Архітектура комп'ютерів

Системные платы поддерживают разные виды интерфейсных системных, локальных  и периферийных шин. От состава поддерживаемых шин, количества слотов для этих шин, имеющихся на СП, существенно зависит эффективность работы ПК в целом.

 

Лекция 8

Чипсеты системных плат

 

Микропроцессоры, устанавливаемые  на материнской плате, в определенном диапазоне моделей можно менять, а главным несменяемым функциональным компонентом СП является набор системных микросхем (чипсет).

От типа установленного на СП набора системных микросхем зависят  многие важные характеристики ПК. Обычно системные платы и именуют  по типу расположенного на ней чипсета.

Действительно, чипсеты определяют во многом тактовую частоту шин СП, обеспечивают надлежащую работу микропроцессора, системной шины, интерфейсов взаимодействия с оперативной памятью и другими  компонентами ПК. В частности, они  содержат в себе контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти, микросхемы управления памятью и шиной — все те компоненты, которые в оригинальной IBM PC были собраны на отдельных микросхемах. Обычно в одну из микросхем набора входят также часы реального времени с CMOS-памятью и иногда — контроллер клавиатуры, однако эти блоки могут присутствовать и в виде отдельных микросхем. В последних разработках в состав микросхем наборов для интегрированных плат стали включаться и контроллеры внешних устройств.

Иными словами, тип набора в основном определяет функциональные возможности платы:

□  типы поддерживаемых процессоров;

□   структуру и объем кэш-памяти;

□  возможные сочетания типов  и объемов модулей памяти;

□   поддержку режимов энергосбережения;

□   возможность программной  настройки параметров и т. п.

Современные системные наборы состоят  из двух базовых микросхем с условными  именами северный мост (North bridge) и южный мост (South bridge).

Северный мост обеспечивает управление четырьмя компонентами: шиной оперативной  памяти, интерфейсными шинами PCI, AGP (или PCI Express xl6) и системной шиной МП, поэтому его часто называют Memory Controller Hub (MCH). Южный мост имеет в своем составе контроллеры (адаптеры) дисководов, клавиатуры, мыши; управляет интерфейсными шинами IDE/ATA, SCSI, USB, SATA, SAS, IEEE 1284, PCI Express xl; его часто называют I/O Controller Hub (ICH), а иногда и функциональным контроллером.

Наиболее известные наборы микросхем  для СП выпускает фирма Intel. Сейчас еще используются ее старые чипсеты 440ВХ, 440GX, 440ZX, 810, 815, 820, 840, но наиболее популярны новые наборы, разработанные для МП Pentium 4. Распространены также весьма удачные микросхемы фирмы VIA Technologies — VIA Apollo, фирм Acer Laboratories, Silicon Integrated System (SIS) и т.д.

В начале 2003 года для МП Pentium 4 выпускались следующие чипсеты: i850 (850Е), i845 (845D, 845Е, 845РЕ, 845GE, 845GV), i875 (875P, 865), SIS 645, VIA 266, а в конце года к ним добавились чипсеты i915 и i925 новой, 900-й серии.

Типы чипсетов и их модификации различаются типами поддерживаемых микропроцессоров и памяти DRAM (SDRAM, DRDRAM, DDR SDRAM), частотой процессорной шины (133, 266, 400, 533, 800 МГц), вариантами схем мостов, версиями поддерживаемых протоколов UDMA, AGP, Ethernet, USB, наличием встроенного видеоадаптера и др.

Например, чипсетов i845 для работы с памятью DDR выпущено несколько модификаций:

□   i845 поддерживает только память SDRAM — PC 133;

□   i845D поддерживает DDR133 - РС2100;

□   i845E имеет шину 533 МГц и поддерживает DDR;

□   i845PE поддерживает DDR - РС2700;

□   i845GV поддерживает DDR и встроенную графику, имеет шину AGP;

□   i845GE поддерживает DDR и встроенную графику;

□  чипсет i875D поддерживает память DDR, i865 — упрощенный вариант i875.

Чипсет i850E поддерживает RDRAM PC1066 и частоту шины 533 МГц, обеспечивая самую производительную (4200 Мбайт/с) на начало 2003 года платформу на основе МП Pentium 4.

Многие новые версии чипсетов поддерживают: прямой 2-канальный  доступ к памяти, 6 портов USB 2.0 и технологию Hyper Threading.

Сравнительные характеристики некоторых популярных чипсетов представлены в табл. 9.1.

