Материнские платы

Материнская плата (системная плата, motherboard) – важнейшая часть компьютера, с помощью которой осуществляется взаимодействие между различными устройствами системы. На ней расположены основные элементы, такие как процессор, оперативная память, chipset, BIOS, контроллеры, вспомогательные микросхемы и т. д. В настоящее время наиболее распространены материнские платы, содержащие в себе только основные узлы, а все остальные необходимые, но отсутствующие элементы (видеоадаптер, звуковая карта, модем и другие устройства) располагаются на отдельных платах. Они подключаются к системной плате через определенные слоты шин PCI, ISA, AGP и др. Однако существуют материнские платы с интегрированными видеоконтроллерами, звуковыми платами, контроллерами SCSI и т. д.

Socket-7, Slot-1, Socket-370, Socket-8, Slot-2, Slot-A – процессорные разъемы на материнской плате. Спецификация разъема определяет как сам конструктив разъема, так и назначение контактов, электрические параметры, определяет порядок взаимодействия с шинами данных, особенности взаимодействия с оперативной памятью и т. д.
Socket-7 – разъем типа ZIF (Zero Input Force – нулевое усилие установки), имеющий 296 контактов, расположенных в плоском прямоугольном конструктиве. Данный разъем ориентирован на процессоры класса Intel P54/55, Cyrix 6x86, Cyrix 6x86MX, AMD K5, AMD K6, IDT C6.
Slot-1 – разъем, имеющий 242 продольно расположенных контакта. Предназначен для установки процессоров Intel Pentium II, Intel Pentium III и Intel Celeron, выполненных в картридже SECC (картридж с односторонними контактами).
Socket-370 – относительно новый тип разъема, отличающийся от Slot-1 размещением контактов на плоской площадке по типу Socket-7 и предназначенный для подключения процессоров Intel Celeron в пластмассовом корпусе типа PPGA. Электрические параметры Socket-370 полностью совпадают с разъемом Slot-1.
Socket-8 – разъем типа ZIF c 387 контактами для установки процессора Intel Pentium Pro.
Slot-2 – разъем для установки картриджей с процессором Intel Xeon.
Slot-A – разъем для установки процессора AMD K7.

Системный набор (Chipset, чипсет) – набор системных микросхем, обеспечивающих работу процессора, системной шины, интерфейсов взаимодействия с оперативной памятью и другими компонентами персонального компьютера.

Современные системные наборы (начиная с Intel 440LX) состоят из двух базовых микросхем – Северный мост (North Bridge) и Южный мост (South Bridge). Северный мост обеспечивает управление шиной оперативной памяти, шиной AGP, шиной PCI и осуществляет взаимодействие с системной шиной процессора FSB. Южный мост осуществляет управление интерфейсами IDE, USB, IEEE1294, ACPI, имеет в своем составе мост ISA-PCI, контроллеры клавиатуры, мыши, FDD.

Производителей системных наборов не так много. Лидером среди них является компания Intel. Однако широкое распространение получили также и наборы от таких фирм, как VIA Technologies, Acer Laboratories, Silicon Integrated Systems.

Системные наборы для интерфейса Socket-7:
Intel 430TX – системный набор для интерфейса Socket-7, разработанный компанией Intel. Данный чипсет является последним разработанным фирмой Intel набором для данного интерфейса. Основным достоинством набора является поддержка контроллером EIDE протокола обмена данными UDMA/33. Обеспечивает возможность работы с модулями оперативной памяти типа SIMM (до четырех) и типа DIMM (до двух). Максимальный объем памяти составляет 256 Mb. Оперативная память свыше 64 Mb не кэшируется. Отсутствует поддержка режима коррекции ошибок при передаче данных ECC (Error Correction Codes). Поддерживается кэш-память второго уровня (Level 2 cache) типа pipelined burst SRAM объемом до 512 K, размещаемая на материнской плате. Поддерживаются следующие частоты системной шины: 60, 66, 75, 83 MHz (последние два режима не рекомендуются). Наличие до пяти слотов PCI спецификации PCI 2.1. Для разделения шин PCI и ISA используется мост PCI-ISA Bridge. BIOS обеспечивает возможность загрузки с любого винчестера. Поддерживаются интерфейсы USB и ACPI.
Набор Intel 430TX обеспечивает поддержку процессоров Intel Pentium P54/55, AMD K5, AMD K6, Cyrix 6x86, IDT C6, рассчитанных на конструктив Socket-7.

Intel 430VX – системный набор компании Intel, основными отличиями которого от чипсета Intel 430TX являются отсутствие поддержки контроллером EIDE протокола UDMA/33 и поддержка меньшего объема оперативной памяти (до 128 Mb).

