости.
Интеграция МП и будущее
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 инетрация 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.
Не смотря ни на что, главная задача производителей - предоставить пользователю как можно больше возможностей и
функциональности вместе со своим товаром. В конце концов, мы, скорее всего, станем свидетелем того, что будут
изобретены специальные гнезда, куда будут вставляться графические чипы и тем самым видео возможности того или иного
продукта будут улучшены, примерно то же самое мы проделываем сегодня с процессором. Графическая память будет
встроена в графический чип, в МП или будет находиться и там и там (что-то вроде L1/L2 кэша для видео). Так же будут
включены модемы, звуковые и LAN контроллеры. Это позволит производителям устранить ISA слот, а так же большинство PCI
слотов. USB и IEEE1394 приборы потихоньку заменят сравнительно медленные серийные, параллельные, IDE и SCSI
приборы, которые сейчас наиболее распространены - что собственно сейчас мы и можем наблюдать.
Пока не буду учтены все нюансы из "старой школы" по поводу направления в развитии МП, очевидно, что все сведется к
тому, что то, что мы сейчас знаем в качестве ПК, превратиться в обычный ящик-прибор с торчащими из него штекерами и
разъемами для подключения внешних устройств, что-то вроде нынешних видеомагнитофонов и стереосистем. Ну а пока этого
не случилось, МП все еще является тем основным компонентом, о котором стоит иметь представление и выбирать
внимательно.
Часть 2 - Внутри МП
В этой части мы поближе взглянем на строение МП, а так же узнаем, что нам могут предложить чипсеты. Вместо того, чтобы
фокусировать свое внимание на таких вещах, как ISA/PCI/AGP слоты, SIMM/DIMM разъемы, гнезда для процессоров и других
очевидных компонентах, мы взглянем на электрические компоненты, которые определяют общее качество и стабильность
платы.
PCB [Printed Circuit Board] - Печатная плата
Печатная плата это и есть плата, на которой размещаются все компоненты. PCB обычно состоит из нескольких слоев,
состоящих из плоских камедевых пластин, между которыми находятся элементы цепи - соединительные линии, которые
называются "дорожки". Обычная PCB имеет четыре таких слоя, два слоя, которые находятся сверху и снизу являются
сигнальными слоями. Два слоя, которые находятся посередине будут использованы как заземление и пластина питания (см.
Рис. 1). Путем помещения пластин питания и заземления в центр, была достигнута наивысшая коррекция и защита сигнала.
Рис. 1
Для некоторых МП нужно шесть слоев, такими МП являются МП, разработанные для двухпроцессорных систем или же когда
количество контактов процессора превышает 425 контакта. Это потому, что сигнальные дорожки должны быть расположены
вдали друг от друга, чтобы предотвратить перекрестные помехи и дополнительные слои решают эту проблему. Платы,
состоящие из шести слоев, могут иметь три или четыре сигнальных слоя, одну пластину заземления и одну или две пластины
питания. В новых чипсетах три-четыре сигнальных слоя и две пластины питания вполне достаточно для того, чтобы
выдерживать дополнительные потребности в энергопотреблении (см. Рис. 2).
Рис. 2
Разметка и длина дорожек очень важна для нормальной работы системы. Основная задача снизить любое искажение сигнала
из-за пересечения дорожек. Чем длинней дорожка и/или выше скорость передачи сигнала, тем больше перекрестных помех,
откуда следует, что нужно увеличить расстояние между дорожками. Некоторые дорожки должны быть максимальной длины
для сохранения непрерывности сигнала, например, такие, которые подходят напрямую к процессору. Все дорожки,
подключенные к различным компонентам, должны быть не больше установленной допустимой длины.
МП могла бы использовать компоненты высоко качества, но все же она оставалась бы ненадежной, так как любая разметка
дорожек создает некоторые проблемы с непрерывностью сигнала. Единственный способ узнать является ли непрерывность
сигнала проблемой это измерить сигнал осциллографом или каким-нибудь специальным прибором, созданным для этой цели.
Для оверклокеров это может быть наиболее важным потому, что продукт может быть использован с нестандартными
настройками и параметрами отличными от тех, для которых он был разработан и, если разметка "хромает" могут возникнуть
проблемы с надежностью и стабильностью работы продукта.
Регуляторы напряжения
Различные компоненты, установленные на МП потребляют различное количество напряжения. Наиболее распространенные
компоненты потребляют 5В (такие как чип BIOS-а, часы реального времени, контроллер клавиатуры, DRAM чипы) и 3.3В (L2
кэш, чипсет, SDRAM чипы). Процессор может потреблять от 2В до 8В. Скачки напряжения могут легко повредить все
компоненты, и чтобы этого не произошло, на плату устанавливается регулирующая плата.
Главный источник питания дает 5В прям на МП, следовательно, для некоторых компонентов системы требуется регуляция
мощности. Хорошо, если есть дополнительный модуль, который называется VRM (модуль стабилизатора напряжения), или
плата регулятора напряжения встроенных в интегральную схему и впаянных в PCB. На процессорах Pentium, в основном
требуется два регулятора напряжения - один для контроля напряжения на I/O (3.3В), а другой для самого процессора или,
как еще говорят напряжение на ядре процессора.
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. Когда
определенные контакты замыкаются перемычкой вся схема трассируется через отдельный резистор (или набор резисторов),
что обеспечивает нужное напряжение на процессоре. Сейчас на большинстве МП стоит так называемый автодетект
(автоопределение), это значит, что схема сама определяет и распределяет напряжение, что исключает потребность в
джамперах.
Большинство процессоров класса Pentium известны как "пластина с удвоенным потреблением энергии" или "двойной
вольтаж" процессоры потому, что у них напряжение на ядре отличается от напряжения на чипсете и других компонентах
(напряжение на I/O). С другой стороны, модели процессоров Pentium старого класса потребляют 3.3В или 3.5В входного
напряжения. Их называют процессоры "питающиеся от одной пластины" и МП на которые они устанавливаются должны
обеспечивать нужное напряжение. Для этого второй регулятор напряжения обычно отключают либо через джамперы (VRE)
либо автоматически с помощью компонента MOSFET (канальный полевой униполярный МОП-транзистор).
Конденсаторы
В различных обзорах на сайтах большое внимание уделяется конденсаторах на МП. Не смотря на то, что конденсаторы
действительно важны, некоторые сайты даже указываю, что же такого в этих конденсаторах. Для начала подсчитайте
количество конденсаторов на вашей МП и посмотрите какого типа у вас конденсаторы оксидно-электрические алюминиевые
или танталовые.
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, точно так же, как дампа регулирует поток воды в реке.
Причина по которой танталовые конденсаторы могут быть предпочтительней, чем алюминиевые в том, что алюминиевые
оксидно-электрические конденсаторы имеют особенность опустошаться через определенный промежуток времени, а
следовательно терять свою емкость, в качестве их основного свойства можно отнести не точность, а скорее всего их
чувствительность к высокой температуре. Но не смотря ни на что, существуют электролитические конденсаторы, у которых
эффективное время работы достигает 20 лет - мне кажется, более чем достаточно для МП, которая устареет через пять лет, а
то и того раньше.
Важный фактор при выборе некоторых конденсаторов (не считая его емкость) это значение ESR, или Equivalent Series
Resistance (эквивалент последовательности сопротивления). Как правило, нужно всего несколько параллельно соединенных
конденсаторов для того, чтобы эффективно защитить схему и держать низкое сопротивление. Сопротивление понижает
напряжение и, вследствие этого, вырабатывается тепло, следовательно, значение ESR должно быть как можно меньше. Из
всего следует, что расположение и значение ESR конденсаторов являются критическими факторами, и не важно из какого
материала сделан конденсатор.
Генератор тактовых импульсов (Clock Generator Chip)
Каждый компонент в компьютере работает по импульсным тактам - но не каждый компонент работает на одних и тех же
тактах. ISA, PCI, AGP, USB и системная шина - все работают на скоростях отличных друг от друга и поэтому требуют свой
собственный тактовый сигнал. Процессору тоже нужен тактовый сигнал так же как и синхронным чипам памяти, таким как
SRAM, использующимся как L2 кэш и SDRAM использующимся как главная память, тоже нужен сигнал. Так вот генератор
тактовых импульсов и генерирует все эти тактовые сигналы.
Каждый чипсет МП имеет особые характеристики, которые выражаются в синхронизации (стробировании), но он не
генерирует обычные тактовые сигналы. Генераторы тактовых частот разработаны для особых чипсетов на МП и определяет
какой будет тактовая скорость системы, так же как и определяет какой будет скорость шины PCI. Скорость шины AGP может
быть определена, а может и не быть определена генератором тактовых частот, как, например, в чипсете i440BX. Такты шин
ISA и USB имеют постоянную скорость и также генерируются генератором.
Производители МП скорее всего выберут генератор часто, который будет встроен в чипсет, где будет содержаться
информация о том, сколько PCI и SDRAM слотов будут реализованы и какие частоты должна поддерживать системная шина.
Если бы даже чипсет позволял иметь различные такты PCI для делителей системной шины, генератор частот мог бы не
разрешить. Многих пользователей интересует, почему скорости системной и PCI шины частично управляется МП. Ответ
лежит в особенностях работы генератора частот.
BIOS и RTC (часы реального времени)
Для тог, чтобы компьютер запустил операционную систему, ему нужна "программа раскрутки". Эта программа загрузки
загружается из специально отведенного участка памяти и дает ровно столько информации, сколько надо для того, чтобы
получить доступ к компонентам необходимым для полной загрузки операционной системы. Например, программа должна
загрузить информацию об устройстве для FDD и HDD, а так же для видео системы.
На компьютере эта информация храниться в чипе постоянной памяти, которая называется BIOS (Basic Input/Output System).
Этот чип может иметь примерно от 512Kб до 4Мб памяти, который программируется на заводе и может быть
перепрограммирован только программой, которая включает специальный режим в котором память может быть перезаписана
новой загрузочной программой. Эту процедуру обычно называют "Прошивкой BIOS-а".
Когда компьютер включен, запускается специальный процесс, называемый Power-On Self-Test (POST)(Само-Проверка-ПриВключении), который определяет процессор, сколько установлено памяти и все ли зарегистрированные компоненты
присутствуют и работают. После того, как эта операция выполнена, алгоритм загрузки на каждом загружаемом устройстве
ищет специальный набор инструкций. Первый набор инструкций, который удовлетворяет критерию, загружается в память и
извлекается. Если все настроено правильно, эти инструкции завершат процесс загрузки, загрузив операционную систему.
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 процесса Power-On SelfTest (POST)(Само-Проверка-При-Включении), в основном это меню появляется в при нажатии клавиши DEL в то время как
производится подсчет памяти и далее изменения вводятся в ручную. Эти изменения должны быть сохранены для того, чтобы
они вступили в силу.
Если приборы настроены не правильно, система может не загрузить операционную систему или компоненты будут не
доступны после загрузки операционной системы. RTC и CMOS хранят информацию только тогда, когда поступает
напряжение, которое подается из небольшой батареи на МП. Если эта батарея повреждается или отсоединяется, информация
в CMOS теряется и должна быть введена заново во время следующей загрузке.
Другие компоненты
Все больше и больше чипсетов начинают поставляться со встроенными контроллерами. А ведь было время, когда даже IDE и
FDD контроллеры были отдельными, но на сегодняшний день большинство чипсетов имеют встроенные основные
контролеры, которые требуются для поддержки общих приборов, включая клавиатуру, мышь PS/2 и USB котроллер.
