Конструкция системных плат

Системная плата — второй по важности компонент персонального компьютера. Кроме термина "системная плата" используют еще несколько законных названий — "материнская плата" или, попросту, "мама" (System board, Mother board). Основное назначение системной платы — соединение всех узлов компьютера в одно устройство, так что, по большому счету, она — это всего лишь набор проводов между контактами процессора и контактами модулей памяти и периферийных устройств. Все остальные расположенные на ней элементы носят второстепенные функции, служа только для развязки и согласования сигналов. Конечно, какой-то блок на системной плате может носить гордое название "контроллер", но даже в этом случае его назначение — выполнение вспомогательных функций. Конструктивно системная плата выполняется в виде многослойной текстолитовой печатной платы. Количество слоев может достигать 12, но чаще всего используют 8. Между каждым слоем располагаются печатные проводники, выполненные из металлической фольги, которые соединяют ножки микросхем, резисторов, конденсаторов и разъемов между собой. Так как современные процессоры работают с внешними устройствами на частоте в несколько сотен мегагерц, то длина и расположение печатных проводников теперь рассчитывается по тем же принципам, что и для СВЧ-устройств, когда каждый лишний сантиметр проводника играет огромную роль. В этом можно убедиться, осмотрев системную плату — некоторые проводники, например, проложены не по прямой линии, а с изгибами в виде пружины, что увеличивает их длину. Чипсет — набор микросхем, которые выполняют служебные функции по распределению сигналов между всеми блоками. При подаче напряжения питания чипсет вырабатывает определенную последовательность команд, которая активизирует процессор. Процессор, в свою очередь, по программе BIOS тестирует и активизирует остальные устройства, установленные и подключенные к системной плате. Если старт компьютера прошел успешно, то микросхемы чипсета связывают процессор, память и периферийные устройства в единое целое — вычислительное устройство, готовое выполнить команды пользователя или определенным образом реагировать на появление сигналов в интерфейсных линиях.

Формфактор

Как это ни странно, самое постоянное у персональных компьютеров PC — это Формфактор (габаритные размеры и расположение элементов), который как бы роднит между собой новые и старые модели. Благодаря тому, что все разработчики системных плат и периферии придерживаются единых правил крепления плат и расположения узлов в корпусе, пользователи могут самостоятельно модернизировать свой компьютер, устанавливая нужные периферийные устройства, меняя старый процессор на новый и т. д. В качестве курьеза можно упомянуть, что в один и тот же корпус можно установить системную плату с процессором Pentium 4 и старую-престарую плату с процессором i386 (правда, обратный вариант не всегда возможен). Переделки минимальны и требуют лишь умения владеть слесарным инструментом, да и то — они не всегда требуются! Существуют два основных стандарта на системные платы — AT и АТХ. Первый — формфактор AT — это плата для компьютера с морально устаревшим процессором. Второй — формфактор АТХ — это стандарт, в соответствии с которым разрабатываются новые компьютеры. Основная разница между двумя этими стандартами в расположении процессора и разъемов интерфейсов, что влечет необходимость использования различных корпусов. А вот все остальное — крепление системной платы к корпусу, расположение слотов и пр. — так или иначе совпадает, например, выпускались системные платы, которые можно было устанавливать как в корпус с блоком питания AT, так и в вариант АТХ. Одно из основных отличий данной версии спецификации АТХ заключается в том, что блок питания выведен за контур системной платы, что оказалось необходимым из-за огромных размеров охлаждающей системы современного процессора. Обратите внимание, что в предыдущих версиях спецификации допускалась установка блока питания над процессором, но это приводило к огромным проблемам с охлаждением процессора. Несколько сложнее обстоит дело с малогабаритными и фирменными компьютерами, в которых используются системные платы, габариты которых отличаются от стандартных. Для уменьшения размеров используются различные приемы, например, уменьшение числа слотов для периферийных устройств, применение различных переходников, чтобы иметь возможность расположить периферийные платы не вертикально, а горизонтально, параллельно плоскости системной платы. Для таких системных плат и корпусов всегда существует проблема модернизации, часто приводящая к тому, что проще купить новый компьютер, нежели заниматься поисками подходящих элементов к старому.В табл. 1 приведены максимальные габариты системных плат, которые наиболее распространены в России.

