МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
Національний університет "Львівська політехніка"
Науково-навчальний інститут екології, природоохоронної діяльності та туризму імені В’ячеслава Чорновола
Кафедра загадьної екології та екоінформаційних систем
Інструкція до лабораторної роботи
№ 2 “Системні плати”
з дисципліни
“Архітектура комп’ютерів”
Для студентів напрямів підготовки 6.0915 „Комп’ютерна інженерія”
6.0804 „Комп’ютерні науки”
Львів – 2011
Мета роботи.
Навчитись визначати типорозмір системної плати за її зовнішнім виглядом.
Дослідити розміщення компонентів на системній платі
2. Обладнання робочого місця.
Системна плата певного типорозміру (формфактору)
Конспект лекцій
Олівець
Лінійка
Короткі теоретичні відомості.
3.1. Типорозміри системних плат
Найважливішим вузлом комп'ютера є системна плата (system board), яку ще називають материнською (motherboard), основною або головною платою (main board).
Існує декілька найпоширеніших типорозмірів, що враховуються при розробці системної плати. Типорозміри (formfactor) є фізичними параметрами плати і визначає тип корпусу, в якому вона може бути встановлена. Формфактори системної плати можуть бути стандартними (тобто взаємозамінними) або нестандартними. Нестандартні формфактори, на жаль, є перешкодою для модернізації комп'ютера, тому від їх використовування краще відмовитися. Найвідоміші формфактори системної плат перераховані нижче.
Застарілі:
Baby-AT;
повнорозмірна плата AT;
LPX. Сучасні:
АТХ;
Micro-ATX;
Flex-ATX;
BТХ;
NLX;
WTX (в даний час не виробляються).
За останні декілька років відбувся перехід від системної плати оригінального формфактора Baby-AT, який використовувався в перших комп'ютерах IBM PC і XT, до плати формфактора ATX і NLX, використовуваної в більшості повнорозмірних настільних і вертикальних систем. Існує декілька варіантів формфактора ATX, до числа яких входять Micro-ATX (який є зменшеною версією формфактора ATX, використовуваного в системах малих розмірів) і Flex-ATX (ще більш зменшений варіант, призначений для домашніх комп'ютерів нижчого цінового рівня). Формфактор NLX призначений для корпоративних настільних систем; WTX, у свою чергу, розроблявся для робочих станцій і серверів з середнім режимом роботи, але широкого поширення не набув.
ATX-стандартні настільні комп'ютери в корпусах mini-tower і full-tower, найприйнятніша конструкція як для новачків, так і для досвідчених користувачів, серверів і молодших моделей робочих станцій, а також домашніх систем вищого рівня. Плата ATX підтримує до семи роз'ємів розширення
Mini-ATX-зменшена версія ATX, яка використовується там же, де і плата ATX.
Багато хто з так званої системної плати ATX насправді є платою Mini-ATX. Системна плата Mini-ATX підтримує до шести слотів розширення
Micro-ATX-настільні комп'ютери або вертикальні системи mini-tower середнього рівня.
Flex-ATX-недорогі або менш продуктивні настільні або вертикальні системи mini-tower, використовувані в самих різних цілях
NLX-корпоративні настільні або вертикальні системи mini-tower, відмінні простотою і зручністю обслуговування.
WTX-робочі станції середнього і вищого рівнів, сервери (в даний час не використовується)
3.2. Компоненти системної плати
У сучасну системну плату вбудовані такі компоненти, як роз’єми процесорів, роз'єми пам’яті, інші роз’єми і мікросхеми. Найсучасніша системна плата містить наступні компоненти:
гніздо для процесора;
набір мікросхем системної логіки (компоненти North/South Bridge або Hub);
мікросхема Super I/O;
базова система введення-виведення (ROM BIOS або FIMWARE);
Роз’єми модулів пам'яті SIMM/DIMM/RIMM;
роз'єми шин ISA/PCI/AGP;
роз'їм AMR (Audio Modem Riser);
роз'їм CNR (Communications and Networking Riser);
перетворювач напруги для центрального процесора;
батарея.
