Книга: Сам себе сисадмин. Победа над «домашним» компьютером

1.8. Особенности разных материнских плат

Главным узлом, определяющим возможности компьютера, является системная, или материнская (от англ. motherboard), плата. На ней обычно размещаются: базовый (центральный) микропроцессор, оперативная память, сверхоперативное ЗУ, называемое также кэш-памятью, ПЗУ с системной BIOS (базовой системой ввода/вывода), набор управляющих микросхем, или чипсетов (chipset), вспомогательных микросхем и контроллеров ввода/вывода, КМОП-память с данными об аппаратных настройках и аккумулятором для ее питания, разъемы расширения или слоты (slot), разъемы для подключения интерфейсных кабелей жестких дисков, приводов (дисководов), а также универсальной последовательной шины USB, разъемы питания.

Чипсет материнской платы – это набор микросхем, управляющий процессором, оперативной памятью и ПЗУ, кэш-памятью, системными шинами и интерфейсами передачи данных, а также рядом периферийных устройств. Чипсеты конструктивно привязаны к типу используемого процессора, причем за время жизненного цикла процессора успевает смениться несколько поколений чипсетов для него, и первые чипсеты позволяют использовать преимущества нового процессора лишь отчасти, а последние позволяют выжать из процессора максимальную производительность и использовать широкий спектр процессоров.

Все компоненты материнской платы связаны друг с другом системой проводников (линий), по которым происходит обмен информацией. Эту совокупность линий называют шиной (Bus). В отличие от других систем соединения, линии шины делятся на три группы в зависимости от типа передаваемой информации: шины данных, шины адреса и шины управления. Шины различаются и по своему функциональному назначению. Системную шину можно упрощенно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных по их назначению (данные, адреса, управление), которые также имеют вполне определенные электрические характеристики и протоколы передачи информации. Основной обязанностью системной шины является передача информации между процессором (или процессорами) и остальными электронными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется не только передача информации, но и адресация устройств, а также происходит обмен специальными служебными сигналами. Используемые в настоящее время шины отличаются по разрядности, способу передачи сигнала (последовательные или параллельные), пропускной способности, количеству и типу поддерживаемых устройств, а также протоколу работы. Шины могут быть синхронными (осуществляющими передачу данных только по тактовым импульсам) и асинхронными (осуществляющими передачу данных в произвольные моменты времени), а также использовать различные схемы арбитража (то есть способа совместного использования шины несколькими устройствами). Если обмен информацией ведется между периферийным устройством и контроллером, то соединяющая их линия передачи данных называется интерфейсом передачи данных, или просто интерфейсом. Среди применяемых в современных и перспективных ПК интерфейсов можно отметить EIDE, SCSI, SSA и Fibre Channel, USB, FireWire (IEEE 1394) и DeviceBay. Важной характеристикой материнской платы является ее форм-фактор, определяющий ее геометрические размеры, расположение разъемов расширения и процессора, точек крепления платы, а также тип разъема питания платы и питающие напряжения.

Шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) появилась по компьютерным меркам довольно давно – версия первого утвержденного варианта стандарта появилась 15 января 1996 года. Разработка стандарта была инициирована весьма авторитетными фирмами – Intel, DEC, IBM, NEC, Northen Telecom и Compaq. Основная цель стандарта, поставленная перед его разработчиками, создать реальную возможность пользователям работать в режиме Plug&Play с периферийными устройствами. Возможности USB следуют из ее технических характеристик:

• скорость обмена – от 1.5 до 12 Mb/s;

• максимальная длина кабеля – 5 m;

• максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) – 127;

• напряжение питания для периферийных устройств – 5 V;

• максимальный ток потребления на одно устройство – 500 mA.

Разъёмы USB предназначены для подключения к компьютеру различных внешних периферийных устройств (мышь, клавиатура, портативный жёсткий диск, цифровая камера, принтер и т д.). Разъёмы стандартов USB 1.1 и Hi-Speed 2.0 одинаковы. Различия кроются в скорости передачи и наборе функций host-контроллера USB компьютера, да и самих USB-устройств. USB обеспечивает устройства питанием, поэтому они могут работать от интерфейса без дополнительного питания.

D-Sub (аналоговый интерфейс для подключения монитора).

Digital Visual Interface (DVI).

DVI – это стандартный интерфейс, чаще всего использующийся для вывода цифрового видеосигнала на ЖК-мониторы, начиная с 19-дюймовых моделей, и видеопроекторы. Данный стандарт был разработан консорциумом Digital Display Working Group. Существует три типа DVI разъемов: DVI-D (цифровой), DVI-A (аналоговый) и DVI–I (integrated – комбинированный или универсальный).