Существуют котроллеры, которые обычно не включаются в чипсет потому, что приборы, для которых они предназначены не
являются общепринятыми и требуют лишних расходов. Сюда входят SCSI и IEEE1394 (Firewire) контроллеры. Другая
причина, по которой какой-либо контроллер может быть не включен - это дополнительная гибкость, трансормируемость, как,
например, в случае с поддержкой аудио и видео компонентов.
Если производитель МП хочет включить поддержку прибора, который не поддерживается чипсетом, надо будет добавлять
дополнительный контроллерный чип.
Чипсеты
Отдельный и самый важный компонент МП это, конечно же, чипсет. Как говорилось ранее, чипсет определяет, какой
процессор поддерживается, какая память может быть использована и набор других характеристик.
Часть 3 - Установка МП
Если вы никогда не устанавливали МП, то вам лучше прочитать все статью, и приступать только после полного осмысления
того, что вы делаете. Вам так же стоит просмотреть Руководство Пользователя (или, как еще говорят в народе "мануал")
вашей МП, чтобы определиться с расположением всех слотов, джамперов, переключателей и разъемов. Руководство так же
может включать некоторые полезные советы по обращению с вашей МП, установке и настройке МП. Даже, если у вас уже
есть опыт в установке МП, вы, все же, сможете почерпнуть некоторую полезную информацию в этом обзоре.
Инструменты, которые вам понадобятся минимальны - отвертка, игловидные плоскогубцы и, возможно, немного
изолирующей ленты. Перед тем, как открыть блок, вы должны обесточить его и убедиться, что он правильно заземлен.
Статическое электричество, даже от вашего тела может серьезно повредить компоненты внутри вашего ПК, если вы будете
не аккуратны. Лучший способ заземлить себя это прикрепить себе на запястье руки металлическую ленту соединенную с
рамой блока, но, с другой стороны, вы можете достичь того же результата, если будете дотрагиваться до блока каждый раз
когда собираетесь дотронуться о компонентов.
Готовы…, открывйте блок и приготовьтесь провести по соседству час или два…
Проверка перед установкой
Посмотрите внимательно на МП - сверху и снизу - и убедитесь, что нет никаких проблем, заметных без внутреннего
вмешательства, в основном это какие-либо механические повреждения. Проверьте все гнезда, разъемы и контакты, чтобы
убедиться, что нет никаких повреждений и, что все крепления работают, те которые держат вентилятор CPU и модели
памяти.
Комплект новой МП должен включать, по крайней мере, три вещи: Руководство пользователя, так называемый "мануал"
и/или инструкция быстрого ознакомления, набор кабелей и CD или FDD диск драйверов/утилит. Руководство пользователя
содержит всю необходимую информацию по настройке конфигурации, на тот случай, если у вас возникнут вопросу по
установке и настройке. Может оказаться так, что у вас будет только электронная версия руководства пользователя на
прилагаемом CD и инструкция быстрого ознакомления, на которой содержится только та информация, которая нужна для
установки основных компонентов.
Каждый кабель или провод, подсоединенный к старой МП должен быть тщательно проверен для правильного
переподсоединения к новой МП. Обязательно запомните где находится шлейф гибкого, а где жесткого дика, провода для
индикаторов передней панели и выключатели на блоке.
Жесткие диски, накопители на гибких магнитных дисках и CD-ROM-ы используют плоские кабели (плоские, широкие и
обычно серого цвета), которые называют шлейфами. Если у вас два IDE кабеля, то надо определить какой из них будет
"первичным" (primary), а какой "вторичным" (secondary) для правильного переподсоединения позже. Об этом может быть
упомянуто в документации, а так же помеченным шелкотрафаретом на самой печатной плате. Вам так же следует определить
первый контакт на шлейфе, который находится со стороны, помеченной красной или синей линией. Если он будет
подсоединен неправильно, вы рискуете остаться бес HDD или FDD.
Провода передней панели индикаторов, как правило имеют плоский пластмассовый разъем цветом таким же как и у
индикатора, для которого он предназначен или помеченным названием выключателя на нем (то есть сброс, индикатор
питания, индикатор HDD, динамик, и. др.). Ваш CD-ROM также может быть подключен к звуковой карте, чтобы дать
возможность проигрывать аудио CD через колонки.
Удаление старой платы
Сначала вам следует удалить все платы расширения. Выкрутите болты, которые крепят каждую карту на своем месте и
потяните на себя, чтобы удалить карту из разъема. Если карт крепки сидит в разъеме, вы можете слегка ее аккуратно
приподнять эффектом рычага с помощью отвертки подсунув ее под самый верх крепления карты, как раз там где вы
откручивали болт.
В большинстве блоков сейчас вы уже сможете удалить МП. Но у некоторых блоков класса desktop, вам все-таки придется
убрать некоторые дополнительные компоненты, такие как отсеки для установки дисков. Если нужно, удалите еще пару
компонентов, но обязательно внимательно изучите, как вы их будете ставить обратно. Если у вашего блока есть выезжающая
панель или съемная панель для МП, то снять МП будет гораздо проще и при этом не повредить свои пальцы.
Еще будет, по крайней мере, один болт, крепящий МП к корпусу. Найдите их всех и удалите. Болты, которые держат МП,
прикреплены к латуниевым крепления (элементы жесткости), которые, в свою очередь, вкручены в дно/панель крепления
МП. Существуют так же нейлоновые крепления (элементы жесткости), которые просовываются через небольшие отверстия в
МП и прикрепляются к блоку защелкиваясь в отверстии. Нейлоновые крепления лучше всего удалять после того, как вы
достали МП из корпуса.
Удалив болты, вы сможете вытащить МП из корпуса. Если у вас возникли проблемы с этим из-за ограниченного пространства,
посмотрите на дно блока и постарайтесь определить какое крепление до сих пор в отверстии. Вот где съемная панель на
корпусе для МП играет действительно большую роль при замене МП.
Удалите нейлоновые крепления, зажав выпуклые места сверху крепления игловидными плоскогубцами и надавив на них,
чтобы они выскочили из МП. Вам они еще понадобятся на новой МП, так что положите их в безопасное место, желательно
вместе с выкрученными болтами.
Подготовка к установке
Чтобы сделать установку проще, вам следует выставить все джампер и переключатели на МП пока она вне корпуса, вместе с
процессором и памятью. Согласно настройкам по руководству пользователя для CPU и памяти. Большинство МП
автоматически выставят нужные значения, облегчив, тем самым, установку МП. Лучше всего первый запуск МП произвести
со стандартными настройками, даже если вы собираетесь разгонять какие-нибудь компоненты, хотя бы просто для того,
чтобы убедиться, что система работает нормально с обычными настройками.
Новая МП может иметь отверстия для креплений в отличных от прежней платы местах, так что вам лучше выяснить это сразу.
Отверстия, которые имеют серебренный изолятор вокруг них могут держать как нейлоновые, так и латуниевые крепления, в
то время как для отверстий у которых нет этой защиты могут быть использованы только нейлоновые крепления. Убедитесь,
что вставленный только те крепления, которые имеют согласованные отверстия на МП и блоке.
Аккуратно погрузите МП в корпус или на съемную панель, чтобы определить в какие отверстия в МП можно вставить
крепления. Если вы заметите, что одно из прежних креплений не имеет согласованного отверстия между корпусом и МП, то
это крепление лучше удалить или переместить. Прямой контакт между МП и корпусом (или чего-либо еще прикрепленного к
нему) может вызвать короткое замыкание и, возможно, даже повредить МП.
Установка
Вставьте нейлоновые крепления в МП с оборотной стороны, и надавите на них до тех пор пока не услышите щелчок зажимов.
Погрузите МП в корпус или на панель крепления МП, так чтобы выступы креплений попали в нужные отверстия, затем
поместите МП на свое место. Вставьте болты в отверстия, где находятся латуневые крепления и аккуратно закрепите МП.
Переустановите диски или другие компоненты, которые вам пришлось удалить для того, чтобы снять МП, а затем
подсоедините шлейфы и провода к МП. У большинства корпусов есть провода, которые не используются на нынешних МП,
эти провода для: индикатора Turbo режима и включения/выключения Turbo режима. Склейте их скотчем или изолирующей
лентой и отведите их к боковой стенке корпуса. Проверьте еще раз и убедитесь, что все шлейфы дисков подсоединены
правильно, таким образом, что цветной край шлейфа соответствует 1-му контакту, как на МП так и на приводе.
Вам так же надо будет подсоединить параллельные и последовательные кабели, если у вас корпус типа AT. Не следует
использовать кабели со старой МП, так как не все производители используют одинаковые выводы для серийных портов.
Используя кабели со старой МП, вы рискуете быть обманутыми самим собой и подумать, что МП не рабочая.
Установите все свои дополнительные карточки и закрепите их болтами, которые удалили раньше. Если карточка вставляется
туго, то можно слегка надавить пока она не встанет на место. Избегая покачивания карты из стороны в сторону или очень
сильного давления на МП, сильно надавив на карту.
Если же у вас очень много карт или мало слотов на МП у вас может возникнуть проблемы с креплением разъемов ваших
параллельных и последовательных портов. Этого можно избежать - большинство корпусов имеют выходы, с помощью
которых можно удалить параллельные и последовательные порты разъемы с зажимов и перенести их на заднюю панель
корпуса. Теперь вы можете подключить источник питания к МП.
У источников питания класса AT два разъема с метками P8 и P9, каждый из которых имеет 6 контактов, и они соединяются
вместе с черными проводами посередине. Если вы установите их неправильно, ваша МП не будет работать (но ничего
плохого с ней не случится - хотя никаких гарантий я не даю!). У большинства корпусов гнездо имеет небольшой выступ за
некоторыми контактами, которые должны совпадать с небольшими рубцами на штекере. Вам надо будет слегка наклонить
штекер назад, чтобы пазы попали в выступ, выпрямить и надавит для полного подключения.
Источники питания типа ATX имеют 20-контактный разъем, который устанавливается в одном и только в одном положении.
Подгоните пазы в штекере и разъеме, а затем надавите до тех пор, пока вилка не будет хорошо держаться в разъеме.
Теперь можно подключать ваши внешние устройства, такие как мышь, клавиатура и монитор. Неплохо будет, если вы
сначала подключите только то, что необходимо для проверки первичной установки МП и оставите корпус открытым на тот
случай, если придется изменить некоторые настройки.
Включение и конфигурация
Воткните шнур питания и включите систему. Если все было подключено правильно, МП запустит свою стандартную
процедуру POST (Power On Self-Test - об этом читайте в статье "Руководство по МП. Часть 2 - Внутри МП.") для проверки
памяти и идентификации определенных приборов. Во время процедуры POST, вам будет выдано сообщение о том, как войти
в настройки CMOS (обычно это осуществляется нажатием клавиши DEL), где вы сможете выставить основные настройки
системы и получить исчерпывающую информацию о своей системе.
Перед тем, как зайти в настройки CMOS, вам будет выдано меню с различными опциями. "Standard CMOS Setup" стандартные настройки - опция, в которой вы сможете выставить дату/время и указать возможные устройства для загрузки.
В большинстве случаев вам придется поставить свой жесткие диски на "Auto Detect" - автоопределение и указать настройки
для дисководов носителей на гибких магнитных дисках. Если у вас нет диска B:, поставьте значение на "Not Installed", - что
означает, не установлен. Нажав клавишу ESC, в, как правило, сможете вернуться в главное меню.
Для первого запуска выберите пункт меню "Load Setup Defaults" - загрузить настройки по умолчанию для того, чтобы
убедиться, что у всех настроек CMOS выставлены правильные значения. Если вы этого не сделаете, могут произойти
неожиданные ситуации так как эти значения определяю основные настройки для всех контроллеров чипсетов. Так что лучше
сначала убедиться, что система работает нормально с обычными настройками пере тем, как пытать менять настройки для
наилучшей производительности. Это поможет вам избежать некоторых проблем.
