5180

31

выхода таких устройств из строя, и, следовательно, это ведет к замене материнской платы, а, во-вторых, такие решения имеют среднюю производительность.

Тип и характеристики различных элементов и устройств материнской платы, как правило, определяются типом и архитектурой устанавливаемого на ней процессора. Именно процессор или процессоры, их семейство, тип, архитектура и исполнение определяют тот или иной вариант архитектурного исполнения материнской платы. Материнские платы изготавливают, ориентируясь главным образом на наилучшую совместимость именно с процессорами.

По числу процессоров, различают однопроцессорные и многопроцессорные (мультипроцессорные) материнские платы. Большинство персональных компьютеров являются однопроцессорными системами и комплектуются однопроцессорными материнскими платами. В последнее время (с 2006 г.) на рынке активно продвигаются двуядерные процессоры типа Intel Core Duo (появились уже и четырехъядерные процессоры). Естественно, они влияют на архитектурные решения для материнских плат. На вид и комплектацию материнских плат влияют также требуемые эксплуатационные характеристики и будущее назначение компьютера.

Исторически сложилось и существует сегодня две альтернативные архитектуры процессоров и соответственно материнских плат для них — от компании Intel и от компании AMD. Первая поддерживает процессоры Intel

Pentium II, Pentium III, Pentium 4, Pentium D, Celeron и Celeron D, а вторая — компании AMD: Athlon и Sempron. Процессор одной архитектуры невозможно использовать в материнских платах, рассчитанных для другой.

При сборке ПК большую роль играет выбор материнской платы. Именно материнская плата во многом определяет и производительность, и функциональность, и даже размер компьютера.

В настоящее время на российском рынке представлено огромное количество материнских плат различных производителей. Почти любой производитель материнских плат (разве что за исключением компании Intel) имеет в своем модельном ряду материнские платы практически на всех современных чипсетах как под процессоры Intel, так и под процессоры AMD. А если учесть, что каждый из производителей чипсетов (Intel, nVIDIA, SiS, VIA, ATI, ULi) предлагает не одну модель, а целую серию, то становится понятным, насколько многообразен современный модельный ряд материнских плат. Не

32

стоит забывать, что и производителей материнских плат насчитывается не один десяток.

Выбор производителя материнских плат осуществляется на первом этапе. Крупные производители постепенно вытесняют с рынка более мелких. В сущности, их не так много— это ASUS, Gigabyte, Foxconn и MSI. Есть еще и Intel, но по объему производства он намного отстает от перечисленных выше. Компания Intel преимущественно занимается лишь разработкой материнских плат, а не их производством. А производят платы по ее технологии и для самой Intel другие фирмы.

Качество материнских плат ведущих компаний практически одинаково. Несмотря на то что производятся они на разных заводах, технологический цикл производства (вплоть до марки используемого оборудования) совершенно идентичный. Конечно, во многом качество и работоспособность материнской платы определяется и версией BIOS.

Основные правила, на основании которых должна выбираться материнская плата сводятся к следующим. Материнская платформа должна соответствовать назначению ПК, типу корпуса, типу процессора, блоку питания, типу видеокарты, типу памяти, типу жестких дисков.

Одно из главных правил при выборе материнской платы — это ее соответствие типу ПК. Компьютеры бывают разные. Это может быть игровой домашний компьютер, высокопроизводительный компьютер для вычислительной работы, офисный ПК, бюджетный компьютер начального уровня или мультимедийный центр. Собственно, назначение ПК определяет в первую очередь тип используемого процессора и чипсет, на базе которого построена материнская плата.

При выборе материнской платы необходимо учесть, что и процессоры Intel, и процессоры AMD могут быть с различными разъемами. Так, для процессоров Intel это разъемы LGA 775 и Socket 478. Для процессоров AMD— Socket 939 и Socket 745. Если процессор уже имеется и под него подбирается материнская плата, то вариантов нет— нужна плата, в точности соответствующая разъему процессора. Если же планируется покупка нового компьютера или процессора, то лучше ориентироваться на платы с разъемами

LGA 775 (процессоры Intel) или Socket 939 (процессоры AMD).

При выборе материнской платы необходимо также учитывать интерфейс видеокарты. В настоящее время существует два варианта интерфейса видеокарт: PCI ExpressХ16 и AGP8Х. И хотя интерфейс AGP8Х считается уже устаревшим,

33

видеокарты с таким интерфейсом и материнские платы со слотом AGP8Х еще долго будут использоваться. Если видеокарта (и не дешевая) уже имеется, то, конечно же, материнскую плату имеет смысл подбирать под нее. Если же видеокарту также планируется покупать, то логично остановить свой выбор на материнской плате с интерфейсом PCI ExpressХ16 (все новые модели материнских плат выпускаются именно с этим интерфейсом) и в дальнейшем приобретать видеокарту с таким же интерфейсом.