Таблица 1. Максимальные размеры системных плат

Сокеты

За три десятилетия выпущено множество самых разнообразных процессо­ров, предназначенных для использования в персональных компьютерах PC . Некоторые типы процессоров оказывались настолько удачными, что выпус­кались для самых разнообразных применений, например для установки в ноутбуки и промышленные устройства. При изменении типа процессора или его назначения кремниевый кристалл с миллионами транзисторов мон­тировался в новый корпус, имеющий другие габариты и способы крепления к системной плате. К сожалению, магистральный путь современной микроэлектроники идет в направлении увеличения числа контактов, которыми снабжается корпус процессора. Естественно, при изменении количества контактов изменяется и конструкция разъема для процессора, который устанавливается на сис­темной плате. Если родоначальник нынешних процессоров имел всего 16 контактов и устанавливался в очень простой разъем — кроватку, то неко­торые модели современных процессоров взяли рубеж в тысячу контактов. Разъем для установки современных процессоров носит название сокета ( socket ). Его еще называют разъемом для установки микросхем с нулевым усилием, а цифры в маркировке, начиная с модели сокет 370, говорят о числе контактов. В недавнем прошлом наиболее популярным разъемом для установки процессоров был сокет 7, предназначенный для процессоров Pentium , и сокет 370, куда устанавливались процессоры Pentium III . Можно отметить, что в сокет 7 можно было устанавливать как процессоры корпо­рации Intel , так и процессоры корпорации AMD. Некоторое время выпускались процессоры, монтируемые на печатных пла­тах, которые были предназначены для установки в специальные слоты, на­поминающие слоты для модулей памяти. Для процессоров корпорации Intel такой разъем назывался Slot 1, а для AMD — Slot A. В настоящее время для процессоров Pentium 4 используется сокет 478 ( mPGA 478). Правда, самые ран­ние модели процессоров Pentium 4 были предназначены для установки в сокет 423. Процессоры Athlon устанавливают в сокеты 462 или Socket A . Для новых процессоров Opteron разработан сокет 940, а для Athlon 64 — сокет 754. Так как внешне сокеты похожи, хотя и различаются числом контактов и их расположением, то при подборе пары процессор-"мама" (например, в со­кет 370 можно устанавливать самые разнообразные процессоры) следует обязательно изучить документацию на системную плату. В документации всегда указывается, какие типы процессоров поддерживает данная систем­ная плата. Установка неподходящего процессора, весьма вероятно, может вывести процессор и системную плату из строя. Конечно, в ряде случаев может помочь перепрошивка BIOS , но данную информацию следует искать на сайте производителя системной платы.

Слоты расширения

Для расширения функций персонального компьютера на системной плате устанавливаются разъемы, называемые слотами расширения. В настоящее время на системных платах устанавливаются всего три типа слотов: PCI , AGP и один из вариантов разъема для аудиоустройств. Другие типы слотов встречаются только в морально устаревших компьютерах. Для установки большинства типов периферийных устройств в современном персональном компьютере предназначены слоты PCI (они в центре). Наиболее часто на системной плате имеется 4 слота PCI , но встречаются вари­анты с 5-ю и 6-ю слотами PCI . В малогабаритных конструкциях количество слотов PCI может быть уменьшено до одного-двух. Несмотря .на то, что есть несколько вариантов слотов PCI , отличающихся по напряжению питания для периферийных плат, тактовой частотой и разрядностью, на практике, в большинстве случаев, используется всего один вариант, который предназначен для 5-вольтовых плат с тактовой частотой 33 МГц. Правда, начали появляться системные платы со слотами PCI с тактовой частотой 66 МГц, но в такие слоты вполне допустимо устанавливать обычные периферийные устройства. Слот AGP (слева) предназначен для установки современных видеокарт. Хо­тя этот слот и разрабатывался универсальным, но он так понравился разработчикам и пользователям, что используется только для одной цели — установить видеокарту, соответственно, другие устройства для данного слота вряд ли можно найти. При использовании слота AGP пользователям следует знать, что для надежного крепления платы нужно использовать специаль­ную пластмассовую защелку, чтобы плата AGP не вылезала из слота при установки плат PCI. Согласно спецификации АС'97 на современных системных платах монтируется один слот AMR или CNR (справа), которые предназначены для установки звуковых плат или внутренних модемов. Его местоположение особо не оговаривается. В ряде случаев такой слот устанавливается вплотную к слоту PCI , что не всегда удобно для пользователя. Следует отметить, что платы стандарта АС'97 достаточно редки в России, а, скажем, для AMR - модемов, которые иногда появляются в продаже, существуют проблемы совместимости с российскими АТС. Слоты ISA , о которых надо упомянуть, т. к. до сих пор у пользователей имеется множество плат с таким интерфйсом, появились в самых первых компьютерах IBM PC . В течение долгого времени слоты ISA были наиболее популярными у всех категорий пользователей, но усилиями корпорации Intel этот тип слота сегодня стал персоной нонграта в современном ком­пьютере. Соответственно, системные платы для новых процессоров выпускаются без слота ISA , а для пользователей, у которых имеются важные для них периферийные устройства, разработанные для слота ISA , некоторые фирмы выпускают системные платы с сокетом 370.