Вам так же может быть понадобиться установить специальные драйверы для МП - зависит от того какую систему и МП вы
используете. Это специальные программы, которые используется ОС для определения и использования всех возможностей
чипсета. Обратитесь к документации для того, чтобы выяснить нужно ли вам устанавливать дополнительные драйверы.
Проблемы
Иногда, даже самые осторожные пользователи могут просмотреть какой-либо момент и сделать ошибку. Решения к наиболее
часто допускаемым ошибкам вы найдете в статье "Справочник проблем, возникающих при обновлении вашей системы",
которую мы опубликуем чуть позже. Если ничего не может, то свяжитесь с поставщиком, у которого вы купили МП и
попросите помощи. Но, с другой сторон, это не всегда хорошая идея связываться с продавцом напрямую, так как
большинство поставщиков не работаю с клиентами на прямую.
Большинство пользователей полагаю, что любые возникшие проблемы связаны с неисправной МП. Эта ошибка создает еще
больше проблем, потому что может быть еще ряд причин, по которым могут возникнуть проблемы. И многие пользователи не
учитывают этот факт при покупке, и вот здесь как раз возникает вопрос о выборе хорошего поставщика. Когда появляются
проблемы документ о возвращении и поддержке продукта - в народе просто гарантия, играет решающую роль.
Если же у вас все-таки возникла проблема и вы собираетесь обратить к своему продавцу, соберите все необходимые данные
о вашей системе: перепишите все установленные устройства, драйверы, ОС и возможные тесты, которые вы, возможно уже
проводили с МП или каким-либо другим продуктом - и не забудьте гарантию!
В качестве заключения
После того, как ваша система загрузилась и работает нормально, вы можете зарыть корпус, установить драйвера, которые
могут поставляться с МП и привести в нормальное состояние вашу новую систему. В зависимости от того, какую ОС вы
используете, от вас может понадобиться сделать еще несколько дополнительных настроек. Windows 98/ME/2000 сам надет и
установит драйверы, для наиболее стандартных компонентов, а вот с Windows 95 могут возникнуть кое-какие проблемы. В
некоторых случаях вам надо будет переустановить вашу систему.
После установки МП, установка других компонентом покажется вам незначительной в сравнении. Так как установка МП не
так проста, как смена CPU или памяти, для вас может быть полезным узнать получше как работает компьютер. С этими
знаниями вам будет легче управлять вашим ПК и в тоже время сохранить деньги.
Технологии материнских плат. Руководство. Часть 1. (слово о процессорах)
Что к чему
В настоящее время компьютерная техника достигла такого уровня, что благодаря многолетним улучшениям и нововведениям,
а также при наличии огромного количества литературы на прилавках магазинов и в Интернет, собрать компьютер из
различных компонентов может хоть и не любой человек, но достаточное количество искушенных пользователей. Они вполне
способны самостоятельно правильно выбрать именно ему необходимые компоненты, все сконфигурировать и настроить.
Занятие системным инженерингом - вот то, что волнует умы множества людей, которые по-настоящему стремятся к
получению прежде всего своего собственного эффективного и доступного по цене компьютера, и, конечно же, практических
навыков по сборке и наладке аппаратуры.
Что же является основой любого персонального компьютера? Правильно, материнская плата. Именно она является главным
звеном, объединяющим все компьютерные компоненты; она определяет работу процессора и памяти, распределяет все
информационные потоки компьютера, и управляет питанием каждого компонента. Именно о материнских платах и пойдет
речь в этой статье: мы подробно рассмотрим работу материнских плат последнего поколения. Мы постараемся быть
объективными при обзоре каждой системы, будь это система для процессоров AMD, или Intel. Будут рассмотрены все
компоненты материнских плат, включая компоненты, которые были разработаны совсем недавно.
Следует предостеречь тех читателей, которые ждут от этой статьи методологии разгона: этого не будет. Статья посвящена
основным параметрам материнских плат, различиям в их архитектуре и их работе с новейшими процессорами.
Перед тем, как перейти непосредственно к различиям и особенностям материнских плат, необходимо немного времени
уделить общей концепции архитектуры современных ПК. Это поможет в дальнейшем лучше понять новые технологии
материнских плат.
Скорость и сбалансированная планировка
В современном ПК абсолютно все компоненты передают и принимают данные… Передача данных должна происходить очень
быстро, иначе сойдет на нет вся производительность системы в целом.
Центральный процессор - сердце любого ПК. Он претерпел огромные изменения со своего первого применения: первый
процессор для IBM PC - Intel 8088 работал на частоте 4.77 МГц, имел 16-битную внутреннюю архитектуру, и 8-битную шину
данных. Современные процессоры имеют 32-битную внутреннюю архитектуру, успешно перевалили частоту 1 и 2 ГГц, а
шина данных стала 64-битной.
Как видите, разработчики ЦП (центральный процессор) приложили немало усилий для улучшения процессоров… Но
величина тактовой частоты процессора в любом случае хоть и важный, но не главный фактор: производительность
компьютера определяется всеми компонентами компьютера в целом, увеличение же тактовой частоты не всегда означает
автоматическое увеличение производительности. В зависимости от процессора, работа при выполнении одного такта может
различаться.
В процессорах Athlon за один такт микропроцессора выполняется 9 различных операций. Процессор Pentium 4 выполняет
небольшое количество некоторых операций АЛУ (арифметико-логическое устройство) на двух устройствах - получается, что
эффективно количество операций за такт удваивается. Современные процессоры могут выполнять миллиарды таких тактов в
секунду, что и используют для своей работы другие компоненты компьютера, и, конечно же, пользователи.
Разработка процессоров ведется уже давно, но они все равно производят лишь общие математические операции, перенос
данных, а также операции сравнения. Производительность системы в последнее время определяется выполнением
различных мультимедиа операций: это обработка графики, звука и видео. Такой тип операций нуждается в очень быстром
переносе большого массива данных через всю систему с различными расчетами и выводами результата.
Сбалансированная планировка
Все эти расчеты графики, видео и звука, очень "прожорливы": иногда требуется практически вся мощность компьютера. В
такой ситуации для проектировщика очень важно создать полностью сбалансированную систему, когда возможности
процессора по обработке данных не тормозятся низкой пропускной способностью памяти. Ведь если пропускная способность
памяти будет недостаточной, процессор просто вовремя не получит необходимые ему данные, а в результате - будет
некоторое время простаивать. Это естественно приведет к потере потенциальной производительности.
Интересен и такой момент: некоторые процессорные компании, такие как Intel (а именно Intel Architecture Labs), сознательно
увеличивают напряжение на системных компонентах для того, чтобы они работали быстрее, даже если это компоненты
других фирм.
Ремарка Hardvision: Надо заметить, что такие методы увеличения производительности не бесконечны. Положение таково, что
кристаллы, из которых состоит каждый из применяемых на сегодняшний день процессоров, имеет свою критическую
температуру нагрева. Так вот при данных размерах кристаллов, которые производятся по технологическим процессам 0.13,
0.18, а в 2002 году и по 0.09 микрон охлаждение обычным кулером с радиатором вполне хватает, но при переходе на 0.03
микрон эта самая критическая температура кристалла достигнет своего апогея и они просто-напросто сгорят. Тоже самое
может произойти и при повышении напряжения на ядре процессора. Причем ни на воде, ни на жидком азоте радиаторы на
смогут охладить кристаллы до уровня нормально производительности или же это будет чересчур дорого и не рационально. И
в следствии всего вышесказанного производителям придется переходить на принципиально новые методы производства
процессоров.
Для улучшения ситуации с пропускной способностью, и Intel, и AMD предлагают и помогают внедрять все новые и новые
системные архитектуры для обеспечения нормальной работы быстрых процессоров. Кроме того, компьютерные энтузиасты
для увеличения производительности компьютера используют специальное внешнее оборудование, что в последнее время
очень критикуется компанией Intel. Но вернемся к материнским платам. Инженерам-разработчикам необходимо создавать
сбалансированные материнские платы, которые бы обеспечивали нормальную пропускную способность не только между
процессором и памятью, но и для всей системы. Современные материнские платы очень различаются в системной
архитектуре, но есть и общие принципы, о которых мы и расскажем в следующей главе.
Кэш-память: мощность и ограничения
От быстрого к медленному: Иерархия компьютера
Для начала рассмотрим такую важную часть системной архитектуры, как кэш-память. Кэш-память, находящаяся в самом ядре
процессора (во всех современных процессорах) - это самая быстрая память, в которую помещается информация, которая
необходима процессору. Первым делом процессор обращается к кэш-памяти 1 уровня при отсутствии нужной информации,
он обращается к кэш-памяти других уровней или берет ее из оперативной памяти.
Иерархия памяти
Рисунок выше наилучшим образом помогает представить принцип взаимодействия процессора, кэш-памяти, оперативной
памяти и устройств хранения информации. Чем ближе к процессору, тем емкость памяти уменьшается, а скорость увеличивается.
Нормальное значение производительности компьютера зависит от хорошо спроектированной и реализованной архитектуры
памяти, которая должна быть спроектирована так, чтобы на других этапах передачи данных не возникало перегрузок и
застоев в передаче данных.
Различные реализации кэш-памяти
До материнских плат поколений Pentium II, или Athlon, кэш-память второго уровня располагалась не на ядре (или плате, как
в Pentium II и ранних Pentium III и Athlon для Slot1 и SlotA) процессора, а выполнялась в виде обычной SRAM и
располагалась на материнской плате. Но с повышением производительности процессоров возникла острая необходимость
ускорить работу кэш-памяти второго уровня, именно поэтому она и перекочевала в ядро процессора (или на его плату - как
уже говорилось). Сейчас идут разработки для добавления еще одного уровня кэш-памяти - Level 3 cache, который будет
встроен в материнскую плату.
Кэш-память, размещенная в ядре процессора всегда гораздо быстрее и мощнее памяти, размещенной на материнской плате.
Кроме того, кэш, размещенный в ядре процессора, обладает следующим свойством: он работает одновременно и с данными,
и с инструкциями для процессора (по различным историческим причинам такая архитектура была названа Гарвардской "Harvard Architecture").
Как показало время, размещение кэш-памяти на ядре процессора, было очень удачным шагом: разработчики получили
возможность использовать гораздо более широкий интерфейс кэша. Даже в процессоре Pentium за такт передается 256 бит
(32 байт) инструкций для процессора. Эти 256 бит в Pentium это строка кэша (английский термин - cache line) (наименьшая
единица информации, которая может быть записана в кэш). Каждая линия имеет дескриптор кэша (английский термин cache tag), который обеспечивает разделение на строки КЭШа при очередном удачном обращении в него.
Кроме того, с введением встроенного в ядро кэша, стало возможным встраивать в кэш большее количество комплектов так
называемой ассоциативной памяти (английский термин tag memories), что делает кэш более доступным и значительно
снижает потери и неудачные обращения в кэш. В этой концепции есть и маленький минус: встраивание большого количества
комплектов ассоциативной памяти в кэш непременно влечет увеличение стоимости кэш-памяти, а также значительно ее
усложняет. К примеру, кэш с одним комплектом такой памяти называется "1-путным", или "кэш прямого отображения". Если
же кэш с 4 комплектами ассоциативной памяти, то он называется "4-х путным" ("4-way"). Компьютерные архитекторы уже
давно дискутируют, что же выбрать: производительность, или дешевизну… но больший объем кэш-памяти и количество
комплектов ассоциативной памяти в КЭШе на производительность влияют очень сильно: она значительно увеличивается.
