4. Материнская плата с процессором Pentium

Многослойная материнская (системная) плата является основой, на которой размещается процессор, ОЗУ, сверхбольшие ИС (чипсет), платы расширения, разъемы, ИС и интерфейсы периферийных устройств, которые объединяются в единую систему с помощью печатного монтажа. ИС, разъемы, переключатели на ней устанавливаются в определенные места и распаиваются по весьма точной технологии на автоматической линии. Внешний вид системной платы с МП Pentium показан на рис. 5.8.

Наряду с разъемом для подключения источника питания на системной плате находятся разъемы для подключения периферийных устройств, а также панель ZIF для установки процессора, разъемы для расширения памяти (как правило, это четыре 72-контактных разъема для модулей SIMM и от одного до четырех разъема для 64-разрядных 168-контактных модулей DIMM), кэш второго уровня при медленной DRAM. На материнской плате также распаяны ИС чипсета, контроллер I/O, CMOS RAM, а также несколько регуляторов напряжения, позволяющих изменять напряжение питания МП. Иногда материнские платы оснащаются SCSI-адаптером и интерфейсом с PS/2-мышью.

Тактовый генератор системной платы Pentium обычно обеспечивает частоту синхронизации 66,6 МГц, а МП с Pentium II – IV имеют частоту синхронизации 100 и 133 МГц и диапазон внутренних частот МП обеспечивается умножением. Чипсет обеспечивает взаимодействие основных компонент ЭВМ: МП, ОЗУ, кэш-2, НЖМД через системные шины FSB, PCI и ISA. Обычно он состоит из двух СБИС: системного контроллера и сопряжения шины процессора – PCI-ISA (мост) и ИС подключения EIDE интерфейса, а иногда контроллера клавиатуры и таймера реального времени. В качестве основного чипсета Pentium использовались ИС Intel Triton II двух разновидностей THX (82430HX – 2 ИС) и TVX (82430VX – 4 ИС), а в качестве основной памяти на платах устанавливались модули SIMM или DIMM на EDO DRAM емкостью до 64 Мб и кэш-2 на статических ИС ОЗУ емкостью 256 или 512 Кб. Динамические ИС SDRAM устанавливались на системных платах с Pentium II, где эффективность их в быстродействии обмена становилась очевидной на частоте 83 или 100 МГц с чипсетом 440LX. Системные платы имели 3 размера, удовлетворяющие стандарту ЭВМ АТ. Это обычный размер 305 х 350 мм, Baby – 220 х 250 мм и Mini – 220 х 250 мм.

С целью улучшения пользовательских и технических характеристик ЭВМ новый стандарт ATX фирмы Intel с 1995 г. [4] рекомендует платы размером 12 х 9,6 и 11,2 х 8,2 (Mini ATX) дюйма. На новой плате Bаby элементы смещены на 90° , их расположение показано на рис. 5.9.

В соответствии с новым стандартом, МП располагается непосредственно в зоне действия вентилятора блока питания. Разъемы имеют доступность для пользователя, а платы расширения могут быть установлены длинноразмерными в любой из слотов. АТХ блоки питания имеют напряжения питания 5,12 и3,3 В. Благодаря новым блокам питанияATXсущественно расширились возможности управления питанием компьютера. Появилась возможность программного управления питанием компьютера.

4.1. Материнская плата процессора Pentium III

Назначение материнской платы процессора PentiumIII– интеграция элементов и узлов ЭВМ в единую систему путем печатного монтажа. Платы изготавливаются многими фирмами, обычно соответствуют стандарту АТХ и обеспечивают функциональную преемственность, заключающуюся в возможности подключения ранних моделей периферийных устройств. Так, системные платы фирмAcorp,ASUSTeK,Intel, «Формоза», соответственно именуемыеAcorp6M810C,ASUSMEW,IntelCA810,Formozai810F, изготавливаются на основе чипсетаIntel810. Каждая плата имеют в своем составе 3-5 слотов шиныPCI, 1 слотAMR, 2 слотаDIMM, поддерживает ОЗУ 512 Мб, UltraDMA33/66 и системную шину 66/100 МГц, 2 портаUSB, имеет разъемыPS/2 для подключения мыши, клавиатуры, а некоторые платы содержат несколько слотов шиныISA. Аналогичную структуру и функциональное назначение имеют и другие платы, построенные на базе чипсетов 440LX/EX/BX/ZX/GX/ZX-66, 810Е, 810-L, 810-DC100, 820, 450GX/NX,ApolloPro+/133/133+ отVIA,Sis630,Sis5600/5595 и тд. [22].