Intel 430HX – данный набор также не поддерживает UDMA/33, но зато позволяет производить установку памяти до 512 Mb (правда, только в модулях SIMM), причем весь объем кэшируется. Присутствует также режим ECC.

VIA Apollo VP2 – системный набор компании VIA Technologies, несколько превосходящий по возможностям Intel 430TX. Его особенностью является поддержка до 512 Mb полностью кэшируемой памяти. Максимальный объем кэш-памяти достигает 2 Mb.

VIA Apollo VPX – системный набор компании VIA Technologies, полностью совпадающий по параметрам и характеристикам с предыдущей моделью. Единственным отличием является “официальная” поддержка частоты системной шины до 75 MHz включительно.

VIA Apollo VP3 – системный набор компании VIA Technologies, дополнительно (по сравнению с VP2) поддерживающий модули памяти DDR SDRAM и интерфейс видеошины AGP.

VIA Apollo MVP3 – аналог набора VP3, но с дополнительной поддержкой частоты системной шины 100 MHz.

VIA Apollo MVP4 – аналог чипсета MVP3, единственным отличием от которого является возможность установки интегрированных на материнской плате видеоадаптера AGP и звуковой карты.

SiS5528 – чипсет, разработанный фирмой Silicon Integrated Systems, главным отличием которого от Intel 430TX является поддержка до 384 Mb оперативной памяти. Имеет также существенно более низкую цену.

SiS5591/5595 – данный чипсет поддерживает интерфейс AGP и установку оперативной памяти до 768 Mb.

AMD-640 – чипсет, разработанный фирмой AMD. Оптимизирован для процессора AMD K6. Максимальный размер памяти DRAM – 512 Mb. Поддерживаются протокол UDMA/33, шина USB, интерфейс ACPI. Данный системный набор обеспечивает масштабируемость, что позволяет использовать одну системную плату с процессором AMD K5 или AMD K6. Чипсет AMD-640 состоит из системного контроллера AMD-640 и контроллера периферийной шины AMD-645.

Чипсеты для интерфейса Slot-1:
Intel 440FX – первый системный набор, поддерживающий интерфейс Slot-1. Оптимизирован для процессоров Pentium Pro и Pentium II. Поддерживает двухпроцессорную конфигурацию, оперативную память типа SIMM объемом до 512 Mb, режим ECC, шину USB. Тактовые частоты системной шины – 60 и 66 MHz. Отсутствует поддержка протокола UDMA/33.

Intel 440LX AGPSet – первый чипсет для интерфейса Slot-1, в котором реализована поддержка новых технологий и интерфейсов. В отличие от Intel 440FX имеет уже не три, а две микросхемы: контроллер PAC (PCI AGP Controller) – Северный мост, акселератор PIIX4 (PCI, ISA, IDE Xelerator) – Южный моcт.Поддерживает работу шины AGP на частоте до 133MHz, установку до двух процессоров на одной материнской плате. Максимальный объем поддерживаемой памяти типа DIMM (SDRAM) – 512 Mb. Контроллер системной памяти оптимизирован для SDRAM. Частота системной шины – до 83 MHz. Интегрированный IDE контроллер Южного моста обеспечивает поддержку протокола UDMA/33. Обеспечивается также поддержка шины USB, технологии Plug-and-Play, ACPI, режима ECC. Применение этого системного набора повышает производительность и степень параллелизма в системе за счет использования технологии Quad Port Acceleration (QPA), которая предусматривает 4-портовый параллельный арбитраж шины процессора, графической шины AGP, шины PCI и шины системной памяти SDRAM.

Intel 440BX AGPSet – системный набор, обеспечивающий поддержку процессоров Intel Pentium II и Intel Pentium III. В данном чипсете впервые реализована поддержка частоты системной шины 100 MHz, что позволило поднять производительность обмена данными между памятью и процессором. Возможна установка до двух процессоров на материнской плате. Обеспечивается поддержка до 512 Mb памяти DIMM (SDRAM) или до 1024 Mb памяти SIMM. Реализуется коррекция ошибок ECC. Поддерживаются шина USB, режимы AGP 1x/2x, протокол UDMA/33. Для шины PCI установлены частоты 30 и 33 MHz.

Intel 440EX AGPSet – полный аналог Intel 440LX, за исключением уменьшенного до 256 Mb объема поддерживаемой оперативной памяти. Так же как и Intel 440LX, данный набор осуществляет поддержку AGP, памяти SDRAM, протокола UDMA/33, управления питанием на основе ACPI. Intel 440EX оптимизирован для работы в системах на базе процессора Celeron.