Еще одно преимущество встроенного КЭШа - такая кэш-память может иметь несколько портов ввода/вывода, что позволяет
ядру ЦП производить синхронное чтение (англ. термин simultaneous read) и доступ к записи (англ. термин write access)
(подобно доступу к различным конвейерам). В некоторых процессорах применяется и многопортовая ассоциативная память.
Эти дополнительные порты также встроены в ядро. Питание кэш-памяти зависит от всех ее компонентов и ее объема: чем
больше количество компонентов КЭШа и объема кэш-памяти, тем больше необходимо затратить энергии.
Кэш память большего объема оказывается, как правило, медленнее, т.к. ее заполнение занимает большее количество
времени (кроме того, ей необходимо большее питание). Именно поэтому размер кэш-памяти первого уровня (Level 1 cache)
гораздо меньше, чем кажется разумным. К примеру, процессор Pentium4 имеет всего 8 Кб кэш-памяти 1 уровня плюс 12 Кб
предварительного КЭШа выполнения пути (Execution Trace Cache), который выполняет такую же роль, как и кэш-память
первого уровня для инструкций.
Дизайнеры Intel все время стремятся увеличить размер кэш-памяти, но сложность и дороговизна производства процессоров
вынуждает пойти на компромисс между мощностью и стоимостью.
Настоящий враг - латентность памяти (Memory Latency)
Следует знать и архитектуру памяти - ведь она является одним из главных компонентов компьютера, от которой также
сильно зависит производительной всей системы. Как правило говоря о памяти, мы зацикливаемся на таких ее параметрах,
как частота, пропускная способность и время доступа к ней, но совершенно упускаем из вида проблему латентности (время
ожидания, задержка) памяти. Различные нововведения, такие как встаивание кэш-памяти в ядро процессора и т.п. сделаны
для увеличения пропускной способности памяти, но они не уменьшают латентность. От латентности невозможно избавиться:
с каждым увеличением тактовой частоты процессора, увеличивается и латентность. Единственный выход - это менять саму
память.
С каждой стадией иерархии памяти появляется и большая латентность. Устройства, находящиеся вне ядра процессора имеют
просто огромные значения латентности, т.к. они получают доступ к процессору только через относительно медленную память
DRAM (Dynamic Random Access Memory). Новые технологии памяти DRAM, такие как RDRAM, хоть и имеют огромную частоту
работы, но сложность самой памяти, а также шины все же увеличивают среднюю латентность системы.
Чтобы показать актуальность и важность проблемы латентности, приведем такой пример: латентность из-за встроенной в
ядро кэш-памяти на быстрых системах приблизительно составляет 80 процессорных циклов!
Выход из ситуации
Но не все так мрачно, как кажется. Архитекторы процессоров адаптируют свои детища для неизбежной работы с
латентностью. Хорошо спроектированный, быстрый кэш - большая часть решения проблемы: по статистике, каждая третья
операция процессора - это операция с памятью. Но каждая 5 инструкция это одна из разновидностей операций условного
перехода, что делает кэширование очень непростой задачей, т.к. процессору очень трудно определить, что же необходимо
кэшировать, а что - нет. Именно поэтому производители процессоров наперебой хвастаются реализацией в их процессоре
алгоритма прогнозирования ветвлений, т.к. плохой прогноз приводит к потери уже загруженной памяти и загрузке новых
данных, что замедляет работоспособность.
Лучший выход из сложившейся ситуации с латентностью памяти - это полностью избегать эти огромные потери в кэшпамяти. Подход к решению проблемы был позаимствован у процессоров Centaur (теперь это процессоры Via Cyrix) - передать
большое количество транзисторов управлению кэш-памятью, а также на лучшую реализацию операций предсказания
ветвлений. Такое решение оказалось очень кстати в свое время, наконец-то был найден баланс между иерархией памяти и
низкой стоимости при довольно хорошей эффективности системного дизайна.
Большое изменение в архитектуре процессора началось, когда было пересмотрено традиционное внутреннее выполнение
потока. Вместо него Intel стала использовать внешнее, динамическое выполнение. Первым процессором, работающим по
новой схеме, стал процессор Intel Pentium Pro, архитектура которого позволяла выполнять инструкции в таком порядке, что
ресурсы для вычислений, доступны пока инструкции полностью не освободятся от связей. Процессор Pentium 4 может
выполнять "на лету" 126 инструкций, что позволяет процессору одновременно и выполнять операции с большой задержкой
(латентностью), и искать те инструкции, которые понадобятся для выполнения позже.
Архитектура процессоров AMD Athlon использует похожий подход к решению проблемы с латентностью. Отличительная
особенность в архитектуре этого процессора заключается в том, что память не разбивается на блоки при загрузке, что
позволяет загружать в процессор данные в то время, когда он ожидает данные, задержанные латентностью.
Как латентность обходится в шине материнской платы
Вместе с разработками новых процессоров класса Pentium Socket 7 разработано решение по уменьшению задержек
латентности и увеличении пропускной способности шины. Все процессоры Intel Pentium Pro, Pentium II, Pentium III и Celeron
используют 64-битную, полностью конвейеризированную шину с разделением транзакций (шина P6).
При работе с перекрытием запросов памяти, процессор способен более эффективно управлять шиной и сохранять ее
оперативность даже при выполнении операций с большими задержками (латентностью). Тут все точно также: одновременно
с ожиданием данных, задержанных латентностью, шина может отправлять и принимать данные для других операций с
памятью, или вода/вывода.
Немного позже Intel полностью изменила дизайн материнской платы касаемо процессора. Сам процессор также претерпел
изменения: кэш-память второго уровня была вынесена за ядро и размещалась на специальной плате, которая и вставлялась
в материнскую плату через новый разъем Slot-1. Такой разъем использовался процессорами Pentium Pro, Pentium II, а также
ранними Pentium III (на ядре Katmai). Интеграция кэш-памяти второго уровня на специальную плату отодвинуло системную
шину по иерархии памяти ниже, что позволило сбалансировать дизайн. Это было очень удачным решением для своего
времени: при введении такой архитектуры системная шина работала на частоте 100 МГц, не вызывая больших задержек.
Затем процесс производства процессоров позволил применить накопленный на Slot-1 опыт и переместить кэш-память
второго уровня обратно на ядро процессора. Это стало началом конца Slot-1 материнских плат. Был разработан новый
стандарт для соединения материнской платы и процессора - Socket 370 (370 означает количество штырьков, контактов),
который позволил увеличить частоту шины до 133 МГц. Следует отметить, что общий принцип работы шины не изменился.
На такой шине работают процессоры Pentium III и основанные на нем Celeron, а также процессоры низкого класса VIA Cyrix.
AMD, Intel и… цифровое оборудование?
Шина AMD и DEC
Вместо того, чтобы использовать шину P6, AMD лицензировала хорошо спроектированную шину EV6 от Compaq Computer
Digital Equipment Corp. Эта шина изначально была создана для обеспечения потрясающей пропускной способности для
процессоров Alpha RISC, и моментально дала процессорам Athlon именно ту необходимую мощь, которая исчезала у
конкурентов в сильно загружающих память приложениях.
В то время чипсеты, созданные для Athlon, не могли работать с подсистемой памяти также быстро, как процессор работал с
чипсетом, что естественно приводило к несбалансированности системного дизайна. Более поздние чипсеты решили эту
проблему, вернув недостающую стабильность системы.
Теперь о внутреннем устройстве. Шина P6 - это классическая разделяемая шина, где все устройства разделяют одни
сигналы. Шина EV6 - переключаемая, т.е. каждое устройство открывает собственный канал, по которому информация
передается на манер разделения транзакций. Одновременно шина EV6 может работать с 24 транзакциями (эффективность
работы шины P6 можно сравнить с 8 транзакциями), что естественно снижает латентность.
Но основное преимущество шины EV6 заключается в ее огромной пропускной способности, которая возникает благодаря
тому, что адреса и данные передаются за цикл одновременно (при использовании памяти DDR - Double Data Rate DRAM, о
которой поговорим немного позже), если частота времязадающего генератора была 100 МГц, эффективная частота работы
шины EV6 получалась 200 МГц (у современных Athlon - 266 МГц - у них частота времязадающего генератора 133 МГц). А вот
и цифры: пиковая пропускная способность шины EV6, работающей на частоте 266 МГц составляет 2.1 Гб/сек. Теперь
сравните с шиной P6, работающей на частоте 133 МГц: пропускная способность составляет 1.06 Гб/сек.
Первая реализация шины AMD EV6 была реализована, как и у конкурента, для процессора, находящегося в специальном
картридже, который представлял собой плату, на которой были размещены сам процессор, различные вспомогательные
компоненты и кэш-память второго уровня. На материнской плате такой разъем назывался Slot-A. Немного позднее процессор
также стал выполняться в Socket-реализации со встроенной в ядро кэш-памятью второго уровня. Название этого разъема Socket A (первое название - Socket 462). Такой тип шины работает на частотах 200/266 МГц с процессорами Athlon, Athlon
XPи Duron.
Ответ Intel: Pentium 4
Все ждали ответа Intel. Им стал выход процессора Pentium 4, который работает с совершенно другой архитектурой системной
шины. Ее устройство имеет множество сходств с шиной EV6. Она также синхронизирована от источника, но за цикл в ней
передается 2 адреса, и 4 кусочка памяти размером по 64-бит (8 байт). Таким образом, если частота времязадающего
генератора равна 100 МГц, эффективная частота шины получается 400 МГц. Пиковая пропускная способность шины тогда
равна 3.2 Гб/сек (400 МГц х 8 байт).
Особо любознательные могут задать вполне резонный вопрос: как чип передает данные 4 раза за такт, когда
времязадающий генератор шины задает всего 2 фронта импульсов? Ответ заключается в том, что при передачи данных по
шине используется специальная система автоматической подстройки по задержке (delay-locked loop - DLL), которая
специальным образом синхронизирует частоту такта и меняет точку выборки данных (в данном примере это позволяет
создать нормальные условия для передачи информации во фронтах импульсов для передачи данных 4 раза).
Технологии материнских плат. Руководство. Часть 2. (компонентная)
Архитектура чипсета
Настало время отойти от центрального процессора и взглянуть на компоненты современной материнской платы.
Не для кого не секрет, что часто производители процессоров играют очень большую роль в формирования дизайна
материнских плат. Это делается, прежде всего, для обеспечения лучшей работы процессора, обеспечения его стабильности и
надежности. К примеру, корпорация Intel начала разрабатывать свои собственные чипсеты с выходом процессора 486. AMD
также была вынуждена выпустить свой собственный чипсет для поддержания раннего процессора Athlon (архитектура
которого впервые значительно отличалась от привычной архитектуры процессоров Intel, кроме того была изменена и
системная шина), т.к. производители чипсетов естественно отнеслись с некоторым недоверием к новому детищу AMD и не
спешили разрабатывать для него чипсеты. Тогда AMD создала свой собственный чипсет под названием AMD750, который был
точкой отсчета и примером для других производителей чипсетов, которые в стремлении не упустить довольно перспективный
рынок решились-таки выпустить свои наборы логики под систему Athlon. Похожая ситуация сложилась с переходом на
память DDR: AMD первой выпустила чипсет для поддержки памяти DDR, и вот результат: сейчас на рынке чипсетов с
поддержкой DDR очень много: даже Pentium 4 переводят на эту память. Каждая компания-производитель чипсетов стремится
сделать его быстрее, а также обеспечить раннюю поддержку перспективных устройств (для примера, многие уже
анонсированные чипсеты имеют поддержку USB 2.0, хотя сам стандарт официально выйдет в начале 2002 г.).