Деякі з системної плат також включають інтегровані аудіо- і відеоадаптери, мережевий і SCSI-интерфейс, а також інші елементи, залежно від типу системної плат. Для прикладу на рис.1 наведено розташування компонентів на системній платі ATX.
3.3. Роз’єми процесора
Процесори можна встановлювати в роз’єми типу Socket або Slot.
Процесори, що розробляються Intel (починаючи з 486-го), користувач може встановлювати і замінювати самостійно. Були розроблені стандарти для роз’ємів типу Socket, в які можна встановити різні моделі конкретного процесора. Кожен тип роз’ємів Socket або Slot має свій номер. Будь-яка системна плата містить гніздо типу Socket або типу Slot; по номеру можна точно визначити, які типи процесорів можуть бути встановлені в дане гніздо.
Роз’єми для процесорів до 486-го не були пронумеровані; їх взаємозамінність обмежена. Спочатку процесори всіх типів встановлювалися в роз’єми (або впаювалися безпосередньо в системну плату). З появою Pentium II і перших версій процесорів Athlon, компанії Intel і AMD перейшли до іншої конструкції, розробленої внаслідок того, що в процесори була включена вбудована кеш-пам'ять другого рівня у вигляді окремих мікросхем пам'яті Static RAM (SRAM), що придбавалася у сторонніх виробників. Таким чином, процесор містив в собі вже декілька різних мікросхем, встановлених на дочірній плат, яка, у свою чергу, була підключена в роз'єм системної плат. З появою другого покоління процесорів Celeron, компанія Intel почала інтегрувати кеш-пам'ять другого рівня безпосередньо в кристал процесора, не додаючи в схему процесора яких-небудь додаткових мікросхем. Друге покоління процесорів Pentium III (кодове ім'я Coppermine), процесори K6-3, Duron (кодове ім'я Spitfire) і друге покоління процесорів Athlon (кодове ім'я Thunderbird) компанії AMD (ранні версії процесора Thunderbird Athlon мають конфігурацію Slot А) також містять вбудовану кеш-пам'ять другого рівня. Поява вбудованого кеша дозволила повернутися до однокристальної конструкції процесора, відмовившись від його установки на окремій платі. Крім того, інтеграція кеш-пам'яті дозволила підвищити робочу частоту кеша другого рівня з половини або однієї третини до повної тактової частоти процесора.
Рис 1. Розташування компонентів типової системної плати Socket A (AMD Athlon/Duron)
Набори мікросхем системної логіки
Сучасну системну плату неможливо уявити без мікросхем системної логіки. Набір мікросхем подібний системній платі. Іншими словами, дві будь-які плати з однаковим набором мікросхем функціонально ідентичні. Набір мікросхем системної логіки включає інтерфейс шини процесора (яка називається також Front-Side Bus — FSB), контролери пам'яті, контролери шини, контролери введення-виведення і т.п. Всі схеми системної плат також містяться в наборі мікросхем. Якщо порівнювати процесор комп'ютера з двигуном автомобіля, то аналогом набору мікросхем є, швидше за все, шасі. Воно є металевим каркасом, що служить для установки двигуна і виконує роль проміжної ланки між двигуном і зовнішнім світом. Набір мікросхем — це рама, підвіска, рульовий механізм, колеса і шини, коробка передач, карданний вал, диференціал і гальма. Шасі автомобіля є механізмом, що перетворює енергію двигуна в поступальну ходу транспортного засобу. Набір мікросхем, у свою чергу, є з'єднанням процесора з різними компонентами комп'ютера. Процесор не може взаємодіяти з пам'яттю, платою адаптера і різними пристроями без допомоги наборів мікросхем. Якщо скористатися медичною термінологією і порівняти процесор з головним мозком, то набір мікросхем системної логіки по праву займе місце хребта і центральної нервової системи.