Разъемы для связи с НЖД, НГМД

Отсеки для дисководов

Разъем для соединения с блоком питания

Рис. 5.9. Расположение материнской платы в корпусе АТХ

Рассмотрим в качестве примера более подробно плату Intel JN440BX, изготовленную с чипсетом Intel 440BX. Системная плата Intel JN440BX, поддерживающая процессоры Pentium III и Pentium II с тактовой частотой процессорной шины 100 МГц, выполнена на базе набора Intel 82440BX. Наличие в нем встроенного сетевого адаптера, способного работать со скоростью 100 Мб/с, встроенных графической и аудиоподсистем, режима удаленного включения Wake-on-LAN, поддержка до 384 Мб основной памяти в низкопрофильном форм-факторе NLX явилось основой для создания настольных ПК. Системная плата JN440BX содержит высококачественный встроенный аудиопроцессор Crystal 4235 на шине ISA и встроенный графический акселератор ATI Rage Pro Turbo на шине AGP, способный эффективно воспроизводить двумерную и трехмерную графику. Она полностью удовлетворяет спецификации интерфейса DMI, обеспечивающей повышенный уровень сохранности данных. Поддержка шины USB обеспечивает совместимость с новейшими высокопроизводительными и специализированными периферийными устройствами.

Характеристики системной платы JN440BX:

- форм-фактор соответствует стандарту NLX версии 1.2;

- три 168-контактных разъема для установки модулей памяти DIMM;

- поддерживает до 384 Мб синхронной оперативной памяти SDRAM с рабочими частотами 66 и 100 МГц и модули памяти с ECC;

- контроллер PCI/AGP типа Intel 82440BX;

- интегрированный контроллер PCI на базе PIIX4E, поддерживающий режим мастера шины;

- двухканальный интерфейс EIDE, один интерфейс НГМД;

- таймер реального времени;

- автоматическое определение тактовой частоты шины процессора;

- контроллер ввода-вывода SMC FDC37C777;

- поддержка стандартных функций ввода-вывода: 1 параллельный порт, 2 последовательных порта, контроллер клавиатуры и мыши;

- 1 интерфейс последовательной универсальной шины USB на системной плате, поддержка второго интерфейса на переходной плате;

- аудиопроцессор Crystal Audio 4235;

- режим полного дуплекса, обеспечивающий одновременную запись и воспроизведение звука под Windows;

- поддержка функций включения, выключения и настройки систем при помощи BIOS;

- совместима со спецификациями PC'97;

- схема для поддержки внешнего громкоговорителя;

- поддержка дополнительного разъема Audio NLX;

- встроенный 64-разрядный графический акселератор ATI RAGE PRO TURBO на шине AGP, поддерживающий трехмерную графику;

- видеопамять объемом 4 Мб типа SGRAM с рабочей частотой 100 МГц;

- воспроизведение двухмерной графики в режимах 8/16/24/32 бит/пиксель и трехмерной графики в режимах сжатия текстур;

- разъем AGP поддерживает полностью конвейеризованные режимы и адресацию на частотах 66 и 133 МГц;

- адаптер локальной сети для скоростей 10 и 100 Мб/с;

- контроллер удаленного включения;

- поддержка стандарта PnP;

- расширенное управление энергопотреблением APM;

- конфигурирование и управление энергопотреблением ACPI.

Материнские платы с чипсетом Intel440BX обычно имеют памятьSDRAM, гнездаSlot1 иAGP-порт. Slot1 – разъём с 242 контактами, предназначен для установки процессора, размещённого вS.E.C.C. картридже. Внутри картриджа размещены кристалл процессора и чипы кэш-2 SRAM (до 512 Kб). На материнской плате могут быть установлены 1 или 2 разъёма Slot1. Стандартная частота внешней шины равна 66,6 МГц и выше. Кэш-2 может работать на частоте, составляющей 1, 1/2 или 1/3 частоты процессора.

С применением новых чипсетов происходит постоянная интеграция отдельных узлов и интерфейсов в их структуру. Так, внешний кэш-2 теперь чаще размещается внутри МП, а менее скоростные узлы интегрируются в одну из СБИС чипсета. Поэтому содержание материнской платы и ее конструкция полностью определяется МП, чипсетом, типом ОЗУ и разъёмами, которые обеспечивают подключение периферийных устройств компьютера и дополнительных плат расширения.