Архитектура системы ПК высшего уровня
Чипсеты на Юге и Севере
На картинке выше схематически изображено устройство архитектуры любой материнской платы. Как видно из этого рисунка,
чипсет материнской платы состоит из двух компонентов (которые, как правило, представляют собой независимые чипсеты,
связанные друг с другом). Называются эти компоненты Северный и Южный мост. Названия Северный и Южный исторические. Они означают расположение чипсета моста относительно шины PCI: Северный находится выше, а Южный ниже. Почему мост? Это название дали чипсетам по выполняемыми ими функциями: они служат для связи различных шин и
интерфейсов. Для проектировщика особой сложностью является Северный Мост, т.к. он работает с самыми скоростными
устройствами, поэтому сам должен работать очень быстро, обеспечивая быструю и надежную связь процессора, памяти,
шины AGP и Южного Моста. Южный мост работает с медленными устройствами, такими как жесткие диски, шина USB, PCI,
ISA и т.п.
Зачем нужны два моста
Почему производители разделили чипсет на два моста? Тут несколько причин. Первая и, наверное, самая главная
заключается в выполняемых чипами функциях. Северный мост должен работать гораздо быстрее, чем Южный. Разработка же
обоих мостов на одном чипе значительно усложняет разработку и производство такого чипсета. Кроме того, обновление
стандартов периферии происходит очень часто. При использовании двух чипсетов производителям материнских плат нет
необходимости полностью менять весь набор логики: достаточно поменять Южный мост. Ни для кого не секрет, что размер
самого ядра чипсета намного меньше кремниевой подложки, на которой он находится. Это необходимо для того, чтобы
грамотно развести проводники от ядра процессора к его ножжкам-выходам. Таким образом, в чипсете остается довольно
много места, которое исчезает при использовании вместо двух чипсетов одного. Вы спросите "зачем же необходимо это
неиспользованное место?" Так вот, в северный мост как раз из-за неиспользованного пространства некоторые производители
встраивают наборы графики, а в будущем тут планируется размещать кэш-память третьего уровня.
А Intel назвал их хабами…
С недавнего времени (с выпуском корпорацией Intel чипсета i815) корпорация Intel отказалась от использования
архитектуры мостов, и перешла к похожей архитектуре, в которой используются хабы. На первый взгляд - все тоже самое:
два чипсета, один был раньше Северным мостом, а теперь называется "Хаб контроля памяти" ("Memory Controller Hub"),
другой же напоминает Южный мост и называется "Хаб контроля за вводом/выводом" (I/O Controller Hub), но не все так
просто. Функции чипсетов - хабов не поменялись, просто в них добавлено несколько конструктивных изменений: в частности
чипсеты стали более независимы, а интерфейс связи друг с другом представляет собой связь "один-к-одному" (point-topoint). Такой подход оказался лучше, чем классический Южный мост, который можно сказать все устройства "сажает" на
шину PCI и по ней же передает данные в Северный мост.
Подробно о Северном и Южном мостах
Северный мост
Существует небольшое функциональное различие между Северными мостами шин EV6 и P6 (о которых мы говорили в первой
части этого материала), заключающее в различной реализации работы с памятью, но основной принцип действия и
назначение - одинаковы. Функция чипсета Северного моста - контролировать и направлять поток данных из 4-х шин
(память, AGP, системная шина процессора и шина связи с Южным мостом). Причем он должен быть настолько сбалансирован,
чтобы как можно больше сократить простои при попытке доступа к памяти, ведь каждому устройству необходим быстрый и
простой путь к ней. Именно в этом и заключается основная задача разработчика чипсета - он должен грамотно и быстро
распределять все запросы к памяти, расставлять приоритеты и создавать, если это необходимо, очередность.
В ранних исполнениях чипсетов контроллеры памяти в них были очень сильно подчинены процессору, а ему из-за этого
приходилось обрабатывать большое количество данных и запросов на запись в память. К современным же компьютерам
такой подход просто неприменим: многим задачам требуется огромная вычислительная мощь, которая будет недоступна по
причине обработки запросов на доступ к памяти. Поэтому в современных чипсетах контроллеры памяти - вполне
самостоятельные устройства, обеспечивающие прямой доступ к памяти почти всех устройств компьютера.
Использование буферов для обеспечения одновременного доступа к памяти
Так как для связи между чипсетами все еще используются довольно устаревшие и медленные технологии передачи данных,
может возникнуть проблема при передачи данных по прямому каналу к памяти. К примеру, прямой доступ к памяти (ПДП,
или DMA-Direct Memory Access) стараются получить одновременно жесткий диск и, скажем, шину AGP. В таких случаях
естественно задержки - недопустимы, а память физически не может принять данные одновременно с нескольких устройств. В
таком случае канал передачи данных работает в режиме разделения времени, а данные, ожидающие освобождения канала,
хранятся в специальных буферах Северного Моста.
Итак, хороший чипсет должен обеспечивать нормальную буферизацию, а также комплекс обеспечивающих общий доступ к
шине процедур для того, чтобы память и сам канал передачи использовались эффективно. Для примера, можно назвать один
из лучших чипсетов - это Северный мост VIA KT133A, обеспечивающий 16 уровней (по 64 бита каждый) буферизации данных
для передачи данных от шины PCI (которая пока как уже говорилось, является шиной для всех устройств, управляемых
Южным мостом) к памяти. Такой параллельный буфер очень важен для передачи данных с высокой скоростью к таким
устройствам, как жесткий диск.
К сожалению, очень сложно подобрать идеальный размер буфера, ведь его эффективность зачастую зависит от того
программного обеспечения, которое установлено на компьютере. К примеру, эффективность буферов различных
производителей может быть различной.
Теперь давайте взглянем на другие 3 шины, подключаемые к Северному Мосту
Интерфейс Южного моста: от PCI к соединению "один-к-одному"
Использование шины PCI для связи Северного и Южного мостов довольно часто провоцирует простои, т.к. шина PCI - все
еще 32-битная шина, работающая на 33 МГц. Теоретически, шина PCI способна передавать данные с пропускной
способностью 133 Мб/сек. Но это пиковая пропускная способность, реальное же ее значение - около 40 Мб/сек. В последнее
время периферийные устройства значительно ускорили свою работу. К примеру, стандартный жесткий диск теоретически
способен передавать данные со скоростью 100 Мб/сек. Но кроме жестких дисков существуют и другие достаточно быстрые
устройства: это и различные SCSI-устройства (которые, как правило, работают даже быстрее жестких дисков), и устройства
USB (USB 1.1 способна обеспечивать пропускную способность в 12 Мб/сек, а USB 2.0 - 480 Мб/сек) и т.п. Рост количества
таких устройств и возрастающая их популярность, а также недостаточная в связи с этим пропускная способность шины PCI,
которая используется для связи Южного и Северного мостов - вот те причины, из-за которых необходимо менять интерфейс
связи между мостами.
Все это заставляет производителей чипсетов изобретать свой собственный интерфейс связи между мостами, ведь для чего
нужны быстрые чипсеты, если связь между ними медленная? К сожалению, различные производители чипсетов зачастую
используют свои собственные разработки, которые абсолютно несовместимы с разработками других производителей. Это
вносит некоторые сложности для производителей материнских плат, у которых пропадает возможность комплектовать плату
мостами от разных производителей.
Корпорация Intel не стала изобретать велосипед, и применила уже спроектированную шину (которую она назвала "hub link")
для связи между хабами. Это 8-битный порт, работающий на частоте 66 МГц и передающий 4 байта за такт. Это дает
теоретическую пиковую пропускную способность 266 Мб/сек. Кроме того, использование такого интерфейса связи лучше
использует такую пропускную способность, т.к. технология Intel объединяет все различные периферийные запросы в
взаимосвязанный список запросов на ПДП. Движок ПДП Южного моста в это время оставляет соединение с Северным мостом
и памятью открытым для прямого доступа к памяти.
AMD также разрабатывает свой подход к проблеме. Решение было названо "Lightning Data
Transport (LDT)", а в последствии переименовано в "Hyper Transport Technology". AMD
использует уже проверенное в системной шине и памяти DDR решение - для передачи
данных используется не один канал, а два, причем оба работают в полно-дуплексном
режиме (по каналу данные могут как приниматься, так и отправляться). Такой интерфейс
может прекрасно работать на очень высоких частотах, т.к. для передачи каждого сигнала
используются 2 проводника (дифференциальные пары проводников). Каждый канал
может работать на частоте 400 МГц, но за такт (т.к. каналов - 2) передается 2 порции
данных, обеспечивая пропускную способность 800 Мбит/сек для каждой пары
проводников. Таким образом, этот интерфейс способен передавать данные со скоростью
800 Мб/сек для 8-битного соединения с портами ввода/вывода (для наиболее широко
Чипсет AMD-760™ от
используемого 32-битного соединения скорость составит 3.2 Гб/сек на канал, а их - 2,
Advanced Micro Devices
таким образом, теоретическая скорость передачи данных составляет 6.4 Гб/сек). AMD уже
лицензировала эту технологию многим компаниям, которые намерены ее использовать в своих устройствах, а пока
практической реализации этого метода не существует. Чипсет AMD 760 DDR (о котором позже) все еще использует для связи
с Южным мостом шину PCI.
VIA назвала свой собственный интерфейс связи "V-Link". По принципу действия он очень похож на технологию хабов от Intel,
и также обеспечивает скорость передачи данных до Северного моста 266 Мб/сек. Эта технология уже реализована в Южном
мосту VT8233, который работает с Северными мостами Pro266 (для процессора Pentium 4) и KT266 (для AMD
Athlon/XP/Duron). Эти чипсеты разработаны для работы с памятью DDR.
Интерфейс памяти DRAM
На сегодняшний день существует довольно большое количество типов оперативной памяти для ПК. Intel настоятельно
рекомендует использовать высокоскоростную и дорогую память от Rambus (RDRAM), т.к. она работает на самой быстрой
частоте. Один 16-битный канал памяти RDRAM может передавать данные со скоростью 1600 Мб/сек (версия PC800), что в
два раза быстрее 64-битного модуля SDRAM, работающего на частоте 100 МГц. Добавление нескольких каналов в память
RDRAM еще больше увеличивает скорость ее работы. Память работает на частоте 400 МГц, из-за чего нуждается в
обеспечении постоянного сигнала.
Но политика Rambus такова, что лицензирование технологий для разработки чипсетов для поддержки памяти RDRAM - очень
дорогое удовольствие. Кроме того, сами модули RDRAM стоят примерно вдвое дороже модулей SDRAM DDR. Все эти причины,
по мнению аналитиков, сделают память RDRAM решением для серверов, для рабочих же станций, скорее всего, будет
использоваться память SDRAM DDR.
В настоящий момент уже существует достаточно большое количество чипсетов для Pentium 4, работающих с памятью DDR.
Это и печально известный чипсет от VIA, который выпускается без лицензии Intel на использование технологий Pentium 4,
Ali, а также решения от SiS. Кроме того, выпущены чипсеты от Intel, которые используют отличную от RDRAM память. Это
чипсеты i845, работающий с памятью SDRAM PC133 и модифицированная его версия, работающая с памятью SDRAM DDR.
Большинство чипсетов для Pentium III и Athlon/Duron работают с памятью PC133 SDRAM, которая имеет 64-битный 133 МГц
интерфейс и обеспечивает пропускную способность 1.064 Гб/сек. Память RDRAM выпускается в двух вариантах - PC600 и
PC800, которые работают на частотах соответственно 600 и 800 МГц (300 и 400 МГц на канал). Эта память имеет 16-битный
интерфейс и обеспечивает пиковую пропускную способность 1600 Мб/сек на канал. Память SDRAM DDR выпускается также в
двух вариантах - PC1600 и PC2100. Цифры в названии означают пропускную способность памяти: т.е. память PC1600
работает с такой же скоростью, как и один канал памяти RDRAM PC800.
