Материнская плата

Основным узлом, определяющим состав и возможности компьюте­ра, является системная, или материнская плата (motherboard). На ней обычно размещаются:

процессор;

оперативная память;

ПЗУ с базовой системой ввода/вывода (BIOS);

набор управляющих микросхем (chipset);

CMOS (память для хранения данных об аппаратных настройках) и аккумулятор для ее питания;

разъемы или слоты (slot) расширения;

разъемы для подключения интерфейсных кабелей дисковых нако­пителей, последовательного и параллельного портов, инфракрасного

порта (IrDa), универсальной последовательной шины (USB), мыши, клавиатуры;

разъемы питания.

Набор микросхем системной логики

Набор микросхем (чипсет) предназначен для организации взаимодей­ствия всех подсистем персонального компьютера (рис. 9). Современные чипсеты, обладающие высокой степенью интеграции, чаще всего состоят из двух микросхем (так называемого северного и южного моста), в которых реализованы все необходимые контроллеры (управляющие микросхемы).

Рис. 9. Набор микросхем системной логики ПК

Северный мост обеспечивает работу с наиболее скоростными под­системами компьютера. Он содержит контроллеры системной шины, памяти, графической шины AGP, а также шины связи с южным мостом (PCI-шины в традиционном понимании).

Южный мост предназначен для работы с более медленными компо­нентами системы и периферийными устройствами и включает в себя:

двухканальный ID Е-контроллер, обеспечивающий взаимодействие с накопителями (в частности, с жесткими дисками и оптическими дис­ководами);

USB-контроллер для связи с устройствами, подключаемыми к уни­версальной последовательной шине;

контроллер ввода-вывода, поддерживающий работу внешних портов: последовательного (СОМ), параллельного (LPT), инфракрасного, а также контроллера флоппи-дисковод а.

В большинстве современных чипсетов в состав южного моста входит также аудиоконтроллер АС 97 (Audio Codec).

Системные и локальные шины

Все устройства компьютера связаны друг с другом системой прово-дников_> по которым происходит обмен информацией — системной шиной (bus). Сигналы, передаваемые по ней, различаются по функционально­му назначению; поэтому в ее составе выделяют группы проводников, образующие адресную шину, шину данных, шину управления и шину питания.

Максимальный адрес ячейкипамяти, к которому может обратиться процессор, зависит от разрядности адресной шины. По одному про­воднику можно передать только два возможных адреса - 0 или 1, а следовательно, можно обратиться только к двум ячейкам памяти. Если адресная шина двухразрядная, по ней можно передать уже четыре возможных адреса (00, 01, 10, 11). В общем случае количество ячеек, к которым возможно обращение, определяется как 2", где п - разрядность адресной шины. Так, по 16-разрядной шине возможна адресация 65536 ячеек памяти, по 20-разрядной - 1048576 ячеек и т.д. Фактически раз­рядность адресной шины определяет максимально допустимый объем оперативной памяти, с которой могут эффективно работать программы, исполняемые на компьютере.

Разрядность шины данных связана с представлением чисел в памяти ЭВМ. Так, на IBM-совместимых компьютерах для записи числа требуется два байта или 16 бит; для их одновременной передачи нужна 16-битная (16-разрядная) шина. При 8-разрядной шине число передается в два при­ема (за два такта шины). Современные модели системных плат имеют 64-разрядную шину данных.

По шине управления происходит передача служебных сигналов, ко­манд управления и адресов устройств.

Для повышения производительности ПК, наряду с системной шиной, используются локальные шины, связывающие между собой процессор и внешние устройства. Последние подключают к системной или локаль­ной шине через слоты (разъемы) расширения., имеющие специфический внешний вид для каждой из них.

Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) была предна­значена для одновременной передачи 8 битинформации и 20 разрядов адреса. Объем адресуемой памяти, таким образом, составлял 1 Мбайт. Для подключения плат расширения использовались специальные 62-контактные разъемы. Теоретически скорость передачи данных была ограничена 4,5 Мбайт/с, а реальная пропускная способность шины до­стигала 1,2 Мбайт/с.

Системная шина EISA (Extended Industry Standard Architecture) по­явилась в сентябре 1988 г. как 32-разрядное расширение шины ISA с полной обратной совместимостью. В ней впервые была реализована автонастройка плат расширения (Plug-n-play). EISA обеспечивала 32-разрядную адресацию памяти и передачу данных, в том числе в режиме DMA (Direct Memory Access - прямой доступ к оперативной памяти без загрузки центрального процессора). Теоретическая скорость передачи по

шине EISA достигала 33 Мбайт/с. EISA работала с тактовой частотой 8-10 МГц, так что высокая скорость передачи данных обеспечивалась в основ­ном благодаря увеличению разрядности шины. EISA-разъемы имели два ряда контактов, один из которых (верхний) использовал сигналы шины ISA, а второй (нижний) - EISA. В EISA-разъем можно было установить и ISA-карту, так как ее контакты не доходили до контактов EISA.