Intel 440ZX AGPSet – чипсет с “урезанными” функциями набора Intel 440BX. Отсутствует поддержка двухпроцессорной системы, частота системной шины ограничена величиной 66MHz, объем поддерживаемой памяти ограничен величиной 256 Mb. Зато стоимость этого набора значительно ниже, чем у 440BX. Оптимизирован для работы в системах на базе процессора Celeron.

Intel 810 – новейшая разработка компании Intel. Интегрированный контроллер IDE Южного моста осуществляет поддержку протокола UDMA/66. В микросхему Северного моста встроен видеоконтроллер AGP – модернизированный вариант контроллера Intel 740. Данный системный набор поддерживает оперативную память объемом до 512 Mb.

Intel 820 – разрабатываемый в настоящее время компанией Intel системный набор с улучшенными возможностями и дополнительными функциями. Этот чипсет осуществляет поддержку новейшей оперативной памяти типа DRDRAM. Осуществляется поддержка частоты системной шины 133 MHz. Поддержка работы шины AGP в режиме AGPx4 (четырехкратное умножение).

Intel 440BX2 – аналог набора Intel 820, но без поддержки памяти типа DRDRAM.
Чипсеты фирмы ALI, такие как, например, ALI Aladdin Pro II, отличаются сравнительно высокой скоростью обмена с оперативной памятью. В наборе ALI Aladdin Pro II применяются различные методы разгрузки системной шины и ускорения работы с памятью.
Системные наборы фирмы VIA (например, VIA Apollo Pro) уступают по производительности чипсетам фирмы Intel, но зато обладают более широким набором функций.

Чипсеты для интерфейса Socket-8:
Intel 450KX – основной системный набор, поддерживающий процессоры Pentium Pro. Возможна установка до четырех процессоров. Поддерживается память типа SIMM объемом до 256 Mb, причем весь объем кэшируется. Реализована коррекция ошибок ECC. Отсутствует поддержка протокола UDMA/33.

Intel 450GX – набор, используемый в материнских платах для высокопроизводительных серверов. Поддерживает память объемом до 512 Mb.

Чипсеты для интерфейса Slot-2:
Intel 440GX – системный набор, основной функцией которого является поддержка процессора Xeon. Построен по четырехпортовой архитектуре QPA. Поддержка до 2 Gb оперативной памяти с реализацией ECC. Используется в рабочих станциях среднего и высокого уровня.

Intel 450NX – достаточно новый набор, отличительными особенностями которого являются: поддержка до четырех процессоров, поддержка до
8 Gb памяти типа DIMM, масштабируемость производительности по числу процессоров (производительность возрастает до 3.5 раз при четырех процессорах), коррекция ошибок ECC, диагностика ошибок по всем сигналам PCI, поддержка до четырех шин PCI 32 бит или до двух PCI 64 бит и т. д. Оригинальная архитектура данного набора имеет цель оптимизации производительности в многопроцессорных системах.

BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода-вывода) – программный код, необходимый для управления дисками, видеокартой, клавиатурой, портами и другими компонентами компьютера. Данное аппаратно встроенное программное обеспечение размещается в микросхеме ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, или ROM – Read Only Memory), установленной на материнской плате компьютера. В силу этого BIOS доступна постоянно, независимо от работоспособности внешних компонентов, таких как, например, загрузочные диски.
В современных материнских платах используются, как правило, микросхемы Flash BIOS, система BIOS в которых может перезаписываться при помощи специальной программы, что облегчает модернизацию кода BIOS при появлении новых устройств, которым нужно обеспечить поддержку (например, новых типов микросхем оперативной памяти).
В настоящее время наиболее популярны Award BIOS и AMI BIOS.

Кэш-память второго уровня (Cache Level 2) – дополнительная “быстрая” память, которая предназначена для оптимизации процесса обмена данными между процессором и оперативной памятью и служит для временного хранения часто используемых данных и команд, снимая во многих случаях необходимость обращения к более “медленной” оперативной памяти для чтения и записи информации. Кэш-память строится на основе памяти типа SRAM (Static Random Access Memory – статическая память с произвольным доступом), которая работает на порядок быстрее, чем обычная оперативная память типа DRAM. Поэтому процессор обрабатывает данные из кэш-памяти сразу, не тратя время на ожидание доступа. В современных материнских платах используется конвейерный кэш с блочным доступом (Pipelined Burst Cache).

