Материнська плата: компоненти, чіпсет, шини

Мета: Ознайомити з основними елементами материнської плати, дати поняття чіп-сету, шини, сформувати уявлення про стандарти та характеристики шинного інтерфейсу.

1. Основні елементи (компоненти) материнської плати

Основним елементом системного блоку є материнська плата (Matherboard). ЇЇ ще назива-ють системною або головною платою (Mainbord).

Материнська плата – це найважливіша частина комп’ютера, яка містить його основні електронні компоненти. Завдяки материнській платі відбувається взаємодія між більшістю прист-роїв комп’ютера. Характеристики материнської плати в першу чергу визначають його продуктивність.

Конструктивно материнська плата представляє собою друковану плату площею 100-150 см2, на якій розміщена велика кількість різноманітних елементів.

Материнська плата містить такі основні елементи:

1)      базовий набір мікросхем – «чіпсет»;

2)      інформаційна магістраль – шина;

3)      роз’єми і порти для підключення пристроїв;

4)      вбудовані (інтегровані) додаткові пристрої.

5)      мікросхема BIOS.

2. Чіпсет

На системній платі особливе значення мають декілька мікросхем, які в сукупності назива-ють одним словом «чіпсет».

Чіпсет має дуже велике значення для роботи всього комп’ютера. Саме від чіпсету залежить, який тип процесорів і пам’яті підтримуватиме системна плата, якою буде її швидкодія. Оскільки основна функція материнської плати – «наводити мости» між пристроями, то не дивно, що головні мікросхеми чіпсета також назвали «мостами». На материнській платі знаходяться два мости -«північний» і «південний». Кожен мостів – це спеціальна мікросхема, яка виконує свою задачу:

1)      «північний» міст сполучає між собою процесор, оперативну пам’ять, відповідає за робо-ту з внутрішньою шиною;

2)      «південний» міст керує периферійними пристроями комп’ютера і внутрішніми контрол-лерами (звук, мережа, порти і т. д.).

Обмін даними між «мостами» відбувається за допомогою високошвидкісної магістралі -«шини». Чим вища частота шини – тим швидше працює комп’ютер.

Архітектура системних плат з часом змінюється. З’являються нові шини, змінюється і архі-тектура чіпсетів. Наприклад, сьогодні обидва «мости» можуть розташовуватися на одній мікро-схемі. Більше того, можуть змінюватися навіть традиційні задачі, які виконують «мости».

Вибираючи системну плату, ми вибираємо в першу чергу не продукцію якої-небудь компа-нії, а саме чіпсет.

Сьогодні на ринку виробників  чіпсетів виділяються три лідери, які пропонують чіпсети для процесорів Intel і AMD:

1)      Intel – чіпсети цієї компанії розраховані на роботу тільки з власними процесорами. Чіп-сети Intel – надійні і достатньо вдалі набори мікросхем.

2)      VIA – ця компанія випускає чіпсети для обох платформ, але її сильною стороною вважа-ють чіпсети для процесорів AMD.

3)      NVIDIA – один з небагатьох виробників, що випускає чіпсети для обох платформ. На ринок чіпсетів NVIDIA вийшла порівняно недавно, і її продукція викликає схвальні відгуки. Особливо підходить цей чіпсет для любителів комп’ютерних ігор, завдяки тех-нології одночасної підтримки двох відеоплат.

В кожному сімействі чіпсетів існує декілька різних модифікацій, які відрізняються одна від одної додатковими характеристиками.

Купуючи нову системну плату, необхідно встановити в операційній системі пакет драйве-рів, необхідних для підтримки даного чіпсета – без цього комп’ютер не зможе нормально працювати.

3. Шини, їх архітектура та характеристики

Шина (bus) – це сукупність ліній зв’язку на материнській платі, по яких одночасно передається інформація між компонентами і пристроями комп’ютера.

Шина, яка сполучає тільки два пристрої, називається портом.

Шина має роз’єми для піключення внутрішніх і зовнішніх пристроїв. Роз’єми для піклю-чення зовнішніх пристроїв називаються портами.

Шина має власну архітектуру, яка містить наступні компоненти (табл. 1):

Таблиця 1. Компоненти шини.

На материнській платі вбудовані такі шини (табл. 2):

Таблиця 2. Шини, вбудовані на материнській платі

Шини утворюють ієрархію, верхнім рівнем якої с системна шина.