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, шина для соединения периферийных компонентов) создавалась как основная шина для различных карт расширения. Разработка оказалась настолько удачной, что за несколько лет вытеснила устаревшие шины. Шина PCI имеет несколько спецификаций, которые различаются скоростью передачи данных. На материнских платах PCI-слоты обычно имеют белый, желтый или серый цвет. Шина PCI поддерживает технологию Plug’n’Play, что упростило установку новых устройств собственными силами. Достаточно запустить соответствующую программу конфигурации, чтобы устройство было обнаружено системой и заработало.

PCI-Express – это интерфейс PCI Express(PCI-E), который пришел на смену PCI. Главное отличие PCI Express и PCI состоит в том, что шина PCI – это параллельнная шина, а PCI-E – последовательная, что позволило уменьшить число контактов и увеличить пропускную способность и уменьшить энергопотребление. Существует несколько вариантов PCI-E, которые отличаются друг от друга длиной разъема. Чем длиннее разъем – тем быстрее он работает.

Интерфейс IDE служит для подключения жестких дисков при помощи гибкого шлейф-кабеля. Впервые эту шину применили в компьютере IBM PC XT/AT, поэтому данный интерфейс получил название ATA (AT Attachment, подключение типа AT). А поскольку контроллер диска составлял единое целое с самим диском, эту же самую технологию стали называть IDE (Integrated Drive Electronics, электроника, интегрированная на диск). Вскоре, когда таким же способом стали подключать CD-ROM-приводы и другие устройства, данная технология получила название ATAPI. Разработчики продолжали совершенствовать эту технологию, повышая быстродействие и возможность подключения более емких жестких дисков. И тогда появились новые названия, соответствующие режимам работы шины – UltraDMA, DMA (Direct Memory Access). А когда появилась технология последовательного доступа с интерфейсом ATA (Serial ATA), то во избежание путаницы стали иногда добавлять уточнение Parallel: Parallel ATA (или сокращенно PATA). IDE-устройства имеют 40-контактный разъем и подключаются к материнской плате с помощью плоского 40-жильного шлейфа. Для более новых скоростных вариантов UltraDMA, по которым работают современные жесткие диски, требуется уже специальный 80-жильный кабель, в котором добавлены 40 дополнительных жил заземления, способствующие уменьшению наводок в шлейфе. Каждый кабель позволяет подключать максимум два накопителя, когда один работает в режиме master, а второй – в режиме slave. Обычно переключение режима происходит с помощью небольшой перемычки на накопителе.

В противовес устаревшему интерфейсу ATA была разработана шина Serial ATA (сокращенно SATA, последовательный ATA). Подключаются диски к данному интерфейсу 7-контактными кабелями. На данный момент существует три стандарта SATA – SATA/150, SATA/300 (иногда используется обозначение SATA II или SATA 3.0) и SATA/600 (SATA III), используемый тип корпуса и блока питания.

Материнская плата – единственный компонент ПК, который всегда содержится в компьютере. Именно она несет основные функции по объединению абсолютно всех компонентов ПК в согласованно работающее устройство.

Материнская плата – это не просто конструктивный элемент; как правило, именно ее функциональность определяет «мощность» компьютера. В ее состав входят все базовые компоненты, которые обеспечивают работу остальных подсистем ПК. Самыми главными из которых являются «чипсет», BIOS, набор системных шин, слот (разъем) центрального процессора, другие (вспомогательные) подсистемы, которые обеспечивают удобство и функциональность конкретной материнской платы: подсистема электропитания, подсистема мониторинга физических и электрических параметров.

Chip Set – это одна или несколько (набор) микросхем, специально разработанных для «обвязки» микропроцессора. Они содержат в себе контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти, таймеры, систему управления памятью и шиной – все те компоненты, которые в целом и обеспечивают согласованную работу всех аппаратных средств ПК. В одну из микросхем набора входят также часы реального времени с CMOS-памятью и иногда – клавиатурный контроллер, однако эти блоки могут присутствовать и в виде отдельных чипов. В состав микросхем наборов для интегрированных плат включают и контроллеры внешних устройств, а также подсистемы мониторинга физических параметров.

Тип набора в основном определяет функциональные возможности платы: типы поддерживаемых процессоров, структура/объем кэша, возможные сочетания типов и объемов модулей памяти, поддержка режимов энергосбережения, возможность программной настройки параметров и т. п. На одном и том же наборе может выпускаться несколько моделей системных плат, от простейших до довольно сложных – с интегрированными контроллерами портов, дисков, видео и т. п.