Появление локальной шины VLB было первым шагом к формированию архитектуры ПК с несколькими шинами, имеющими разную пропускную способность. Локальная шина не заменяла собой ISA или EISA, а допол­няла их за счет нескольких (не более трех) разъемов локальной шины. Первоначально эти шины использовались для взаимодействия процессора с видеоадаптером, которому уже тогда не хватало скорости работы ISA (отсюда и термин — локальная шина). Шина VLB представляла собой двунаправленную 32-разрядную шину данных с теоретической пропуск­ной способностью 160 Мбайт/с при частоте 50 МГц или 107 Мбайт/с при частоте 33 МГц; она позволяла таким периферийным устройствам, как видеоадаптеры и контроллеры накопителей, работать с тактовой частотой до 66 МГц.

Спецификация локальной шины PCI была представлена компанией Intel в июне 1992 г.; она позиционировалась как процессорно-независимая шина. Передачей данных по ней управлял не центральный процессор, а включенная между ним и PCI-шиной специальная микросхема (мост). Это позволило достичь заметного роста производительности компьютера, так как процессор мог продолжать работу даже тогда, когда данныепишутся в ОЗУ или считываются из него (то же самое происходит и при обмене данными между двумя PCI-устройствами).

Шина PCI является синхронной 32- или 64-разрядной шиной, рабо­тающей на частоте 33 или 66 МГц; она поддерживает автоматическое определение и конфигурирование плат расширения (режим Plug-n-play). Максимально возможная скорость передачи данных составляет от 132 Мбайт/с (для 32-бит/ЗЗ МГц) до 528 Мбайт/с (для 64-бит/66 МГц реализации шины).

Разработчики графических адаптеров уже к середине 90-х годов столкнулись с проблемой недостаточного быстродействия шины PCI для ряда задач, возникающих при обработке трехмерной графики. В связи с этим была разработана локальная шипа для обмена с видеоадаптером -AGP (Accelerated Graphic Port). Вначале были предусмотрены два ре­жима передачи данных - 1х (66 МГц, 266 Мбайт/с) и 2х (133 МГц, 532 Мбайт/с, за счет передачи данных по фронту и срезу тактовых импуль­сов). В мае 1998 г. корпорация Intel разработала новый стандарт - AGP 2.0 с увеличенной скоростью передачи данных (4х, 8х); так, в режиме 4х она достигала 1064 Мбайт/с. Для подключения устройств к AGP-шине используется специальный разъем.

В мобильных компьютерах для подключения плат расширения памяти и периферийных устройств (модемов, сетевых карт, сменных жестких дисков и т.д.) используются 68-контактные разъемы стандарта PC-card, ранее называвшиеся PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). Они предназначены для подсоединения малогабаритных версий указанных устройств размером 54x85,6 мм толщиной 3-3,5 или 10,5 мм (рис. 10).

Рис. 10. Внешний вид PC card

Шипа USB, появившаяся в 1996 г., предназначена для под­ключения соединенных в цепоч­ку средне- и низкоскоростных периферийных устройств (те­оретически - до 127 к одному контроллеру); при этом поддер­живается их автоопределение, а также так называемое «горячее» подключение (подключение к ра­ботающему компьютеру без его перезагрузки). Скорость пере­дачи данных no USB версии 1.0 составляет 12 Мбайт/с, версии 2.0 - 480 Мбайт/с. Длина кабеля USB может достигать 5 м.

Интерфейсы передачи данных

В случае когда обмен информацией ведется между материнской платой и периферийным устройством, соединяющая их линия передачи данных называется интерфейсом передачи данных, или просто интерфейсом. В современных ПК используются такие интерфейсы, как IDE, SCSI, Fire Wire (IEEE 1394) и др.

Интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics) используется для под­ключения накопителей жестких дисков, приводов CD и DVD, накопите­лей LS-120 и ZIP, магнитооптики, стримеров и т. п. В качестве синонима интерфейса IDE применяется также термин ATA (AT Attachment).

В IDE впервые был введен стандарт для обмена данными между контроллером устройства и системной шиной за счет использования специальных схем, предназначенных для управления как диском, так и самой шиной (отсюда и название интерфейса).

В соответствии со спецификацией к одному разъему IDE можно под­ключить два устройства. Режим работы (master или slave) задается на каждом из них специальным переключателем; так реализуется адресация устройств на шине. Физически интерфейс IDE представляет собой пло­ский 40- или 80-жильный кабель с разъемами для подключения одного или двух устройств. Общая длина кабеля не должна превышать 45 см, а расстояние между разъемами должно быть не менее 15 см.