Некоторые чипсеты (решения от VIA, Ali и SiS) и Socket A материнские платы поддерживают как обычную PC133 память, так
и память DDR PC2100 и PC1600. По официальному мнению одного из ведущих производителей памяти, компании Micron, это
не очень хорошая идея, т.к. по ее мнению от использования таких решений снижается надежность использования памяти. И
действительно, некоторые тестеры отмечали некоторую нестабильность, особенно при разгоне. Отметим, что чипсет AMD 760
поддерживает только DDR память.
Интерфейс AGP (Accelerated Graphics Port)
С тех самых пор, как игры стали неотъемлемой частью использования компьютеров, люди стремились их улучшить. Прежде
всего, это всегда касалось графики. Вскоре игры достигли такого уровня, что PCI видеокарты, даже с использованием 3D
ускорителя, стало просто не хватать. Виновата в этом - прежде всего шина PCI, о недостатках которой говорилось выше.
Именно поэтому Intel и Microsoft объявили, что теперь графическая карта должна быть центральным периферийным
компонентом компьютера и иметь высокоскоростную связь с памятью. После этого Intel начала внедрять интерфейс AGP,
который поменял архитектуру ПК, и связывался напрямую с Северным мостом. Кроме того, интерфейс AGP позволяет
использовать обычную оперативную память для хранения графических текстур (AGP-текстурирование), которые быстро
подгружаются из нее по мере необходимости. Первые версии AGP видеокарт и вовсе использовали обычную память для
выполнения всех графических операций. Но этот путь оказался тупиковым, т.к. мощь графических процессоров быстро
достигла такого уровня, что обычная память уже не могла обеспечить его необходимым количеством информации. Именно
поэтому была разработана специальная память для видеокарт. К примеру, видеокарта на графическом чипе nVidia Gforce 2
Ultra использует 128-битную DDR память, работающую на частоте 230 МГц, и обеспечивающую пиковую пропускную
способность 7.36 Гб/сек.
Кроме того, в то время не существовало альтернативного AGP решения, которое разгрузило бы гигантский графический
поток информации, и обеспечило бы большую пропускную способность между процессором и видеокартой.
Первые реализации AGP (версии AGP и AGP 2X) тем не менее, не могли обеспечить приемлемую пропускную способность до
разработки версии AGP 4Х. Хоть шина AGP и работает на частоте 66 МГц, она выглядела просто как выделенная PCI.
Интерфейс AGP 2X немного улучшил ситуацию, т.к. за цикл передавалось 2 сэмпла. Интерфейс 4Х уже способен передавать
4 сэмпла за цикл, а пропускная способность увеличилась до 1.056 Гб/сек. Сейчас разрабатывается и уже анонсирован
интерфейс AGP 8X.
Такая большая пропускная способность интерфейса AGP не вязалась с памятью PC100, которая обеспечивала пропускную
способность 800 Мб/сек. Память PC133 с пропускной способностью 1.064 Гб/сек дала значительный прирост
производительности при использовании последних AGP 4X видеокарт. Но настоящий прорыв наступил при использовании
памяти RDRAM или SDRAM DDR.
Некоторые производители материнских плат низкого класса предложили для рынка низкого класса вообще отказаться от
использования графической памяти и использовать вместо этого обычную память. Такой метод назвали "Унифицированная
Архитектура Памяти" (англ. термин "Unified Memory Architecture" - UMA). UMA использовали видеокарты низкого класса со
слабым графическим чипом. Результаты соответствующие: производительность была минимальной. Следующее поколение
видеокарт такого класса называлось "Общая Архитектура Памяти" ("Shared Memory Architecture" - SMA). Они использовали
уже память DDR и более мощные графические чипы. Некоторые производители чипсетов встраивают графическое ядро в
чипсет северного моста. Память используется также системная, но последние реализации такого принципа могут показывать
довольно достойные результаты (речь идет прежде всего о чипе NVidia nForce).
Подобные решения идеальны для мобильных компьютеров - ноутбуков, но искушенные пользователи, как правило, желают
иметь полноценный порт для возможных будущих обновлений. Ниже мы рассмотрим материнскую плату, основанную на
чипсете i815, который имеет одновременно и встроенный графический контроллер, и AGP порт. Память, с которой работает
эта материнская плата - SDRAM PC100/133.
Подробный взгляд на компоненты Южного моста
В отличие от высокоскоростного Северного Моста, который соединен с быстрыми компонентами, Южный мост соединен с
достаточно медленными компонентами, а также с медленными периферийными устройствами. Кроме того, оказалось, что от
некоторых морально устаревших компонентов, таких как шина ISA, довольно сложно избавиться. Это связано с тем, что
достаточно большое количество пользователей имеют ISA устройства, которые они не желают менять. Поддержка этой шины
естественно тормозит работу компьютера, т.к. имеет 16-битный интерфейс, и работает на частоте 8 МГц, а пиковая
пропускная способность составляет всего 16 Мб/сек. В настоящее время современные чипсеты эту шину уже не
поддерживают.
Шина PCI
Теперь, когда шина PCI потеряла свою роль связующего звена между Северным и Южным мостами, она стала обычной
периферийной шиной. С избавлением от необходимости передачи данных Северному мосту через PCI, шина стала только
лучше. К примеру, это позволило размещать на ней устройства, которые физически не вставляются в слоты PCI: это
различные интегрированные в чипсет Южного моста устройства: контроллер жестких дисков IDE, контроллер USB, а также
звуковой и сетевой адаптеры. Многие чипсеты не загружают привычную PCI шину, а используют специальные мосты PCI-кPCI.
Low Pin Count Interface (LPC)
Одна из причин долгой жизни шины ISA то, что большое количество периферии не нуждается в сложном и довольно
дорогостоящем контроллере (как в PCI), именно поэтому Intel применила другую простую шину для Южного моста: это шина
LPC (Low Pin Count Interface - интерфейс низкоштырьковых устройств), которая имеет простой 4-битный интерфейс,
соединенный с чипом Супер Ввода-Вывода (Super I/O chip), который поддерживает работу старых устройств, таких как
последовательные (COM) и параллельные (LPT) порты, порт мышки и клавиатуры PS/2, инфракрасный интерфейс, шина SM,
а также контроллер флоппи-дисковода. Этот чип используется также за наблюдением за скоростью вращения вентиляторов,
и отслеживания других системных событий.
Подсистема Ввода/Вывода BIOS (Basic I/O System)
BIOS - это низкоуровневое программное обеспечение, контролирующее физическую работу устройств на материнской плате.
Процессор запрашивает код BIOS при загрузке, включая тестирование памяти и конфигурацию периферии. Изменяя
настройки BIOS, пользователь может настроить работу системы так, как ему необходимо. Многие настройки в последних
версиях BIOS меняют частоты работы памяти, системной шины и процессора. Это стало возможным, когда производители
материнских плат отказались от использования джамперов-перемычек, и сконцентрировали все управление в BIOS. Многие
компьютерные компании, такие как IBM (особенно она), Compaq, Dell, Gateway, и т.д. запрещают изменять наиболее важные
настройки BIOS, что естественно не всем нравится. Что качается разгона, то многие производители материнских плат
сделали доступным разгон системы прямо из BIOS, причем с шагом частот в 1 МГц.
Intel назвала BIOS Программным Хабом (Firmware Hub - FWH), но он по сути является тем же самым BIOS с флэш-памятью
(перепрограммируемая память).
Встроенный разем интегрированного
сетевого контроллера LAN
Шина SMBus
Эта шина - последовательный интерфейс, который совместим с очень хорошей шиной i2C, разработанной Phillips. Она была
разработана для мониторинга за состоянием компьютера (величина напряжений, температура и т.п.).
Универсальная Последовательная Шина (Universal Serial Bus USB)
Эта последовательная шина разрабатывалась для работы с внешними устройствами, такими, как принтеры, сканеры, мышки,
клавиатуру, модемы т.п. Из-за этого скорость передачи данных по ней очень низок - всего 12 Мб/сек (в новой ее реализации
- стандарте USB 2.0 скорость передачи данных увеличена до 480 Мб/сек), поэтому она не применима для передачи
цифрового видео, или использования в других высокоскоростных целях. Intel в скором времени официально выпустит USB
2.0 для конкурирования за рынок высокоскоростных устройств со стандартом IEEE 1394 (Firewire). Обычно, Южный мост
имеет один, либо 2 контроллера USB, что обеспечивает поддержку до 2 портов USB на материнской плате. Стандарт USB
построен таким образом, что поддерживаются USB-хабы - устройства, увеличивающие количество портов USB без установки
дополнительного контроллера.
Интерфейс IDE
Этому разделу необходимо посвятить отдельный разговор, сейчас же кратко постараемся передать суть: термин IDE
(Integrated Drive Electronics) означает, что контроллер управления жестким диском встроен в сам диск вместо того, чтобы
размещать его на материнской плате, или отдельном контроллере в виде платы. Жесткие диски и интерфейс IDE - это
альтернатива профессиональному интерфейсу SCSI (Small Computer System Interface), но IDE обеспечивает достаточно
высокую скорость работы и большой объем жестких дисков.
Многие путают IDE с ATA (Advanced Technology Attachment - Улучшенная Технология Устройства). Это разные понятия. ATA это просто метод и скорость доступа к памяти. Создание ATA-33 вызвало достаточно большой прорыв в разработке
технологий жестких дисков. ATA-33 способна передавать данные со скоростью 33 Мб/сек; на практике же эта величина
естественно меньше. В настоящее время наибольшее распространение получили жесткие диски с ATA-66 и ATA-100, которые
теоретически способны передавать данные соответственно со скоростями 66 и 100 Мб/сек. Эти интерфейсы используют для
подключения другие, 80-жильные провода (хоть и с таким же 40-штырьковым коннектором). То, какой интерфейс ATA будет
работать на компьютере зависит от чипсета Южного моста, а также от электроники самого диска. К примеру, диск с ATA-100
будет работать на чипсете, поддерживающем только ATA-66 как ATA-66 диск. Большинство чипсетов поддерживают 2 порта
для IDE устройств, но некоторые производители материнских плат дополнительно встраивают в шину PCI другие IDE
контроллеры, чаще всего RAID-контроллеры.
Технологии материнских плат. Руководство. Часть 3.
(про компоненты и сравнение МП Intel D815EEA и Asus A7M266)
Шина Аудиокодека Audio Codec (AC) Link
Эта особенность чипсета создана для передачи смешанного сигнала (аналогового или цифрового) от внечиповых встроенных
в материнскую плату устройств, таких как аудиоплата, или сетевых устройств - модема или сетевой платы. Все эти
устройства для простоты размещения на материнской плате, а также для уменьшения их стоимости полностью не
функциональны, как их "нормальные" аналоги: введено программное управление ими, т.е. часть их функций берет на себя
центральный процессор и память. AC шина была разработана компанией Intel для облегчения введения такого программного
управления. Именно поэтому некоторые пользователи отключают все встроенные функции для того, чтобы разгрузить
процессор и память.
Современная версия шины, AC97 2.2 обеспечивает 5 сигнальный интерфейс связи с устройствами. Что касается звука, то
шина может быть соединена с чипом, включающем кодек (кодирование/декодирование), цифро-аналоговый, а также
аналогово-цифровой преобразователи, обеспечивающие связь чипа с колонками или наушниками, и устройствами линейного
и микрофонного входов.
Что касается телефонии, шина AC также имеет физический интерфейс (PHY) для соединения с телефонной линией. AC97
чипы также можно применять для связи со встроенными сетевыми платами.