Из всех когда-либо выпускавшихся существует четыре преобладающих типоразмера материнских плат – AT, ATX, LPX и NLX. Кроме того, существовали уменьшенные варианты формата AT (Baby-AT), ATX (Mini-ATX, microATX) и NLX (microNLX), которые еще можно встретить в некоторых местах.

Расширение к спецификации microATX, добавляющее к этому списку новый форм-фактор – FlexATX и Mini-ITX, косвенно подтверждает, что спецификации, определяющие форму и размеры материнских плат, а также расположение компонентов на них и особенности корпусов, описаны ниже.

Форм-фактор АТ делится на две, различающиеся по размеру, модификации – AT и Baby-AT. Размер полноразмерной AT платы достигает до 12» в ширину, а это значит, что такая плата по размерам не уместится в большинство стандартных корпусов. Монтажу такой платы наверняка будут мешать отсек для дисководов и жестких дисков и блок питания. Кроме того, расположение компонентов платы на большом расстоянии друг от друга может вызывать некоторые проблемы при работе на больших тактовых частотах. Поэтому такой размер уже почти нигде не встречается.

Размер платы Baby-AT 8.5» в ширину и 13» в длину. Но на практике встречается и такое, что производители могут уменьшать длину платы для экономии материала или по каким-то другим причинам. Для крепления платы в корпусе в плате сделаны три ряда отверстий.

Все AT платы имеют общие черты. Почти все имеют последовательные и параллельные порты, присоединяемые к материнской плате через соединительные планки. Они также имеют один разъем клавиатуры, впаянный на плату в задней части. Гнездо под процессор устанавливается на передней стороне платы. Слоты модулей ОЗУ находятся в различных местах, хотя почти всегда они расположены в верхней части материнской платы.

Сегодня этот формат сошел со сцены. Новые и относительно старые возможности реализуются только на ATX материнских платах. Не говоря уже просто об удобстве работы, чаще всего на Baby-AT платах все коннекторы собраны в одном месте, в результате чего кабели от коммуникационных портов тянутся практически через всю материнскую плату к задней части корпуса, либо от портов IDE и FDD – к передней. Гнезда для модулей памяти, заезжающие чуть ли не под блок питания.

При ограниченности свободы действий внутри небольшого пространства MiniTower это неудобно. Неудачно решен вопрос с охлаждением – воздух не поступает напрямую к самой нуждающейся в охлаждении части системы – процессору. И тем не менее, форм-фактор ATX во всех его модификациях стал самым популярным. Спецификация ATX, предложенная Intel еще в 1995 году, нацелена как раз на исправление всех тех недостатков, что выявились со временем у форм-фактора AT. А решение, по сути, было очень простым – повернуть Baby AT плату на 90 градусов и внести соответствующие поправки в конструкцию. Вот что получилось в результате.

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

• Значительно увеличившееся удобство доступа к модулям памяти. В результате всех изменений гнезда для модулей памяти переехали дальше от слотов для материнских плат, от процессора и блока питания.

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

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

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

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

Конкретный размер материнских плат описан в спецификации во многом исходя из удобства разработчиков – из стандартной пластины (24 х 18’’) получается либо две платы ATX (12 x 9.6’’), либо четыре – Mini-ATX (11.2 х 8.2’’). Кстати, учитывалась и совместимость со старыми корпусами – максимальная ширина ATX платы, 12’’, практически идентична длине плат AT, чтобы была возможность без особых усилий использовать ATX плату в AT корпусе.

Но AT корпус для ПК еще надо умудриться найти. Также по мере возможности крепежные отверстия в плате ATX полностью соответствуют форматам AT и Baby AT.

Следующий форм-фактор ATX разрабатывался еще в пору расцвета Socket7 систем, и многое в нем сегодня не соответствует времени. Изменения по сравнению с ATX оказались минимальными. До 9.6 x 9.6’’ уменьшился размер платы, так что она стала полностью квадратной, уменьшился размер блока питания. Блок разъемов ввода/вывода остался неизменным, так что microATX плата может быть с минимальными доработками использована в ATX 2.01 корпусе.

Материнские платы форм-факторов NLX, LPX, Baby AT, WTX перестали удовлетворять требованиям времени. Выходили новые процессоры, появлялись новые технологии. И перечисленные материнские платы уже не были в состоянии обеспечивать приемлемые пространственные и тепловые условия для новых низкопрофильных систем.

Более современная спецификация Flex универсальна, оставляет на усмотрение производителя множество вариантов. Так, производитель определяет размер и размещение блока питания, расположение разъемов ввода/вывода, более-менее четко определены габариты – 9 х 7.5’’. FlexATX платы подходят для Socket-процессоров, которые и используются повсеместно в настоящее время.

Оглавление книги