В 2003 году фирма Intel разработала новую линейку системных чипсетов серии 900. Первые модели этой линии — чипсеты i915 (Grantsdale) и i925 (Alderwood) поддерживают частоту шины СП 800 МГц, перспективные типы оперативной памяти (DDR2), технологии Hyper Treading и Intel Net Burst, а также единый интерфейс PCI express xl6 с пропускной способностью 8 Гбайт/с, поэтому отсутствует даже AGP. Чипсет i925 express поддерживает новую технологию компьютерной графики Intel Graphics Media Accelerator 900 (IGMA 900), реализующую аппаратное ускорение работы прикладных программных интерфейсов Direct 9 и Open GL 1.4. Это обеспечивает лучшее качество графики и, в частности, более плавное воспроизведение 3D-video.

 В 2004-2005 годах на смену семействам 1925/1915  пришли совершенно другие наборы логики, известные на данный момент под кодовыми именами Glenwood и Lakeport, поддерживающие частоту системной шины 1066 МГц.

Таблица 9.1 Сравнительные характеристики чипсетов

Чипсет	Частота шины, МГц	Поддержка SDRAM	Максимальный объем  оперативной памяти, Мбайт	Пиковый обмен с памятью, Мбайт/с
Intel 440BX	66, 100, 133	РС66, РС100, PC133	1024	800-1064
Intel 815	66, 100, 133	PC100, PC133	512	1064
Intel 820	100, 133	RDRAM	1024	1600
Intel 850	400	RDRAM 300 и 400 МГц	2048	3200
Intel 845D	266	PC266, DDR SDRAM	2048	2100
Intel 865	800, 533, 266	DDR SDRAM 400/333/266	4096	4000
Intel 875	800, 533	PC266, DDR SDRAM 400/333/266	4096	4000
Intel 915	800, 533	DDR SDRAM, DDR2 533/400	4096	8000
Intel 925	800	DDR2 SDRAM, 533/400	4096	8000
VIA133A	66, 100, 133	PC66, PC100, PC133	1024	1064
VIA 266A	266	PC266, DDR SDRAM	4096	2100

Системная плата имеет  разъемы (слоты) для установки определенных модулей оперативной памяти. Для модулей ОЗУ используются 30-, 72- и 168-контактные разъемы, они сгруппированы в 2-4 слотах. Слоты с 30 и 72 контактами рассчитаны на модули памяти типа SIMM, которые в новых машинах уже не используются; 168-контактные слоты предназначены для современных модулей DIMM. С точки зрения поддерживаемой оперативной памяти, важными характеристиками СП являются также число слотов памяти, рабочая тактовая частота памяти (например, память РС100, РС133 и т. п.), общая емкость поддерживаемой памяти (так, чипсет i815 обеспечивает работу только 512 Мбайт памяти, в то время как 440ВХ, i820 и VIA Apollo - 1024 Мбайт).

На системных платах может размещаться  дополнительная кэш-память второго уровня (Cache Level 2), которая предназначена для ускорения процесса обмена данными между процессором и оперативной памятью и служит для временного хранения часто используемых данных и команд, снимая во многих случаях необходимость обращения к более медленной оперативной памяти.

Расположенная непосредственно на материнской плате кэш-память относится, как правило, ко второму уровню, так как во многих процессорах уже имеется встроенная в кристалл кэш-память первого уровня. Объем Cache Level 2 на СП варьируется от 128 до 1024 Кбайт; микросхемы кэш-памяти выполнены в корпусах типа DIP или SOP и либо устанавливаются в соответствующие разъемы DIP-панельки, либо распаиваются непосредственно на плате. Синхронная кэшпамять может размещаться в специальных модулях COAST, очень напоминающих модуль SIMM и устанавливаемых в специальный разъем.

Современные модели процессоров Pentium II, III и 4 имеют Cache Level 2 на плате самого процессора, поэтому для них кэш-память на материнской плате может отсутствовать. На системной плате (в новых моделях обычно в составе микросхем чипсета) располагается микросхема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), содержащая программы BIOS, необходимые для управления многими компонентами компьютера. BIOS доступна постоянно, независимо от работоспособности внешних компонентов, таких, например, как системные загрузочные диски. В BIOS есть программа, которая называется System Setup, — именно с ее помощью пользователь управляет самыми глубокими настройками системы.

В современных материнских  платах используются, как правило, микросхемы Flash BIOS, программы в которых могут перезаписываться при помощи специальных средств, что облегчает модернизацию этих программ при появлении новых устройств, которым нужно обеспечить поддержку (например, новых типов микросхем оперативной памяти). У Flash BIOS есть один существенный недостаток: существует много вирусов, которые, попав в систему, просто стирают все содержимое Flash BIOS, после чего системная плата выходит из строя. Самый известный из подобных вирусов — «Чернобыль», испортивший очень большое количество компьютеров. От вирусов можно защититься только одним способом — в System Setup запретить перезапись содержимого BIOS. Если эта установка активизирована, то ни один вирус ничего сделать не сумеет.