Для системного проектировщика, использование шины AC влечет ряд особенностей. Основная из них - это опасность
возникновения резкого падения производительности при использовании встроенных программных устройств, которые, как
уже говорилось, загружают центральный процессор. Производительность может резко упасть в ресурсоемких сложных
приложениях. В особенности это касается звуковых чипов: большинство компьютерных игр практически всегда выдают на
звуковую карту не один звук, а великое их множество, которое должно быть определенным образом преобразовано и выдано
на конечные устройства вывода звука (колонки, наушники). Чаще всего звуки имеют различные скорости передачи звуковых
сэмплов, зависящие от необходимого качества звука. Аудио процессор должен обработать все эти звуки, смешать их, и
выдать на выходы звуковой карты.
Еще один пример обработки звука - это обработка комплекса HRTF ("head-related transfer functions" - главные функции
передачи), которые создают позиционированный 3D звук. Такие функции требуют наличия PCI платы с DSP процессором, а
также некоторое количества оперативной памяти. Но такой процессор обычно не устанавливают на материнскую плату. Хоть
такое решение и разгрузило бы центральный процессор, но такой шаг не является хорошим решением, как для создания
звуковой карты высокого класса, так и для производителей материнских плат, т.к. опять же усложняется ее проектировка.
Хотя полученный таким образом звук получается довольно качественным: пользователи не смогли бы почувствовать разницу
между звучанием хорошей PCI платы, и встроенного качественного аудио-решения, особенно при использовании одинаковой
акустики.
Конечно, гораздо большее количество встроенных устройств может поддерживать Южный мост, но они донельзя загрузят
процессор. К примеру, сейчас у производителей очень популярны программные модемы, которые бывают, как встроены в
материнскую плату, так и размещаться в виде плат PCI. Они естественно достаточно сильно загружают центральный
процессор и оперативную память, т.к. не имеют собственных средств обработки сигнала. Единственное достоинство таких
решений - это очень низкая их стоимость. Хотя с существующими вычислительными мощностями процессоров использование
таких устройств достаточно оправдано и нормально рассматривается как производителями, так и потребителями.
Встроенный контроллер сетевой платы Local Area Networking (LAN)
Организация поддержки сетей - вот один из примеров, когда некоторые системные проектировщики часто переносят
вычисления на центральный процессор. AC Link шина (или AC Link + у которой дополнительные контакты для ЛВС)
используется для поддержки DSL соединений, HPNA (Home Phone Networking Alliance - Домашнее Объединение Сетевой
Телефонии), или даже поддержки Ethernet - такое решение навело на создание плат расширений - портов для дешевых
устройств, которые не имеют контроллера для шины PCI и средств вычисления.
Встроенный Ethernet контроллер
(для увеличения шелкните по изображению)
Встраивание сетевого контролера в плату может ввести в заблуждение пользователей - каково же качество этого
встроенного сетевого контроллера? Невозможно узнать номер партии сетевого чипа, встроенного в Южный мост. Например,
встроенный в новый Южный мост от AMD сетевой контроллер имеет поддержку всех необходимых вычислений. Это означает,
что используя этот сетевой адаптер центральный процессор загружается примерно также, как и при использовании обычного
PCI адаптера.
Разделение задач сетевой платы представляет очень большую сложность. В сетевом пакете (данные по сети передаются по
сети пакетами), кроме данных пользователя содержится большое количество служебной информации, которую необходимо
обработать для обеспечения нормальной работы сети. Часто встроенные, и некоторые PCI платы все же используют
центральный процессор для обработки такой информации. Но сетевые адаптеры фирм Alacritech, 3COM, Intel и некоторых
других встраивают в процессоры своих сетевых плат функции по обработки протокола TCP/IP, некоторые IPSEC, и SSL
инструкции, что значительно ускоряет необходимые вычисления и не загружает центральный процессор.
Для определения реальных функций любого встроенного устройства есть единственно правильный способ: провести
тестирование. Если в игре количество кадров в секунду падает при переключении с звуковой карты PCI на AC97 звук - это
хороший пример чрезмерной загрузки центрального процессора. Подобные тесты можно провести для встроенных модема и
сетевой платы.
Другие функции Южного Моста
Есть и другие функции Южного моста, которые мы не описали. Это и DMA контроллеры, и контроллеры прерываний,
таймеры, часы реального времени, контроль обеспечения питанием, а также множество других соединений, которые
обычному пользователю просто неинтересны.
Особенности Материнских плат
Модуль регулировки напряжения VRM (Voltage Regulator Module)
Используется для регулировки напряжения, подаваемого для всех устройств материнской платы. Например, современные
процессоры работают на меньшем напряжении, чем остальные компоненты системы. Не для кого не секрет, что новые
вычислительные устройства, такие как различные чипы и процессоры, у которых малый размер транзистора, потребляют
меньшее питания.
Модуль регулировки напряжения (VRM)
(для увеличения шелкните по изображению)
Центральный же процессор работает лучше на высоком напряжении, но хуже при высокой температуре. Выделение тепла
процессором - в квадратичной зависимости от уровня напряжения, подаваемого на процессор. Возникает дилемма: при
увеличении напряжения процессор должен работать быстрее, но увеличивается его температура, что влечет за собой
ухудшение его работы. Излишнее тепло от процессора отводится радиаторами и вентиляторами. Если вольтаж и температура
процессора слишком высоки, он может перегреться и сгореть. Именно поэтому разъем для процессора на материнской плате
располагают как можно ближе к блоку питания, в котором работает вентилятор на вытяжку. Горячий воздух от процессора (а
теперь и с других горячих устройств, таких как видеокарты и некоторые жесткие диски) сразу же вытягивается из корпуса.
Некоторые экстремальные оверклокеры настолько разгоняют систему, что появляется необходимость в установке
дополнительного вентилятора-вытяжки, место для которого есть уже во всех корпусах.
Но мы немного отвлеклись. Для наилучшего соотношения мощности, скорости и напряжения, компания Intel для своих новых
процессоров разработала специальный тип регулятора напряжения, который на входе имеет напряжение от блока питания, а
на выход подает стабильное напряжение необходимого значения на сам процессор. Кроме того, новый регулятор напряжения
- программируемый, который использует 5 VID (voltage identification - определение напряжения) сигналы, с помощью
которых регулируется подаваемое на него напряжение. VID контакты, как правило идут прям из процессора. Например, для
выполнения особо сложной задачи процессору требуется большая вычислительная мощь. Тогда он посылает запрос на
регулятор напряжение, который увеличивает напряжение на то значение, которое "прислал" процессор. Такие возможности
очень понравятся оверклокерам, для которых некоторые производители материнских плат разрабатывают применение этой
функции.
Генераторы тактовой частоты
Многие компоненты компьютера работают на разных частотах. Кроме того, они могут быть синхронными, или асинхронными.
Два частотных сигнала называются синхронными, если одни может быть получен из другого. Например, шина FSB работает с
процессором, частота которого больше ее частоты на увеличенной частоте за счет множителя: так, процессор Pentium III с
частотой 600 МГц работает с множителем 6 на шине с частотой 100 МГц. Т.е. он имеет 6 сигналов по 100 МГц,
синхронизированных с 100 МГц системной шиной.
Разъемы
На любой материнской плате есть разъемы. Это порты для мышки, клавиатуры, последовательные, параллельные, а также
USB порты. В последнее время порты стали маркировать цветом для более удобного восприятия: к примеру, одинаковые по
виду порты PS/2 для мышки и клавиатуры обозначены кроме графического изображения еще и разными цветами.
Перемычки
В настоящее время многие материнские платы изменяют свои настройки не перемычками, а из BIOS, но перемычки все еще
имеют место. Некоторые производители дают пользователям возможность изменять настройки как из BIOS, так и используя
перемычки
Платы расширений
В нашей дискуссии о шине AC97 мы уже говорили о возможности избежать цен PCI карт для звука и сети. Существуют и
другие конкурирующие стандарты для того, чтобы позволить пользователю избежать дорогостоящих звуковых и сетевых
решений, которые так же обеспечивают дополнительные порты для работы со звуком, модемом и сетью. Эти, так называемые
платы расширения устанавливаются в специальный разъем, вместо PCI слота. Конечно, если посмотреть с задней стороны
корпуса, то ничего особенного мы не увидим. Существует стандарт, продвигаемый Intel.
Интеловское детище зовется: "Расширение для Коммуникаций и Сетей" ("Communication and Networking Riser" - CNR).
Подробнее о нем мы поговорим в описании материнской платы Intel D815EEA. Есть и конкурентный стандарт - "Порт
Улучшенных Коммуникаций" ("Advanced Communications Riser" - ACR), который разрабатывается и поддерживается 50
компаниями-производителями оборудования. Основное различие между CNR и ACR состоит в том, что последний это как бы
обновленный и немного модифицированный AMR стандарт, когда решение от Intel.
Примеры материнских плат: Intel D815EEA и Asus A7M266
Эта статья выходит на финишную прямую. Настало время применить полученные теоретические знания на практике:
подкрепить их конкретными примерами.
Материнская плата Intel D815EEA
Мы выбрали для анализа именно эту материнскую плату, т.к. ее производитель - компания Intel, которая, как вы могли
убедиться из этой статьи, является основоположником практически всех работающих в компьютере технологий, и продвигает
на рынок все новые и новые решения. Хоть представленная материнская плата является платой низкой ценовой группы и
уже довольно устарела, она сочетает в себе многие технологии Intel и имеет множество интегрированных устройств. Ниже
представлена схема компонентов материнской платы.
Логическая структура платы D815EEA
(для увеличения шелкните по изображению)
Плата D815EEA основана на чипсете 80815E. Буква E в названии означает, что использован новый Южный мост, или
правильнее, Хаб ввода/вывода (I/O Controller Hub - ICH2), который поддерживает интерфейс ATA-100, и имеет второй USB
контроллер. Т.к. Северный мост имеет встроенный графический адаптер, он называется Хаб Графики и Памяти ("Graphics and
Memory Controller Hub" - GMCH). Следующий рисунок - это схематичное изображение материнской платы, а затем и ее
внешний вид.
Компоновка платы D815EEA
(для увеличения шелкните по изображению)
Физическое расположение компонетов на плате D815EEA
(для увеличения шелкните по изображению)
Разъем процессора
Эта материнская плата работает с процессорами Celeron или Pentium III с различными корпусами, которые имеют различные
тепловые характеристики. Но устанавливается процессор в PGA Socket 370, который еще называют разъем с нулевым
усилием крепления ("Zero Insertion Force" - ZIF). Установка процессора происходит очень просто и не требует
дополнительных инструкций. Единственная трудность, которая может возникнуть - это нехватка места возле процессора при
установке большого радиатора, используемого в серьезных системах охлаждения. Шина материнской платы поддерживает
частоту 66 МГц для процессоров Celeron (новые Celeron могут работать с шиной 100 МГц), и 100/133 МГц для процессоров
Pentium III.
Хаб Графики и Памяти 82815E - GMCH
Северный мост этой материнской платы оснащен многими технологиями, описываемыми в этой статье, включая интерфейс
связи между мостами Hub Link. Чипсет поддерживает память только SDRAM (до PC133), память же SDRAM DDR, которая имеет
более высокую производительность, не поддерживается. Чипсет содержит встроенный графический контроллер и
поддерживает шину AGP, о которых подробнее узнаете в описании AGP интерфейса этой материнской платы.
Хаб ввода/вывода 82801BA (I/O Controller Hub - ICH2)
Этот богатый функциональными возможностями Южный мост содержит все нововведения, о которых говорилось выше. Это и
контроллер USB (на 4 порта), и встроенный AC97 звук, и сеть CNR LAN.
Программный Хаб 82802AB (Firmware Hub - FWH)
В этом чипе находится BIOS и несколько устройств безопасности.