Еще одно важное обстоятельство при выборе материнской платы— это ее соответствие типу оперативной памяти. В настоящее время распространены два типа памяти: DDR и DDR2 (на горизонте уже проявляется DDR3), причем модули памяти разных типов несовместимы друг с другом. Если материнская плата поддерживает процессор AMD, то единственный тип памяти, с которым она будет работать,— это DDR. Если же речь идет о плате под процессор Intel, то возможны варианты. Для процессоров Intel существуют материнские платы, поддерживающие память DDR, память DDR2 или даже оба типа памяти одновременно (разные слоты для установки модулей памяти). Если память тоже предстоит покупать, то разумнее всего в этом случае ориентироваться на память DDR2 и более новую серию (хотя этот вариант дороже) и соответственно приобретать материнскую плату с поддержкой памяти DDR2 (DDR3).

Еще один критерий, который необходимо соблюдать при выборе материнской платы— это соответствие материнской платы типу жестких дисков. В настоящее время существует два типа интерфейсов жестких дисков: SATA (Serial ATA) и PATA (раннее он назывался ATA с интерфейсом IDE). Соответственно на материнской плате могут быть разъемы для подключения и SATA- и PATA-дисков. Если речь идет о новой модели материнской платы, то в ней в обязательном порядке имеются SATA-разъемы (как правило, четыре и более), а вот количество PATA-разъемов может быть минимальным. Если в ПК предполагается устанавливать PATA-диск, а на плате имеется всего один PATAразъем, то на один шлейф придется подключать и оптический привод, и жесткий диск, что отрицательным образом отразится на производительности жесткого диска. Поэтому необходимо заранее определиться с количеством PATAинтерфейсов на материнской плате либо купить более современный SATA-диск. До сих пор среди пользователей пользуются популярностью и жесткие диски с интерфейсом IDE (один из вариантов РАТА). Данный интерфейс поддерживается практически на всех материнских платах для процессоров Pentium, несмотря на заниженные характеристики передачи информации по

34

локальной шине.

Все что располагается или будет в дальнейшем располагаться на материнской плате, взаимосвязано между собой так называемыми шинами. Различают главную шину – системную (одна); и дополнительные – локальные, принадлежащие разным стандартам для установки различных устройств, таких как звуковая карта, модем и другие.

3.1. Системная шина. Локальные шины

Шина является неотъемлемой частью материнской платы, на которой располагаются разъемы (слоты) для подключения плат адаптеров устройств (видеокарты, звуковые карты, внутренние модемы, накопители информации, устройства ввода–вывода и т. д.) и расширений базовой конфигурации (дополнительные пустующие разъемы). Внешне она не просматривается, а находится между текстолитовыми пластинам материнской платы.

Как отмечалось раннее, на производительность компьютерной системы в целом большое влияние оказывает системная шина. Шины – это артерии, по которым передаются электрические сигналы. Строго говоря, это каналы связи, применяемые для организации взаимодействия между устройствами компьютера. А те разъемы, в которые устанавливаются платы расширения, поддерживаются локальными шинами, или интерфейсами. Эти разъемы выполнены в виде слотов, и с их помощью осуществляется подключение дополнительных устройств (компонентов) через локальные шины, которых, как и системную шину, не видно на материнских платах. Схематично структура взаимосвязи шин отражена на рис. 9.

Дадим характеристику шинам, которые присутствуют на материнской плате. Основной считается системная шина FSB (Front Side Bus). По этой шине передаются данные между процессором и оперативной памятью, а также между процессором и остальными устройствами персонального компьютера. Вот тут и есть один подводный камень. Дело в том, что существует главная шина, шина процессора. Одни авторы утверждают, что системная шина и шина процессора это одно и то же, а другие – нет. Большинство приходят к выводу: поначалу процессор подключался к основной системной шине через собственную, процессорную, шину, в современных же системах эти шины стали одним целым. Мы говорим: “системная шина”, а подразумеваем процессорную, мы говорим: “процессорная шина”, а подразумеваем системную. Фраза: «материнская плата

35

работает на частоте 100 МГц» означает, что именно системная шина работает на тактовой частоте в 100 МГц. Разрядность FSB равна разрядности CPU. Если используется 64–разрядный процессор, а тактовая частота системной шины 100 МГц, то скорость передачи данных будет равна 800 Мбайт/сек (что и приведено ниже в расчетах).