Чипсет

Для того чтобы процессор в персональном компьютере мог работать в полную силу, ему требуется помощь специализированных микросхем, которые берут на себя рутинную работу с оперативной памятью и периферийными устройствами. Набор таких микросхем называется чипсетом. В комплект чипсета может входить различное количество микросхем, но в последнее время наиболее популярно решение из 2—3 микросхем. Для двух базовых микросхем современного чипсета, чисто условно, были придуманы названия South Bridge (южный мост) и North Bridge (северный мост), которые произошли от местоположения микросхем на блок-схемах: верх — север, низ — юг. Самое любопытное, такие названия прижились и стали широко использоваться не только специалистами, но и пользователями. С точки зрения специализации на северный мост ложатся функции обмена между процессором и скоростными устройствами, например памятью и шиной AGP . Южный мост предназначен для работы с низкоскоростными интерфейсами. Для обмена информацией между северным и южным мостом в современных компьютерах используются различные типы скоростных шин, которые у каждого разработчика чипсетов разные, например, для чипсетов VIA — это V - Link , SiS MuTIOL ( Multi Threaded I / O Link ). Ранее связь между мостами осуществлялась через шину PCI . При изучении возможностей чипсетов пользователям следует обратить внимание, что если ранее разработка нового чипсета знаменовалась значительным увеличением производительности компьютера и появлением новых функций, то ныне разработчики исповедуют идеологию "ползучей" модернизации, когда следующий тип чипсета мало отличается от предшественника. То есть, в новом чипсете совершенствуют какую-то одну функцию или добавляют поддержку того или иного стандарта, например, работу с той или иной памятью. Кроме того, имеет место разработка в рамках одного типа чипсета целого набора микросхем (несколько вариантов южного и северного мостов), которые производители системных плат могут произвольно комби­нировать. В частности, в качестве южного моста могут применяться микро­схемы, разработанные для предыдущего типа чипсета. Более полную информацию по чипсетам можно найти на сайтах производителей. Ниже приведен список фирм, чипсеты которых наиболее часто можно встретить на новых системных платах, продающихся в России:

• AMD (Advanced Micro Devices, Inc.) — http://www.amd.com ;
• ALi (Acer Laboratories Inc.) — http://www.ali.com.tw ;
• Intel — http://www.intel.ru ;
• NVIDIA — http://www.nvidia.ru ;
• SiS (Silicon Integrated System Corporation) — http://www.sis.com.tw ;
• VIA — http://www.via.com.tw .

Так как корпорации Intel и AMD , а также VIA , теперь разрабатывают не­совместимые по техническим характеристикам процессоры, то и чипсеты создаются под конкретный тип процессора. Далее приводится перечень наиболее популярных чипсетов для процессоров Intel и AMD . Обратите внимание, что каждый производитель для маркировки микросхем чипсетов разрабатывает собственную буквенно-цифровую систему с весьма запутанным принципом классификации. Технические характеристики выпускаемых чипсетов приведены в табл. 2—5.

Чипсеты для процессоров Intel ( Socket 478):

• Intel - i850, i850E, i845, J845B0, i845D, i845E, i845G, i845GL;
• SiS - SiS 645, SiS 645DX, SiS 650 (G/GL);
• VIA - P4X266, P4X266A, P4X266E, P4M266, P4M266A, P4X400.

Чипсеты для процессоров AMD ( Socket A , Socket 462):

• AMD - AMD 750, AMD 760, AMD 760 MP , AMD 760 MPX ;
• VIA - KT133, KT133A, KLE133, KM133, KM266, KT266, KT266A, KT333, KT400;
• SiS - SiS 730, SiS 735, SiS 740, SiS 745, SiS 746, SiS 755;
• NVIDIA - nForce 220, nForce 415(D), nForce 420(D), nForce2;
• ATI - Radeon IGP 320 Fusion .

Для специальных применений, например для использования в серверах, выпускаются специализированные чипсеты. В частности, для серверов и высокопроизводительных рабочий станций корпорация Intel выпускает чипсеты Е7205, 875Р, 860, Е7505, Е7500, Е7501, 460 GX , Е8870. Для процессоров восьмого поколения выпускаются чипсеты, разработанные корпорациями Intel и AMD , а также рядом других производителей.

Таблица 2. Чипсеты для процессоров Pentium 4 и Celeron производства корпорации Intel

Таблица 2 (окончание)

Таблица 3. Чипсеты семейства 81х производства корпорации Intel для процессоров Pentium II , III , Xeon , Celeron

Примечание. Для специальных нужд выпускались чипсеты 840, 820 и 820Е, но в серийное производство они не попали.

Таблица 4. Чипсеты семейств 440 и 450 производства корпорации Intel для процессоров Pentium II , III , Xeon , Celeron

Для процессора Athlon 64 тайваньские производители выпускают чипсеты:

• VIA - К8Т800, К8М800, К8Т890;
• SiS - SiS755, SiS760;
• Аli - М 1687, M1689.

Таблица 5. Чипсеты корпорации VIA для процессоров Pentium AMD Athlon XP