3.5. Архітектура North/South Bridge
Більшість ранніх версій наборів мікросхем Intel (і практично всі набори мікросхем інших виробників) створені на основі багаторівневої архітектури і містять компоненти North Bridge і South Bridge, а також мікросхему Super I/O.
North Bridge. Цей компонент є сполученням швидкодіючої шини процесора (400/266/200/133/100/66 Мгц) з повільнішими шинами AGP (533/266/133/66 Мгц) і PCI (33 Мгц).
South Bridge. Цей компонент є мостом між шиною PCI (66/33 Мгц) і повільнішою шиною ISA (8 Мгц).
Рис.2 Набір мікросхем системної логіки Intel 815E що містить мікросхем 82815 (GMCH) і 82801BA (ICH2)
Набори мікросхем, створені за останні роки, дозволяють підтримувати різні типи процесорів, швидкості шин і схеми периферійних з'єднань
Розташування всіх мікросхем і компонентів типової системної плати AMD Socket A, що використовує архітектуру North/South Bridge, показані на Рис 1.
North Bridge інколи називають контроллером PAC (PCI/AGP Controller). По суті, він є основним компонентом системної плати і єдиною, за винятком процесора, схемою, що працює на повній частоті системної плати (шини процесора). У сучасних наборах мікросхем використовується однокристальна мікросхема North Bridge; у раніших версіях знаходилися до трьох окремих мікросхем, що складали повну схему North Bridge.
South Bridge - компонент в наборі мікросхем системної логіки з нижчою швидкодією; він завжди знаходився на окремій мікросхемі. Одна і та ж мікросхема South Bridge може використовуватися в різних наборах мікросхем системної логіки. (Різні типи схем North Bridge, як правило, розробляються з урахуванням того, щоб міг використовуватися один і той же компонент South Bridge). Завдяки модульній конструкції набору мікросхем системної логіки стало можливим знизити вартість і розширити поле діяльності для виробників системних плат. South Bridge підключається до шини PCI (33 Мгц) і містить інтерфейс шини ISA (8 Мгц). Крім того, зазвичай вона містить дві схеми, що реалізовують інтерфейс контролера жорсткого диска - IDE інтерфейс.
3.6. Мікросхема Super I/O
Третя основна мікросхема в більшості системних плат називається Super I/O. Ця мікросхема переважно реалізує функції пристроїв, які раніше розміщувалися на окремих платах розширення.
Більшість мікросхем Super I/O містять (як мінімум) наступні компоненти:
контроллер гнучких дисків;
подвійні контроллери послідовного порту;
контроллер паралельного порту.
Контроллери гнучких дисків в більшості мікросхем Super I/O обслуговують два дисководи, але деякі з них можуть обслуговувати лише один. У старіших системах часто були потрібні окремі плати для контроллера гнучких дисків.
Подвійний послідовний порт — інший пристрій, який раніше розташовувався на одній або декількох платах. У більшості кращих мікросхем Super I/O передбачена буферизація потоку даних через послідовний порт. Схема, що реалізовує буферизацію, називається UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter — універсальний асинхронний прийомо-передавач). Для кожного порту передбачається своя схема UART. В більшості випадків вона подібна до швидкодіючої автономної схеми UART NS16550A, розробленою компанією National Semiconductor. Оскільки Super I/O виконує функції два цих мікросхем, можна сказати, що, по суті, ці порти вбудовані в системну плату.
3.7. Роз'єми системної плати. Призначення і функціонування шин
У сучасних системних платах існує безліч різних роз'ємів.
Основою системної плати є різні шини, що служать для передачі сигналів компонентам системи. Шина (bus) є спільним каналом зв'язку, що використовується в комп'ютері і дозволяє з'єднати два або більше компонентів.
Існує певна ієрархія шин РС, яка виражається в тому, що кожна повільніша шина з'єднана із швидшою шиною. Сучасні комп'ютерні системи включають три, чотири або більш шини. Кожен системний пристрій з'єднаний з якою-небудь шиною, причому певні пристрої (найчастіше це набори мікросхем) виконують роль мостів між шинами.