4.2. Структура компьютера с процессором Pentium III

Структура компьютера существенно зависит от набора ИС (чипсета) и типа МП. Чипсет распаивается в соответствующих местах материнской платы и состоит из двух или трех СБИС. Количество наборов интегральных схем СБИС для Pentium II/IIIмногочисленно [22]:Intel440LX/EX/BX/ZX/GX/ZX-66, 810, 810Е, 810-L, 810-DC100, 815, 820, 450GX/NX,ApolloPro+/133/133+ отVIA,Sis630, 640,Sis5600/5595 и т.д. Характеристики наиболее широко применяемых чипсетов приведены в табл. 5.2.

Вслед за чипсетом Intel 440LX, с которым был впервые применен ускоренный графический порт AGP и поддерживалась память SDRAM, Intel производит набор логики Intel 440BX. Выпуск данного набора микросхем – это этап развития Slot1-систем, включающий наращивание частоты системной шины, которая уже на протяжении нескольких лет задержалась на отметке 66 МГц. Чипсет Intel 440BX был предназначен для материнских плат с процессором Pentium II. Он поддерживает внешнюю частоту системной шины 100 МГц. На этой частоте работает, в частности, системная память. Собственно, в поддержке 100-мегагерцовой шины и заключается основное отличие чипсетов 440LX и 440BX. Характеристика Intel 82440BX AGPset (492-контактный контроллер памяти 82443BX (North) и IDE-контроллер 82371EB (South) – мост PIIX4):

- поддержка всех Slot1 процессоров Pentium III, Pentium II или Celeron;

- возможность поддержки режима SMP с двумя Pentium;

- поддерживается до 512 Мб SDRAM или 1024 Мб EDO DRAM;

- поддержка ECC, USB и частоты системной шины 66 и 100 МГц;

- временная диаграмма для EDO DRAM 5-2-2-2 и для SDRAM 5-1-1-1 (при внешней частоте 66 МГц); 64-битная ШД памяти;

- поддержка Ultra DMA и работа в режимах PIO-5/DMA-33;

- поддерживается синхронный интерфейс 33 МГц на шине PCI 2.1;

- соответствие PC97, AGP 1х/2x (66/133 МГц).

Чипсет Intel 440BX поддерживает кроме делителя 2 для PCI еще и делитель 3, который применяется на внешних частотах 100 МГц и выше, а также все процессоры Deschutes. Однако системную шину 100 МГц у чипсета i440BX используют только процессоры Pentium II 350, 400 МГц и выше.

Набор базовой логики постоянно обновляется в темпе производства новых процессоров и уже, например, в 2000 г. самый распространенный чипсет 440 ВХ AGPset, который выпущен для изготовления 100 млн ЭВМ, вытеснен новыми наборами ИС серий 810, 820, хотя на многих тестах он превосходит их по стабильности и производительности.

Таблица 5.2.

Характеристики чипсетов для Pentium III
Чипсет	МП	Частота системной шины (МГц)			Интерфейс НЖМД (Мб/с)			AGP (МГц)	ОЗУ
		66	100	133	33	66	100	66	SDRAM	VC SDRAM	RDRAM
440BX	Pentium III	*	*	-	**	-	-	-	*	-	-
810	Pentium II	*	*	-	**	**	-	B	*	-	-
820	Pentium III	*	*	*	**	**	**	2;4x	*	*	*
830	Pentium III / Pentium M	*	*	*	**	**	**	2;4x	П	-	-
840	Pentium III	*	*	*	**	**	**	2;4x	П	-	*
VIA Apollo Pro 133 4x	Pentium III	*	*	*	**	**	**	2;4x	П	-	-
		«*» – да; «-» – нет; П – поддерживает SDRAM 133 МГц; В – встроен в чипсет; «**» – поддерживает Ultra DMA 33/66/100

Intel 810 – первый чипсет интегральных схем нового поколения. В отличие от бриджевой структуры 440 ВХ и VIA Apollo, которые строятся на двух интегральных схемах North и South, соединенных РСI – шиной, этот набор имеет высокоскоростную универсальную специальную шину, к которой подключаются интегральные схемы базового набора GMCH, ICH и FWH. Чипсеты Intel 810 и 810Е идентичны и работают с процессорами Intel Celeron, Pentium II, Pentium III с частотой синхронизации шины 66/100МГц. Они изготавливаются в виде трех ИС (хабов) GMCH, ICH и FWH. Отличие чипсета Intel 810Е от 810 заключается в том, что он может работать с частотой синхронизации шины 133 МГц, но при этом обмен с ОЗУ происходит на частоте 100 МГц. В наборе микросхем Intel 810E реализован уникальный механизм арбитража с зацеплением, обеспечивающий "гладкую" работу с любой процессорной шиной: 66, 100 и 133 МГц. Набор микросхем Intel 810E, протестированный и оптимизированный для работы с процессорами Celeron и Pentium III, и универсальная системная плата на его базе представляют собой единое решение структуры компьютера. Схема компьютера с Pentium III и чипсетом Intel 810 показана на рис. 5.10.