Расположенная непосредственно на материнской плате кэш-память относится, как правило, ко второму уровню (Level 2), так как во многих процессорах уже имеется встроенная в кристалл кэш-память первого уровня. Современные модели процессоров, такие как Intel Celeron A, Intel Penium II, Intel Xeon, Intel Pentium III, имеют Cache Level 2 на модуле самого процессора. Кэш-память на материнской плате в системе с процессором K6-3 фирмы AMD относится уже не ко второму, а к третьему уровню, так как сам этот процессор имеет встроенные кэш первого и кэш второго уровней.

В материнских платах используется Cache Level 2 объемом 256 Kb, 512 Kb, 1 Mb. Использование данного вида кэш-памяти обычно увеличивает производительность системы на 10-20%. Чем больше размер кэш-памяти, тем выше производительность. При этом рост общей производительности – нелинейный. Это означает постепенное уменьшение скорости роста общей производительности компьютера с ростом размера кэш-памяти. Для современных архитектурных решений рост производительности, как правило, практически прекращается после 1 Mb кэш-памяти уровня L2.

AT (Baby AT), ATX, LPX, NLX – форм-факторы (типоразмеры) материнских плат, т. е. стандарты, описывающие форму и размеры плат, а также расположение на них компонентов.
Наибольшее распространение в настоящее время получили платы ATX и AT (Baby AT).
Полномасштабные платы AT и платы Baby AT отличаются только размерами. Самыми распространенными платами стандарта AT являются материнские платы формата Baby AT, имеющие размер 8.5 дюймов по ширине и 13 дюймов по длине. Полномасштабные платы AT имеют большие размеры (ширина такой платы равна 12 дюймов), что затрудняет их установку в корпус. В настоящее время полномасштабные платы AT не производятся.

Основные особенности материнских плат стандарта AT: почти все платы имеют встроенные контроллеры последовательных (COM) и параллельных (LPT) портов, контроллеры IDE, контроллеры ввода-вывода; гнездо под процессор смонтировано в передней части платы; разъемы под модули системной памяти DIMM и SIMM, как правило, расположены в верхней части материнской платы; разъем клавиатуры находится в задней части платы. Для крепления в корпусе в платах стандарта AT сделаны три ряда отверстий, в которые вставляются пластмассовые клипсы и винты, которыми прикрепляют плату к соответствующим резьбовым соединениям и прорезям.
Самыми распространенными материнскими платами являются платы формата ATX (18x30 см). Форм-фактор ATX имеет следующие особенности и отличия от AT: расположение IDE-разъемов и разъемов контроллера FDD ближе к самим устройствам благодаря развороту платы (по сравнению с AT) на 90 градусов; перемещение гнезда процессора с передней части платы на заднюю, ближе к блоку питания; размещение портов ввода-вывода на материнской плате; встроенный разъем мыши типа PS/2; использование единственного 20-контактного разъема питания вместо двух раздельных у AT; возможность управления режимами работы блока питания с помощью контроллера материнской платы.

LPX – форм-фактор материнских плат для сверхнизких корпусов Slimline. В таких системах электронные платы (звуковая плата, видеокарта, модем и т. д.) устанавливаются параллельно материнской плате в специальную кросс-плату, которая непосредственно устанавливается в разъем системной платы.

NLX – относительно новый стандарт, определяющий типоразмер материнской платы, который в будущем приведет к радикальным изменениям в методах сборки и комплектации компьютеров. NLX обеспечивает более легкую установку материнской платы.

Интерфейсы
Интерфейс – стандарт подключения устройств к системе. Под интерфейсом следует понимать разъемы, наборы микросхем, генерирующих стандартные сигналы, форматы стандартных сигналов.

ISA (Industry Standard Architecture – архитектура промышленного стандарта) – основная шина на устаревших материнских платах. Конструктивно данный интерфейс представляет собой разъем на системной плате, состоящий из двух частей –
62-контактного и примыкающего к нему 36-контактного сегментов. Пиковая пропускная способность не превышает 5.55 Mb. Раньше с помощью интерфейса ISA подключались такие устройства, как видеокарты, модемы, звуковые карты и т. д. На современных материнских платах этот интерфейс либо совсем отсутствует, либо имеется всего 1-2 разъема.

PCI (Peripheral Component Interconnect – соединение внешних компонентов) – самый распространенный и универсальный интерфейс для подключения различных устройств. Конструктивно разъем на материнской плате состоит из двух следующих подряд секций по 64 контакта. Шина PCI реализует синхронный обмен данными формата 32 и 64 бита. Поддерживается тактовая частота до 33 MHz (модификация PCI 2.1 – до  66 MHz). Пиковая пропускная способность при частоте шины 33 MHz – 132 Mb/s (разрядность – 32 бит) и 264 Mb/s (разрядность –
64 бит), при частоте шины 66 MHz – 264 Mb/s (разрядность – 32 бит) и 528 Mb/s (разрядность – 64 бит). С помощью этого интерфейса к материнской плате подключаются видеокарты, звуковые карты, модемы, контроллеры SCSI и другие устройства. Как правило, на материнской плате имеется несколько разъемов PCI.