Шина процесора. Ця високошвидкісна шина є ядром набору мікросхемі системної плати. Використовується в основному процесором для передачі данихміж кеш-пам'яттю або основною пам'яттю і компонентом North Bridge наборумікросхем. У системах на базі процесорів Pentium II ця шина працює на частоті 66, 100, 133, 200, 266, 400 або 533 Мгц і має ширину 64 розряди (8 байт).
Шина AGP. Ця 32-розрядна шина працює на частоті 66 (AGP 1х), 133 (AGP 2х),266 (AGP 4х) або 533 Мгц (AGP 8x) і призначена для підключення відеоадаптера. Вона підключається до компоненту North Bridge або Memory Controller Hub (MCH) набору мікросхем системної логіки.
Шина PCI. Ця 32-розрядна шина працює на частоті 33 Мгц; використовується починаючи з систем на базі процесорів 486. В даний час є реалізація цієї шини з частотою 66 Мгц. Знаходиться під управлінням контроллера PCI — частини компоненту North Bridge або Memory Controller Hub (MCH) набору мікросхем. На системній платі встановлюються роз'єми, зазвичай чотири або більш, в які можна підключати мережеві, SCSI- і відеоадаптери, а також інше обладнання, що підтримує цей інтерфейс. До шини PCI підключається компонент South Bridge набору мікросхем, який містить реалізації інтерфейсу IDE і USB.
Шина ISA. Це 16-розрядна шина, що працює на частоті 8 Мгц; вперше стала використовуватися в системах AT в 1984 році (була 8-розрядною і працювала на частоті 5 Мгц). Мала широке поширення, але із специфікації PC99 виключена. Реалізується за допомогою компоненту South Bridge. Найчастіше до цієї шини підключається мікросхема Super I/O.
Деякі сучасні системні плати містять спеціальний роз'єм, що отримав назву Audio Modem Riser (AMR) або Communications and Networking Riser (CNR). Подібні спеціалізовані роз'єми призначені для плат розширення, що забезпечують виконання мережевих і комунікаційних функцій. Слід відмітити, що ці роз'єми не є універсальним інтерфейсом шини, тому лише небагато з спеціалізованих плат AMR або CNR присутні на відкритому| ринку. Як правило, такі плати додаються до якої-небудь певної системної плати. Їх конструкція дозволяє легко створювати як стандартні, так і розширені системні плати, без необхідності резервувати місце на платах для установки додаткових мікросхем. Більшість системних плат, що забезпечують стандартні мережеві функції і функції роботи з модемом, створені на основі шини PCI, оскільки роз'єми AMR/CNR мають спеціалізоване призначення.
У сучасних системних платах існують також приховані шини, які ніяк не виявляються у вигляді гнізд або роз'ємів. Є шини, призначені для з'єднання компонентів наборів мікросхем, наприклад hub-інтерфейсу і шини LPC. Hub-інтерфейс є чотиритактною (4x) 8-розрядною шиною з робочою частотою 66 Мгц, яка використовується для обміну даними між компонентами MCH і ICH набору мікросхем (hub-архітектура). Пропускна спроможність hub-інтерфейсу досягає 266 Мбайт/с, що дозволяє використовувати його для з'єднання компонентів набору мікросхем в недорогих конструкціях. Для подібних цілей призначена і шина LPC, яка є 4-розрядною шиною з максимальною пропускною спроможністю 6,67 Мбайт/с і застосовується як економічніша в порівнянні з шиною ISA варіанту. Зазвичай шина LPC використовується для з'єднання Super I/O або компонентів ROM BIOS системної плати з основним набором мікросхем. Шина LPC має приблизно таку ж робочу частоту, як і шина ISA, але використовує значно менше контактів. Це дозволяє повністю відмовитися від використання шини ISA в системних платах.