Ядром набора микросхем 810 является контроллер ОЗУ и AGP– GMCH.

Контроллер графической памяти 82810 GMCH (GMCHO без буферного видео ОЗУ 4Мб для дисплея и Ultra DMA 66) использует разработанную Intel графическую технологию динамической видеопамяти D.V.M.T. и программные драйверы. При этом для создания реалистичных двух- и трехмерных эффектов и изображений используется технология Direct AGP (интегрированный AGP). Контроллер AGP и ОЗУ GMCH поддерживает шину 66/100 МГц, осуществляет вывод информации на телеэкран и ЖК – панель с цифровым интерфейсом и порт цифрового видеовыхода. Для повышения качества программного воспроизведения DVD контроллер 82810 использует аппаратную компенсацию перемещений изображения, а базовая операционная система использует программные драйверы и интеллектуальный диспетчер памяти для поддержки ресурсоемких графических приложений порта.

Контроллер ввода/вывода 82801 ICH (ICHO до 4 слотовPCI) использует архитектуру ускоренного концентратора АНА, разработанную Intel для прямого обмена графической подсистемы и системной памяти с интегрированными контроллерами AC97 и IDE, сдвоенными портами USB и дополнительными платами на шине PCI. Архитектура ускоренного концентратора увеличивает производительность операций ввода/вывода, что позволяет повысить эффективность параллельной работы приложений мультимедиа со скоростью передачи 266 Мб/с, что в 2 раза производительнее шины PCI.

Интегрированный аудиоконтроллер AC97 обеспечивает универсальность и повышает качество воспроизведения звука при работе как программ, воспроизводящих звук, так и программ, реализующих функции модема, за счет использования ресурсов центрального процессора. Он поддерживает звуковые карты с AMR интерфейсом. ICH поддерживает интерфейсы PCI 2.2, IDE и Ultra DMA 33 и 66, а также USB и SMB контроллеры. Шина системного управления позволяет осуществлять дистанционный сетевой мониторинг платформ на базе набора микросхем 810E. Поддерживаемые спецификацией ACPI функции управления позволяют переводить ЭВМ в режим пониженного энергопотребления.

ИС FWH-хаб интегрированного программного обеспечения содержит BIOS, генератор случайных чисел RNG и выполняет функции обеспечения безопасности на программном и аппаратном уровне. Микросхема 82802 хранения микропрограмм FWH, имея системную и видео BIOS, уменьшает на материнской плате количество микросхем энергонезависимой памяти. Она также содержит высокоэффективный аппаратный генератор случайных чисел RNG. Он позволяет усилить средства Internet стойкой криптографией, цифровыми подписями и безопасными протоколами передачи данных.

В 1999 г. тактовая частота процессоров Pentium возросла с 400 до 600 МГц, а быстродействие компьютеров возросло незначительно. Узким местом в обеспечении производительности ЭВМ по-прежнему оставалась скорость работы ОЗУ и пропускная способность системной шины.

Рис. 5.10. Структура компьютера с Pentium III

Для поддержки Pentium IIIВ с внешней частотой 133 МГц и использования самой быстрой памяти RDRAM Intel с ноября 1999 г. выпускает чипсет Intel 820 по хабовой архитектуре на трех ИС MCH (Intel 82820), ICH (Intel 82801АА) и FWH (Intel 82802), выполняющих те же функции, что ИС чипсета Intel 810. Для подключения SDRAM к чипсету в дополнении к базовому набору используется четвертая ИС транслятор 82805АА. Чипсет Intel 820 использован в материнской плате Intel CC820, оснащенной памятью RDRAM, гнездом Slot1 и AGP портом 4х. Она не предусматривает подключения МП Celeron и SDRAM менее 64 Мб. Использование в ЭВМ с Pentium III самой быстрой памяти RDRAM с чипсетом Intel 820 и частоты системной шины FSB 133 МГц, как показали испытания [22], дают повышение производительности даже по сравнению с i 440 BX и SDRAM, но не очень существенно. Чипсет i820 содержит:

1.Контроллер-концентратор памяти 82820 (MCH), который отвечает за функционирование интерфейсов центрального процессора, памяти DRAM и шины AGP. Контроллер MCH (82820) поддерживает работу одного процессора или двух процессоров (82820DP) и системной памяти объемом до 1Гб.