AGP (Acceleratecd Graphics Port – ускоренный графический порт) – интерфейс для подключения видеоадаптеров к отдельной магистрали AGP, имеющей выход непосредственно на оперативную память. Шина AGP обеспечивает высочайшую скорость передачи графических данных. Ее пиковая пропускная способность в режиме четырехкратного умножения AGPx4 теоретически имеет величину 1066 Mb/s. Интерфейс AGP конструктивно выглядит как отдельный разъем на материнской плате.

USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная магистраль) – относительно новый и перспективный интерфейс для подключения различных внешних устройств. Пиковая пропускная способность шины USB достигает 12 Mb/s. Возможно соединение до 127 внешних устройств по одному USB-каналу. На современных системных платах обычно имеется по два канала на контроллер. Данный интерфейс призван заменить такие устаревшие интерфейсы, как RS-232 (COM-порт) и параллельный интерфейс IEEE1284 (LPT-порт).

IEEE1394 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1394 – стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике 1394) – новый и перспективный последовательный интерфейс, предназначенный для подключения внутренних компонент компьютера и внешних устройств. Возможно подключение до 127 устройств к одному контроллеру с помощью единого шестижильного кабеля. Пиковая пропускная способность уже существующей версии этого интерфейса составляет 50 Mb/s, разрабатываемые модификации интерфейса будут иметь пропускную способность 200 Mb/s и даже вплоть до 800 Mb/s. Этот интерфейс будет использоваться для подключения жестких дисков, дисководов CD-ROM и DVD-ROM, а также высокоскоростных внешних устройств, таких как цифровые видеокамеры, видеомагнитофоны и т. д. Данный интерфейс призван заменить в будущем интерфейсы IDE/ATA и SCSI.

IDE/ATA (Integrated Drive Electronics – встроенная электроника накопителя; AT Attachment – подключение к AT) – интерфейс, предназначенный для обеспечения работы жестких дисков и других накопителей. Обеспечивается пиковая пропускная способность до 66 Mb/s (по новому протоколу UDMA/66). На материнских платах реализованы два канала IDE, к каждому из которых возможно подключение до двух устройств.

SCSI (Small Computer System Interface – интерфейс малых компьютерных систем) – интерфейс, предназначенный для обеспечения работы высокоскоростных устройств с большим объемом передаваемых данных, таких как жесткие диски, устройства для чтения и записи CD-ROM, сканеры и т. д. Существует много различных спецификаций данного интерфейса, отличающихся пиковой пропускной способностью, максимальным числом подключаемых устройств, максимальной длиной кабеля. Так, максимальная пропускная способность может достигать 80 и даже 160 Mb/s. Все SCSI-устройства управляются специальным SCSI-контроллером, реализованным чаще в виде отдельной платы расширения, устанавливаемой в свободный разъем на материнской плате. Однако выпускаются и материнские платы со встроенными контроллерами SCSI.

RS-232 – интерфейс обмена данными по последовательному коммуникационному порту (COM-порту). Управление работой COM-портов (число которых ограничено четырьмя) осуществляется специальной микросхемой UART16550A, расположенной на материнской плате. Физически разъем COM-порта может быть 25- или 9-контактным. С помощью данного интерфейса осуществляется работа и подключение таких устройств, как “внешние” модемы, мыши и др.

IEEE1284 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1284 – стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике 1284) – стандарт, описывающий спецификации параллельных скоростных интерфейсов SPP (Standard Parallel Port – стандартный параллельный порт), EPP (Enhanced Parallel Port – улучшенный параллельный порт), ECP (Extended Capabilities Port – порт с расширенными возможностями), как правило, используемых для подключения через параллельные порты компьютера (LPT-порты) таких устройств, как принтеры, внешние запоминающие устройства, сканеры, цифровые камеры. Со стороны LPT-порта установлен стандартный разъем DB-25 (25 контактов), а со стороны устройства используется разъем Centronics. Контроллер параллельного порта размещен на материнской плате.

ACPI (Advanced Configuration Power Interface – расширенный интерфейс конфигурирования и питания) – интерфейс, представляющий собой единую систему управления питанием для всех компонентов компьютера. Поддерживается новейшими модификациями BIOS материнских плат.