Существует три основных показателя работы шины. Это тактовая частота, разрядность и скорость передачи данных.

Тактовая частота. Чем выше тактовая частота системной шины, тем быстрее будет осуществляться передача информации между устройствами и, как следствие, увеличится общая производительность компьютера, т. е. повысится скорость передачи данных и, следовательно, быстродействие компьютера.

Тактовая частота, применительно к персональным компьютерам, измеряется в МГц, где герц – это одно колебание в секунду, соответственно 1 МГц – миллион колебаний в секунду. Теоретически, если системная шина компьютера работает на частоте в 100 МГц, то значит она может выполнять до 100 000 000 операций в секунду. Совсем не обязательно, чтобы каждый компонент системы обязательно что-либо выполнял с каждым тактом. Существуют так называемые пустые такты (циклы ожидания), когда устройство находится в процессе ожидания ответа от какого–либо другого устройства. Персональные компьютеры класса Pentium I оснащались материнскими платами с поддержкой частоты системной шины 33 МГц, Pentium II - 66 МГц, Pentium III – 133 МГц. Современные материнские платы поддерживают работу системной шины на частотах 400, 533, 800, 1066 и даже 1600 МГц.

Разрядность. Шина состоит из нескольких каналов для передачи электрических сигналов. Если шина тридцатидвухразрядная, то это означает, что она способна передавать электрические сигналы по тридцати двум каналам одновременно. Шина любой заявленной разрядности (8, 16, 32, 64) имеет, на самом деле, большее количество каналов. То есть, если взять ту же тридцатидвухразрядную шину, то для передачи собственно данных выделено 32 канала, а дополнительные каналы предназначены для передачи специфической информации, например сигналов управления.

Скорость передачи данных. Название этого параметра говорит само за себя. Он высчитывается по формуле

тактовая частота * разрядность = скорость передачи данных.

Сделаем расчет скорости передачи данных для 64–разрядной системной

36

шины, работающей на тактовой частоте в 100 МГц.

100 * 64 = 6400 Мбит/сек;

6400 / 8 = 800 Мбайт/сек.

Но полученное число не является реальным. В жизни на шины влияют всевозможные факторы: неэффективная проводимость материалов, помехи, недостатки конструкции и сборки, а также многое другое. По некоторым данным, разность между теоретической скоростью передачи данных и практической может составлять до 25%.

Кроме системной шины на материнской плате есть еще шины ввода– вывода, которые отличаются друг от друга по архитектуре. Они получили название локальные.

В персональных компьютерах разных поколений использовались шины стандартов ISA, EISA, VESA, VLB и PCI. ISA, EISA, VESA и VLB, в настоящее время они являются устаревшими и не выпускаются на современных материнских платах. Сегодня все материнские платы базируются на шине PCI.

Все стандарты различаются как по числу и использованию сигналов, так и по протоколам их обслуживания.

ISA (Industrial Standard Architecture – промышленная стандартная архитектура). Первая 8–разрядная шина ISA появилась в 1981 году, а в 1984 году появился ее 16–разрядный вариант. Первые шины ISA фактически были единственным типом, но различались затем по тактовой частоте 8 МГц и 16 МГц. Следует отметить, что шины ISA практически 10 лет являлись единственными на материнских платах и до сих пор встречаются на некоторых из них. До 1987 года IBM отказывалась публиковать полное описание ISA, многие производители железа решились на разработку собственных шин. Так появилась 32-разрядная ISA, которая не нашла применения, но фактически предопределила появление шин следующих поколений MCA и EISA. В 1985 году фирма Intel разработала 32–разрядный 80386 процессор, который увидел свет в конце 1986 года. Появилась насущная необходимость в 32–разрядной шине ввода–вывода. Вместо того что бы продолжить дальнейшую разработку

ISA, в IBM создали новую шину MCA (Micro Channel Architecture –

микроканальная архитектура), которая во всех отношениях превосходила свою предшественницу. Но этот стандарт просуществовал не долго, и вскоре фирмой Compaq была разработана новая шина EISA.