Контроллер ввода/вывода SMSC LPC47M102
Этот чип - контроллер ввода/вывода (Super I/O chip) для шины LPC. В нем имеются стандартные функции по определению
скорости вращения вентилятора, а также другие отслеживающие функции.
Слоты PCI и CNR
На материнской плате отсутствуют слоты ISA, зато имеется 5 слотов PCI. Intel CNR riser слот поддерживается опционально,
т.е. при необходимости производитель материнской платы может его подключить. В данном примере, слот CNR при его
добавлении заменит 5 слот PCI. CNR слот может поддерживать 2 AC97 кодека и один LAN интерфейс. Для работы с сетью
можно использовать CNR сетевую плату, оборудованную чипом Intel 82562ET/MT Ethernet, или чипом домашней телефонии
82562EH HPNA. Вместо CNR слота может быть интегрирован в материнскую плату сам чип 82562ET/MT Ethernet.
Для звука на CNR, Intel использует кодек Analog Devices AD1885 AC97. Этот разъем так же присоединен к шине SMBus.
Слоты памяти
Материнская плата имеет 3 SDRAM DIMM слота, в которые возможна установка модулей памяти емкости от 32 Мб до 512 Мб.
Для использования памяти PC133, шина FSB должна иметь частоту 133 МГц.
Слот AGP
В чипсет этой материнской платы, как уже говорилось, встроен графический контроллер, который выключается при
установки в имеющийся порт AGP "нормальной" AGP видеокарты. Интерфейс AGP хоть и поддерживает режим 4x, но
пропускная способность порта AGP в 1 Гб/сек не достаточно хорошо сбалансирована с пропускной способностью памяти
(тоже 1 Гб/сек). Но это не ошибка в чипсете. Все чипсеты, работающие с памятью SDRAM имеют такую оплошность.
Полностью сбалансированные решения можно найти в чипсетах, работающих с памятью SDRAM DDR и RDRAM.
Встроенный графический чип обеспечивает простейшей графикой и низкой производительностью, что приемлемо, скажем, в
обычных офисных компьютерах. Если же необходимо большее - установите в слот AGP нужную видеокарту. Чипсет 815
поддерживает технологию схожую с UMA/SMA. Это технология получила название "Ускоритель Производительности Графики"
(Graphics Performance Accelerator - GPA). Отличие в том, что в GPA кэшируется особый участок памяти на самой видеокарте.
Эта память разбивается на 4 Мб кусочки, которые кэшируются в оперативной памяти. Таким образом, получается довольно
быстрый канал до процессора. Такое решение выгодно только для видеокарт низкого класса, т.к. "крутым" видеокартам
пропускной способности памяти PC133 все равно не достаточно.
Опциональные звуковые чипы
В плату производители могут добавлять встроенные звуковые чипы. Эта МП поддерживает чип Creative Labs ES1373. Это
AC97 совместимый чип, но использующий свой собственный кодек Crystal Semiconductor CS4297 и присоединяющийся к
шине PCI.
Цифровой видеовыход Digital Video Out (DVO)
Это одна из возможностей интегрированного графического контроллера: возможность подключения к нему цифрового
монитора или телевизора.
IDE и FDD разъемы
Материнская плата имеет 2 контроллера IDE, что позволяет использовать до 4 IDE устройств. Разъем для флоппи дисков стандартный компонент всех материнских плат.
Элемент питания и "пищалка"
Материнская плата имеет стандартную "пищалку", а также элемент питания для сохранения настроек BIOS и хода часов.
Разъемы передней панели
Обычно на передней панели размещаются индикаторы, идущие от МП. Но иногда быват полезным разместить на передней
панели 2 дополнительных разъема USB. Через специальный разъем на МП для подключения дополнительных USB портов. На
переднюю панель можно вынести серийный порт B для использования приборов с инфракрасным (ИК) передатчиком. ИК
действует передает данные со скоростью 115 Kбит/с на расстоянии 1 метр.
Разъемы задней панели
Это разъемы последовательного (COM, USB), параллельного (LPT) портов, а также порты PS/2 для мышки и клавиатуры.
Кроме того, для использования встроенной видеокарты есть стандартный VGA разъем. Для работы в сети есть RJ-45 LAN
разъем, использующийся со встроенным сетевым адаптером (если не используется порт CNR). Если присутствует встроенный
звук, имеются разъемы звука: это линейные выход и вход, вход для микрофона, а также порт Midi/Game.
Другие разъемы
Это различные проводники и провода, такие как CD-ROM аудио провод, провода для вентиляторов и т.п.
Перемычки/Джамперы
Как и многие материнские платы, эта использует для изменения настроек перемычки. Основная перемычка - J7C1
используется при сбое BIOS, и служит для его восстановления.
Питание
Это тот самый регулятор напряжения, о котором говорилось раньше. Кроме него это различные резисторы, конденсаторы,
выпрямители и т.п.
D815EEA: Заключение
Итак, эта материнская плата имеет встроенные звук, графику, сетевой адаптер, и может иметь встроенный модем. Этим она
избавляет от необходимости приобретать все перечисленное оборудование, и позволит сэкономить достаточно большую
сумму денег. Однако она не обеспечивает большой производительности, поэтому будет идеальным решением для офисного
применения, или для применения пользователями, которым не требуется большая производительность.
Материнская плата Asus A7M266
Другая материнская плата, о которой мы бы хотели рассказать, это плата Asus A7M266 для процессоров Athlon и Duron. Мы
выбрали эту материнскую плату во-первых, т.к. она была специально разработана для применения в высоко требовательных
приложениях и для тех пользователей, которым необходима максимальная производительность. Кроме того, она работает с
памятью DDR, и оснащена некоторыми технологиями от ASUS для разгона. Она создана на комбинации чипсетов AMD/VIA и
послужит полной противоположностью для материнской платы на чипсете Intel 815. Мы не будем представлять список
ущербных составляющих материнской платы от Intel, а покажем некоторые интересные различия, вытекающие из различной
концепции материнских плат. Asus A7M266 поддерживает практически те же устройства, что и предыдущая плата: AGP 4X,
ATA-100, и 4 USB. Рисунок ниже показывает внешний вид этой МП.
Физическое расположение компонетов на плате A7M266
(для увеличения шелкните по изображению)
Поддержка Процессоров AMD Socket A, шины FSB 266 МГц и больших радиаторов
Обычно, вокруг процессора располагается группа конденсаторов, которые предназначены для устранения шумов сигналов,
идущих из блока питания к процессору. Они, как правило, располагаются достаточно близко к процессорному разъему, что
мешает установке больших радиаторов на процессор. На этой же материнской плате они установлены довольно далеко от
процессора, и трудностей с большими системами охлаждения владельцы этой материнской платы испытывать не будут. Это
очень порадует оверклокеров. Порадует их также то, что в разъеме для процессоров (а именно под ним) установлен
термодатчик, определяющий температуру процессора и передающий ее в BIOS.
Специальный чип от ASUS аппаратного мониторинга
Одна из уникальных особенностей многих плат от ASUS - это специализированная интегральная схема (Application Specific
Integrated Circuit - ASIC), которую ASUS использует для мониторинга температур различных устройств на плате, скорости
вращения вентиляторов, а также для наблюдением за напряжением на плате. Эти значения можно наблюдать из BIOS, а
также и из операционных систем высокого уровня, используя поставляемое программное обеспечение.
Северный мост AMD 760 и Южный мост VIA VT82C686B
Т.к. чипсет AMD 760 все еще использует для соединения между мостами шину PCI, ASUS решила оборудовать эту
материнскую плату известным южным мостом от VIA - это мост VT82C686B. Как говорилось выше, использование шины PCI
может повлечь возникновение различных задержек и т.п. т.к. AMD 760 не поддерживает быстрый механизм связи между
мостами.
Возможность изменения частоты FSB из BIOS с шагом в 1 МГц
Процессоры Athlon/Duron очень любят оверклокеры. Именно поэтому в последнее время стали популярными технологии,
обеспечивающие изменения частоты шины FSB с шагом в 1 МГц. Например, процессор Athlon с частотой в 1 ГГц работает на
шине с частотой 133 МГц DDR и имеет коэффициент умножения 7.5. Но и процессор и плата могут работать вполне стабильно
и на более высоких частотах, а изменение частоты шины с шагом в 1 МГц позволяет сконфигурировать систему именно так,
как вам нравится. Материнская плата может управляться как перемычками, так и из BIOS.
AMR порт позволяет установку дешевого звука, или модема
AMR (Audio Modem Riser) порт используется для установки дешевой звуковой карты, или модема, использующих для работы
ресурсы центрального процессора и памяти. Хотя зачем понадобился такой слот на этой материнской плате, понять трудно
(вспомните, для кого она создавалась). Как и в рассматриваемой материнской плате от Intel, этот порт заменяет 5 порт PCI.
Asus A7M266: заключение
Единственным слабым местом этой материнской платы является связь посредством шины PCI между Северным и Южным
мостами. Использование памяти DDR вместе с мощным контроллером AGP 4x обеспечивают просто огромную
производительность.
Будущее материнских плат
Настало великое время для компьютерных энтузиастов: все становится быстрее, дешевле и проще в использовании. Но что
же нас ждет в будущем? Что же случится с персональным компьютером, когда уже сейчас видны тенденции по его
разделению на специализации?
Смерть материнских плат
Уже сейчас разрабатываются и используются устройства, объединяющие в себе центральный процессор, графику, и оба
чипсета. Такие продукты называются "Системы на одном чипе" ("System on a Chip" - SOC) и используются сейчас в дешевых
интернет-станциях и в наладонниках. В такие чипы все еще не встроена оперативная память, но это дело недалекого
будущего. Кроме того, в него будут встроены BIOS, а также процессоры обработки аналоговых функций для графики, звука,
а также для работы в сети. Такие устройства будут иметь свою, строго ограниченную сферу применения, что положит конец
универсальности компьютеров. К такому устройству будут присоединяться такие устройства, как жесткие диски, сетевые
адаптеры, ТВ-тюнеры и т.п. по какому-нибудь высокоскоростному интерфейсу. Для таких дешевых систем материнская плата
просто не нужна.
Материнская плата навсегда
К счастью, хоть тенденция к разграничению возможностей компьютеров будет иметь массовое значение, компьютеры в
сегодняшнем понимании полностью не исчезнут. Они будут необходимы довольно большому кругу профессионалов, которым
возможностей систем на одном чипе будет просто не хватать. Именно поэтому материнская плата как основной компонент ПК
не исчезнет, а наоборот, избавится от всячески тормозящих работу устройств и выйдет на новый уровень развития.
Несколько новых технологий материнских плат
Новые процессоры и память будут все увеличивать свои скорости, что естественно повлечет за собой увеличение частоты
шины. Вместо DDR придет новая похожая технология, QDR (Quad Data Rate), которая будет передавать данные 4 раза за такт
(т.е. пропускная способность увеличится в 4 раза) - кстати первые опытные образцы ужу есть. Шина USB спецификации 2.0
будет передавать данные со скоростью 480 Мбит/сек, а шина PCI преобразуется в PCI-X, пропускная способность которой
увеличится до 1 Гб/сек.
Большинство этих технологий вначале будет очень дорогими, и использоваться в серверах и высокопроизводительных
рабочих станциях, а позже они дойдут и до применения на потребительском рынке. Но технология, которая долгое время
останется серверной - это поддержка работы нескольких процессоров одновременно.
Заключение
В этой статье мы поговорили об особенностях современных материнских платах, о их устройстве и эффективности ее
компонентов. Мы надеемся, что знания, полученные из этой статьи, пойдут вам на пользу, и вы соберете себе именно тот
компьютер, который вам необходим.