Важным компонентом, размещенным  на системной плате (часто в системном  чипсете), является микросхема CMOS-памяти. Она питается от своего локального аккумулятора (батарейки) и поэтому является энергонезависимой (сохраняет информацию при отключении компьютера от сети). Название CMOS произошло от названия технологии исполнения ее элементов. Память хранит информацию о параметрах многих устройств, входящих в ПК. Информация в ней может изменяться по мере необходимости, то есть память отслеживает текущую конфигурацию компьютера, на что не способна микросхема BIOS. Поэтому при загрузке компьютера BIOS берет необходимую для своей работы информацию об изменяемых параметрах компонентов ПК именно из этой памяти. Так, из CMOS-памяти считывается информация об установленном МП, о типах и емкости оперативной и всех видах дисковой памяти, о работоспособности устройств компьютера и т. д. Четкое отслеживание времени (в том числе и календаря), даже в отключенном от энергосети состоянии, также связано с тем, что информация о времени хранится в CMOS-памяти.

На системных платах располагаются  также перемычки («джамперы») и DIP-переключатели, используемые для конфигурирования различных компонентов: переключатели используемого напряжения (5 В, 3,5 В и т. д.), переключатели внутренней частоты МП и др. «Джампер» представляет собой съемную перемычку, устанавливаемую на штырьковые контакты СП; DIP-переключатели — это миниатюрные выключатели в DIP-корпусе. В современных компонентах пытаются сократить количество механических переключений, перекладывая их на автоматические программно-управляемые электронные схемы. Компоненты, которые после установки конфигурируются автоматически, относят к категории РпР-уст-ройств (PnP — Plug & Play, «включай и работай»).

В заключение несколько слов о системной  плате ASUS P4T для процессора Pentium 4. Внешний вид этой платы показан на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Системная плата ASUS P4T

 

Вот спецификация этой платы с небольшими сокращениями.

□  процессор Intel Pentium 4 (однопроцессорная конфигурация) на разъеме Socket 423 с тактовой частотой 1,4-1,5 ГГц и выше;

□   системная шина с возможностью передачи данных на частоте 400 МГц.

□ чипсет i850 (функциональная схема чипсета показана на рис. 9.3);

 О северный мост: Intel 82850 Memory Controller Hub (MCH);

 О южный мост: Intel 82801 I/O Controller Hub 2 (ICH2);

 О интерфейс с южным мостом — 8-разрядный, 4 х 66 МГц Hub Interface. Микросхема Intel 82802AB Firmware Hub (FWH).

Рис. 9.3. Функциональная схема чипсета i850

 

□  системная память:

 О 4 слота RIMM;

 О поддержка двух каналов  РС800/РС600 RDRAM-памяти общей емкостью до 2 Гбайт;

 О поддержка ЕСС (Error Checking and Correction) — режима автоматического обнаружения и исправления одиночных битов в хранимых числах (применяется код Хэмминга);

□  слоты интерфейсов расширения:

  О 1 AGP Pro/AGP слот для 66 МГц AGP-интерфейса с поддержкой режима четырехкратного умножения (4х);

  О 5 слотов PCI;

□   порты ввода-вывода:

  О 1 порт для  дисковода, два последовательных  и один параллельный порты,

порты для мыши и клавиатуры;

  О 2 встроенных  и 2 дополнительных порта USB;

□   интегрированный IDE-контроллер:

  О 2 канала IDE, поддерживающие протоколы АТАЗЗ/66/100 (до четырех ATAPI-устройств);

□   BIOS:

  О 4-мегабитовая Flash ROM;

  О Award BIOS с поддержкой РпР и режима энергосбережения.

□  форм-фактор — Standard ATX 24,4 х 30,5 см (9,6 х 12,0 дюйма).

Значимость этих данных в плане пропускной способности каждой подсистемы отражена в табл. 9.2.

Таблица 9.2 Пропускная способность интерфейсов СП Р4Т

Интерфейс	Тактовая частота, МГц	Количество блоков данных за такт	Разрядность, бит/байт	Пропускная спо-собность, Мбайт/с
Системная шина	100	4	64/8	3200
AGP	66	4	32/4	1066
Двухканаль-ная RDRAM	400	2	32/4	3200
Hub Interface	66	4	8/1	266
PCI	33	1	32/4	133

Чипсеты серии 900 имеют, прежде всего, иные наборы поддерживаемых интерфейсов  и типов оперативной памяти. На рис. 9.4 показана функциональная схема  чипсета i925.

Рис. 9.4. Функциональная схема чипсета i915