2.Контроллер-концентратор I/O 82801 (ICH), построенный на основе архитектуры ускоренного обмена AHA, предусматривающей прямое подключение графической подсистемы и системной памяти к встроенному контроллеру AC’97, контроллеру ATA66, двум портам USB и дополнительным картам PCI.

3.Концентратор встроенного кода 82802 (FWH) содержит системную BIOS и BIOS графического контроллера, а также генератор случайных чисел RNG.

Улучшенная хаб-архитектура AHA Intel обеспечивает полосу пропускания 266 Мб/с – в два раза выше, чем шина PCI. Это дает возможность увеличить поток информации от контроллера ввода/вывода к контролеру памяти.

Чипсет i820 использует высокопроизводительную технологию системной памяти RDRAM. Два слота RIMM поддерживают до 512 Мб системной памяти. RDRAM обеспечивает пропускную способность системной памяти, оптимизирующую производительность процессора Pentium III и высокопроизводительного графического контроллера AGP. Протокол RDRAM поддерживает стандарты PC600, PC700 и PC800 RDRAM, что теоретически соответствует полосе пропускания 1.6 Гб/с для PC800 – в два раза больше, чем пиковая пропускная способность системы с 100МГц памятью SDRAM. Порт AGP обеспечивает скорость обмена данными с графическим контроллером свыше 1 Гб/с – в 2 раза производительнее, чем предыдущие платформы AGP.

Однако более эффективным и дешевым способом обеспечения производительности для Pentium III явилось использование виртуальных каналов обмена с ОЗУ VC SDRAM и частоты системной шины FSB 133 МГц и чипсета VIA Apollo Pro 133.

Чипсет VIA Apollo Pro 133 имеет «бриджевую» архитектуру, обрабатывает информацию на частотах 66/100/133 МГц и включает 2 ИС VT 82C693A и VT 82C686A. Изготовлен для МП Pentium Pro/II/III с частотой FSB шины 66/100/133 МГц (Celeron 66/100 МГц), с ОЗУ до 8 банков и до 1 Гб, VCM или PC 133 SDRAM, 2 порта USB и 5 PCI-устройств.

Чипсет i830 предназначен для мобильных компьютеров (ноутбуков) с процессором MobilePentium III (500 МГц, L2-256 Кб, 28 млн транзисторов, 0,18 мкм) или MobilePentium III Processor-М (изготовлен в 2001 г., 1200 МГц, L2-512 Кб, 44 млн транзисторов, 0,13 мкм) с низким энергопотреблением со скоростью передачи данных между микросхемами 266 Мб/с. Он поддерживает 1 Гб ОЗУ РС 133 SDRAM и системную шину 133 МГц. Имеет 3 порта вывода цифрового видеосигнала, 6 портов USB.

Чипсет i840 разработан специально для производительных многопроцессорных систем, в который входят 3 основных компонента:

- контроллер-концентратор памяти 82840 (MCH), который поддерживает графическую шину AGP 2х/4х со скоростью обмена данными до 1 Гб/с, два канала памяти RDRAM или SDRAM, работающие в связке, обеспечивают скорость обмена до 3.2 Гб/с;

- контроллер-концентратор I/O 82801 (ICH) построен на основе улучшенной хаб-архитектуры AHA, предусматривающей прямое подключение к MCH. ICH поддерживает 32-разрядную шину PCI, контроллеры IDE и 2 порта USB;

- концентратор встроенного кода 82802 (FWH) содержит системную и графическую BIOS, а также генератор случайных чисел RNG. RNG обеспечивает приложения действительно случайными числами, позволяющими усилить надежность шифрования, цифровых подписей и протоколов защиты данных.

К основным СБИС чипсета могут быть подключены:

- 64-разрядный контроллер-концентратор PCI 82806 (PCI, P64H) – поддерживает 64-разрядную шину PCI с частотой 33 или 66 МГц. P64H подсоединяется непосредственно к MCH в соответствии с улучшенной хаб-архитектурой Intel и обеспечивает выделенный высокоскоростной канал I/O.

- концентраторы-повторители памяти RDRAM 82803 (MRH-R) и SDRAM 82804 (MRH-S). MRH-R преобразует каждый канал памяти в два, эффективно увеличивая максимальный объем поддерживаемой памяти до 8 Гб.

Уникальная кэш-память с предварительной выборкой, встроенная в чипсет i840, оптимизирует потоки данных и позволяет элементам системы работать в максимальной степени параллельно.