Интерфейс поддерживает несколько способов обмена. Первоначаль­но основным из них был РЮ (Programmed Input/Output), при котором обмен данными производится через регистрыпроцессора и под его не­посредственным управлением. Естественно, загрузка процессора при этом очень высока, а максимальная скорость передачи данных составляет

16,7 Мбайт/с. Альтернативой является использование режима прямого доступа к памяти (DMA), при котором контроллер интерфейса IDE и контроллер прямого доступа к памяти на материнской плате пересылают данныемежду диском и оперативной памятью, не загружая центральный процессор. В качестве дальнейшего развития этого режима была пред­ложена спецификация UltraDMA/66 с пиковой производительностью 66 Мбайт/с. В настоящее время полную поддержку производителей получили режимы АТА/100 и АТА/133 с производительностью соот­ветственно до 100 и 133 Мбайт/с. При этом стандарт АТА100 допускает использование жестких дисков с максимальным объемом до 137 Гбайт (это обусловлено 28-битной адресацией секторов). Однако современные диски уже перешли этот предел - их емкость может составлять 200 Гбайт и более, и для них использование стандарта АТА 100 просто невозможно. В стандарте АТА/133 реализована 48-битная адресация сектора, что тео­ретически позволяет увеличивать емкость диска до 144 Пбайт.

Интерфейс SCSI получил широкое распространение после появления в середине 80-х годов компьютеров Macintosh фирмы Apple (они не явля­ются IBM-совместимыми). Разрядность шины SCSI-1 составляла всего 8 бит, тактовая частота - 5 МГц, максимальная скорость передачи данных не превышала 5 Мбайт/с. Контроллер SCSI-1 позволял подключать до 7 устройств, соединенных последовательно в одну цепочку. Дальнейшим развитием этого интерфейса стал стандарт Fast SCSI (SCSI-2). Тактовая частота была повышена до 10 МГц, что позволило поднять скорость передачи до 10 Мбайт/с. В 1993 г. начались работы по созданию более быстрого варианта интерфейса SCSI, который мог бы работать на такто­вой частоте 20 МГц. Новая модификация интерфейса получила название Ultra SCSI (SCSI-3). В ее спецификацию был добавлен ряд команд для поддержки накопителей CD и графических устройств. Скорость пере­дачи достигла 20 МбаЙт/с, длина кабеля могла составлять 3 м в случае подключения 1-2 устройств и 1,5 м для 3-7 устройств.

Современные модификации данного интерфейса позволили поднять скорость передачи до 160 Мбайт/с.

Интерфейс SAT А. Спецификация Serial АТА II в окончательной версии была принята в октябре 2002 г. Пропускная способность этого интерфейса составляет 300 Мбайт/с; в ближайшее время планируется ее удвоение. Стандарт предусматривает последовательную передачу данных, потому в кабелях для такой передачи используются всего две пары проводов; одна из них работает на передачу, другая - на прием. Всего же в интерфейсе S АТА допускается использование 7 проводников, 3 из которых-«земля». Максимальная длина кабеля составляет 1 м.

Интерфейс RS-232 (новое название - EIA-232D) все еще применяется для подключения низкоскоростных устройств (таких как мышь, модеми др.); постепенно он вытесняется интерфейсом USB. На компьютере может использоваться до 4 последовательных портов.

Интерфейс параллельного порта (LPT), также устаревший, чаще всего используется для подключения принтера. Персональный компьютер может работать максимум с тремя такими портами. Подсоединение кабеля к адаптеру параллельного интерфейса производится через 25-контактный разъем, а со стороны принтера используется специальный 36-контактный разъем типа Centronics. Длина подключаемого кабеля обычно не превы­шает 3 м. Известно несколько модификаций параллельных скоростных интерфейсов, например EPP (Enhanced Parallel Port) и ЕСР (Extended Capa­bilities Port). Они обеспечивают скорость до 2-5 Мбайт/с и поддерживают двустороннюю передачу данных. В настоящее время обе модификации объединены в одном стандарте ШЕЕ 1284.

Интерфейс игрового порта (gameport), как правило, расположен либо на звуковой плате, либо на многофункциональной плате ввода/вывода и позволяет подключать к компьютеру различные аналоговые устройства (например джойстик). Он же может служить для подключения музы­кальных инструментов с интерфейсом MIDI (Musical Instruments Device Interface).

Для евязи мобильных компьютеров с настольными, а также для подключения различных устройств довольно широко используется бес­проводный интерфейс, работающий в инфракрасном диапазоне ~-IrDa. Подобная связь имеет ряд преимуществ: низкую цену, невысокое энерго­потребление и отсутствие вредных высокочастотных излучений. Первый стандарт IrDa (Infrared Data Association) появился в июне 1994 г.; скорость передачи данных может составлять 1,152 или 4,0 Мбит/с.

В 1998 г. была начата разработка альтернативной технологии Blue­tooth, использующей для передачи данных высокочастотный радиоканал (2,4 -2,48 ГГц). Скорость передачи данных (в зависимости от использу­емого режима) составляет 420 или 720 Кбит/с, связь обеспечивается на расстоянии до 100 м.