Основні характеристики шини (табл. 3):

Таблиця 3.  Основні характеристики шини

Чим вища розрядність шини даних, тим більше інформації можна передавати по ній за оди-ницю часу і тим вища продуктивність комп’ютера. В сучасних комп’ютерах використовують 32-розрядні та 64-розрядні шини.

Пропускна здатність шини залежить від її розрядності і робочої тактової частоти. Макси-мальна пропускна здатність шин сучасних комп’ютерів – 4 Гбайт/с.

4. Стандарти та характеристики шинного інтерфейсу

Різні типи шин розрізняються між собою апаратною реалізацією, способами та правилами передачі інформації. Зазначені характеристики визначають стандарт шинного інтерфейсу.

В міру збільшення розрядності і тактової частоти змінювалися і стандарти шинного інтер-фейсу. Розглянемо ці основні стандарти:

Шина ISA

Ця шина використовувалася в старих комп’ютерах.

Шину ISA (Indus­try Standard Architecture – промисловий стандарт архітектури) розроби-ла фірма IBM в 1984 p. Це 16-розрядна шина з тактовою частотою 8,33 МГц і пропускною здат-ністю до 16,6 Мбайт/с.

Обмін даними між високошвидкісними зовнішніми пристроями й оперативною пам’ят-тю за допомогою шини ISA може виконуватися в двох режимах:

1)      з участю процесора (низька продуктивність);

2)      режим прямого доступу DMA (Direct Memory Access – прямий доступ до пам’яті) – висока продуктивність.

Шина РСІ

Шину РСІ (Peripheral Component Interface – інтерфейс периферійних компонентів) розроби-ла фірма Intel в 1993 р. Останні стандарти РСІ – це 32-розрядна шина з тактовою частотою 33 МГц і пропускною здатністю 133 Мбайт/с, а також 64-розрядна шина з тактовою частотою 66 МГц і пропускною здатністю 533 Мбайт/с.

Однак шини РСІ не забезпечують передавання великих обсягів даних в сучасних комп’юте-рах, тому було розроблено новий стандарт – РСІ-Х (X – extended – розширений) з тактовою часто-тою 133 МГц і пропускною здатністю до 1066 Мбайт/с. Цей стандарт сумісний з стандартом РСІ.

Основні принципи роботи шини PCI:

1)      пакетний режим пердачі даних (burst mode). Дані передаються не по одному, а від-разу цілим набором.

2)      застосування мостів (Brid­ges) між шиною PCI та іншими шинами. При цьому переда-чею даних керує не процесор, а міст між ним і шиною РСІ;

3)      режим керування шиною Bus Mastering. Зовнішній пристрій під час обміну даними мо-же керувати шиною без участі процесора. В цей час процесор звільняється для виконан-ня інших задач;

4)      непряме підключення до процесора. Шина РСІ підключається до процесора через «північний міст». Це дозволяє настроїти міст і шину РСІ для різних типів процесорів.

Схему взаємодії між пристроями за допомогою шини PCI i мостів показано на рис. 1.

Примітка. Якщо раніше шиною PCI найчастіше керував «північний міст», який через неї з’єднувався з «південним», то тепер, при так званій «хабовій» архітектурі чіпсета, шиною PCI може керувати «південний міст», а  «мости» з’єднуються між собою новою високопродуктивною шиною PCI-Express.

Шина AGP

Причина створення шини AGP – недостатня пропускна здатність шини PCI під час роботи відеокарти з великими об’ємами відеоданих.

Шина AGP (Accelerated Graphics Port – прискорений графічний порт) була розроблена Intel y 1997 році на основі стандарту РСІ. Шина являла собою канал передавання даних між відеокар-тою і оперативною пам’яттю.

Шина AGР була 32-розрядною, а її пропускна здатність дорівнювала 266 Мбайт/с.

Пізніше було розроблено режим AGPX2 з пропускною здатністю 532 Мбайт/с.

В 1998 р. корпорація Intel розробила режим AGPХ4 (специфікація AGP 2.0) з пропускною здатністю 1064 Мбайт/с.

Результатом подальшого розвитку стандарту AGP є режим AGP8X (специфікація AGP 3.0) з пропускною здатністю до 2 Гбайт/с.

Одна з основних особливостей стандарту AGP – здатність розділяти оперативну пам’ять між центральним процесором і відеокартою, тобто опрацювання відеоданих може виконувати як центральний процесор, так і процесор відеокарти.