37

EISA (Extended Industry Standard Architecture – расширенная промышленная стандартная архитектура). Основное ее отличие заключалось в 32–разрядной технологии, что привело к увеличению скорости обмена данными. При этом была сохранена совместимость с платами, рассчитанными для работы с ISA. Скорость передачи данных уже равнялась 33 Мбайт/сек. Но по-прежнему внутренняя тактовая частота осталась низкой – 8,33 МГц. С повышением тактовых частот и разрядности процессоров настала насущная проблема в повышении скорости передачи данных в шинах. В 1992 году появился еще один расширенный вариант ISA – VLB (VESA Local Bus) — Video Electronic Standard Association . VLB была локальной шиной, которая не изменяла, а дополняла существующие стандарты. Просто к основным шинам добавлялось несколько новых быстродействующих локальных слотов. Популярность шины VLB продлилась до 1994 года. Скорость передачи данных VLB равнялась 128 – 132 Мбайт/сек, а разрядность –32. Тактовая частота достигала 50 МГц, но реально не превышала 33 МГц в связи с частотными ограничениями самих слотов. Основная функция, для которой была предназначена новая шина, – обмен данными с видеоадаптером. Но новая шина имела ряд недостатков, которые не позволили ей долго просуществовать на рынке.

В 1991 году начались разработки новой локальной шины PCI. PCI

(Peripheral Component Interconnect bus) – шина соединения периферийных компонентов. И в июне 1992 года появился этот новый стандарт – PCI (2.0), разработчиком которого была фирма Intel совместно с другими компаниями Compaq, HP и др. Это было своеобразной революцией. Разнообразие плат расширения, использующих шину PCI, было велико. Тактовая частота шины PCI была равна 33 МГц и 66 МГц. Разрядность – 32 или 64. Скорость передачи данных – 132 Мбайт/сек или 264 Мбайт/сек. Шина PCI обеспечивает самоконфигурируемость периферийного (дополнительного) оборудования — поддержку стандарта Plug and Play, исключающего ручную конфигурацию аппаратных параметров периферийного оборудования при его изменении, или наращивании. Операционная система, поддерживающая этот стандарт, сама настраивает оборудование, подключенное по шине PCI, без вмешательства пользователя.

Постоянное усовершенствование видеокарт привело к тому, что физических параметров шины PCI стало не хватать, что и привело к появлению в 1996 г. AGP. До 1997 года графическая подсистема сильно нагружала шину PCI. Выпуск вместе с чипсетом Intel 440LX ускоренного графического порта

38

AGP (Accelerated Graphics Port) послужил двум целям: увеличить графическую производительность и убрать графические данные с шины PCI. Поскольку графическая информация стала передаваться по другой "шине" перегруженная шина PCI смогла освободиться для работы с другими устройствами.

На материнской плате этот порт существует в единственном виде. Ни физически, ни логически он не зависит от PCI. Первый стандарт AGP 1.0 появился в 1997 году благодаря инженерам фирмы Intel. Этой спецификации соответствовала тактовая частота 66 МГц. Следующая версия, AGP 2.0, появилась на свет в 1998 году и скорость передачи данных – 533 Мбайт/сек (2х) и 1066 Мбайт/сек (4х). Последней версией AGP явилась AGPх8 (2004–2005гг.). Основным (базовым) режимом AGP является 1х. В этом режиме происходит одиночная передача данных за каждый цикл. В режиме 2х передача происходит два раза за цикл, в режиме 4х передача данных происходит четыре раза за каждый цикл, и так далее. Ширина полосы пропускания AGP 1.0 – 32 бита. Большим достижением AGP является то, что эта спецификация позволяет получить быстрый доступ к оперативной памяти.

Однако AGP явился лишь первым шагом в деле уменьшения нагрузки шины PCI. Шина PCI Express, ранее известная как шина ввода–вывода третьего поколения (3rd Generation I/O, 3GIO), призвана заменить шину PCI и взять на себя задачу по связи компонентов внутри компьютера на ближайшие десять лет.

Что касается стоимости внедрения, то новая шина призвана соответствовать уровню PCI или даже быть ниже него. Последовательная шина требует наличия меньшего числа проводников на печатной плате, облегчая дизайн платы и увеличивая его эффективность – ведь освободившееся место можно использовать для других компонентов.

Шина поддерживает совместимость с PCI на программном уровне, то есть существующие операционные системы будут загружаться без каких-либо изменений. Кроме того, конфигурация и драйверы устройств PCI Express будут совместимы с существующими PCI-вариантами.

Одна из наиболее впечатляющих функций PCI Express заключается в возможности масштабирования скорости, используя несколько линий передачи. Физический уровень поддерживает ширину шины X1, X2, X4, X8, X12, X16 и X32 линий. Передача по нескольким линиям прозрачна для остальных слоёв.

Поскольку PCI Express обеспечивает скорость передачи 200 Мбайт/с уже при ширине X1, шина является очень эффективным решением по отношению стоимость/число контактов. Шин PCI Express х16 позволяет достичь пропускной

39

способности 4 Гбайт/с в каждом направлении (суммарная пропускная способность 8 Гбайт/с) для графики, что более чем в два раза больше пропускной способности AGP 8X.

Другими словами, спецификация описывает несколько видов соединений и разъемов: PCI Express 1x, 4x, 8x, 16x. Первый состоит из одной так называемой Lane. Последний – из шестнадцати. Соответственно, пропускная способность первого составляет 500 Мбайт/с в обе стороны, а последнего – 8 Гбайт/с (по 4 Гбайт/с в каждую сторону). При этом все 20 имеющихся групп Lane могут быть произвольным образом распределены между разъемами 1х, 4х, 8х, и 16х. Разъемы совместимы снизу вверх, то есть PCI Express 1х карту можно вставить в разъем PCI Express 4х, 8х, или же 16х. Но не наоборот. Остается добавить, что на настольных ПК в основном применяются шины 1х и 16х. Следует также обратить внимание на уменьшение габаритов PCI Express по сравнению с просто с PCI. На начальных этапах PCI Express был предназначен для подключения видеокарты, которые были достаточно дороги (400$ и более). В настоящее время видеокарты низшего и среднего ценового диапазона для шины PCI Express стали доступны. И производители других компонентов компьютера начинают активно разрабатывать новые устройства под эту шину. И как указывается в прогнозах, как минимум на 10 лет шина PCI Express будет являться основной для подключения внутренних устройств ПК и постепенно вытиснит шину PCI.

3.2. Чипсет

Как уже можно было убедиться на примере системной и локальных шин, материнская плата является довольно сложным устройством и включает следующий важный компонент – чипсет. От чипсета напрямую зависят все основные характеристики материнской платы, а следовательно, и конструируемой на ее базе компьютерной системы.

Чипсет является основой любой материнской платы. Фактически функциональность материнской платы и ее производительность на 90% определяются именно чипсетом, от которого зависят поддерживаемый тип процессора, тип памяти, а также функциональные возможности по подключению периферийных устройств.

Чипсет – это набор микросхем системной логики (называют сокращенно НМС или МСЛ). Общеизвестно, что персональный компьютер состоит из некоторого количества устройств, которые так или иначе подключены к

40

материнской плате и занимаются тем, что принимают, обрабатывают и передают какую-либо информацию. Логической организацией всей этой работы и занимаются чипсеты. На первых поколениях ПК, когда НМС еще не существовало, материнские платы несли на себе до ста микросхем, которые занимались логической организацией работы отдельных устройств, что было крайне неудобно. Вот некоторые из них: контроллеры прерываний, контроллер прямого доступа, контроллер клавиатуры, часы, системный таймер, контроллер шин и прочее и прочее. Такое положение просуществовало до 1986 года, когда фирма Chip and Technologies предложила поистине революционное решение. Микросхема называлась 82С206 и стала основной частью набора микросхем системной логики. Она выполняла такие функции, как:

контроллер шин;

генератор тактовой частоты;

системный таймер;

контроллер прерываний;

контроллер прямого доступа к памяти; CMOS.

Споявлением процессора i80486 отдельные микросхемы стали объединять в одну–две большие микросхемы, которые и получили наименование чипсета. В буквальном переводе чипсет (chipset) означает «набор микросхем». Чипсет, который также называют набором системной логики, — это одна или чаще всего две микросхемы (чипы), предназначенные для организации взаимодействия между процессором, памятью, портами вводавывода и остальными компонентами компьютера.

Споявлением шины PCI отдельные микросхемы чипсета стали называть мостами — так появились устоявшиеся термины: северный мост (North Bridge) и южный мост (South Bridge) чипсета, при этом северный мост соединяется непосредственно с процессором, а южный — с северным. В некоторых случаях производители объединяют северный и южный мост в одну микросхему, и такое решение называют одночиповым, а если микросхемы две, то это — двухмостовая схема.

В северный мост чипсета традиционно включены контроллер оперативной памяти (за исключением чипсетов для процессоров с архитектурой AMD64), контроллер графической шины (AGP или PCI Express x16), интерфейс взаимодействия с южным мостом и интерфейс взаимодействия с процессором. В