Шина PCI-Express

Причини створення шини PCI Express:

1)      недостатня пропускна здатність шини PCI;

2)      проблеми паралельного підключення пристроїв.

Рис. 1. Взаємодія між пристроями, підключеними до материнської плати за допомогою шини РСІ

Шина PCI є паралельною шиною, тобто кожен підключений до неї пристрій має рівні права на доступ до пам’яті і ресурсів процесора. Це може призвести до конфліктних ситуацій.

Послідовна шина від цих проблем позбавлена. При роботі з нею пристрої підключаються в ланцюжок одне за одним.

Тому компанія Intel в 2004 році створила нову послідовну швидку шину, яку назвала PCI-Express. Її пропускна здатність становить близько 4 Гб/с. Кожному пристрою, який підключається до шини PCI-Express, виділяється власний канал передачі даних з пропускною здатністю до 250 Мб/с. При цьому можливе використання декількох каналів відразу, наприклад, для передачі даних до відеоплати.

Ще одна перевага PCI-Express – можливість «гарячої заміни» будь-якого пристрою, підклю-ченого до неї. Вийняти плату з працюючого комп’ютера і поставити нову, не вимикаючи систем-ний блок – ще недавно таке здавалося абсолютною фантастикою.

Пропускна здатність шини PCI Express в перспективі може збільшитись до 10 Гб/с. Стан-дарт PCI Express y майбутньому має замінити стандарти PCI, PCI-X, AGP. Однак шина PCI- Express сумісна з цими стандартами і може використовуватися з ними спільно.

Шина USB

Шина USB (Universal Serial Bus – послідовна універсальна шина) була розроблеиа в 1995 pоці провідними компаніями в галузі комп’ютерів і телекомунікацій. Вона була призначена для підключення низькошвидкісних зовнішніх пристроїв (клавіатура, «миша)». Шина USB  забезпечу-вала пропускну здатність 1,5 Мбіт/с при довжині кабелю до 3 м. Цю специфікацію назвали USB 1.0.

Пізніше було црийнято специфікацію USB 1.1 з пропускною здатністю до 12 Мбіт/с і дов-жиною кабелю до 5 м.

В специфікації USB 2.0 (High Speed USB, високошвидкісна USB), пропускна здатність може становити:

–        1,5 Мбіт/с (low speed – низька швидкість);

–        12 Мбіт/с (full speed – повна швидкість);

–        480 Мбіт/с (high speed – висока швидкість).

Специфікація USB 2.0 підтримує зворотну сумісність зі специфікацією USB 1.1.

Висока пропускна здатність дозволяє підключати до шини USB принтери, сканери, зовніш-ні пристрої пам’яті, а також обмінюватися інформацією між комп’ютерами.

Шина USB дозволяє «гаряче» підключення пристроїв. Вона також може подавати електро-живлення на підключені до неї пристрої.

Максимальна можлива кількість підключених до шини USB пристроїв – 127. Насправді ж ця кількість значно менша, так як вона обмежена пропускною здатністю шини.

Усі операції з обміну даних по шині USB виконуються під керуванням комп’ютера.

Шина IEEE 1394 (FireWire)

FireWire – послідовна високошвидкісна шина, призначена для обміну цифровою інформа-цією між комп’ютером та іншими електронними пристроями. Шина була розроблена в 1995 році компаніями Sony та Apple і стандартизована Інститутом інженерів з електротехніки й електроніки США (IEEE) під кодом IEEE 1394.

Спочатку шина IEEE 1394 мала пропускну здатність 100, 200 та 400 Мбіт/с.

В подальшому різні компанії розробили різноманітні специфікації IEEE 1394 з різними апаратними рішеннями.

В наш час шина IEEE 1394 має пропускну здатність до 3,2 Гбіт/с, має живлення прямо на шині та дозволяє «гаряче» підключення пристроів.

На відміну від USB, пристрої, які підключені до шини FireWire, рівноправні, тобто можуть обмінюватися інформацією без участі комп’ютера.

Крім комп’ютерів, шину IEEE 1394 використовують також у цифрових телевізорах, музич-них центрах та інших мультимедійних пристроях.

Контрольні запитання

1.      Чому материнська плата є найважливішою частиною комп’ютера?

2.      Назвіть основні елементи материнської плати.

3.      Що розуміють під терміном «чіпсет»?

4.      Як називають головні мікросхеми чіпсета? Чому?

5.      Яку задачу виконує «північний» міст?

6.      Яку задачу виконує «південний» міст?

7.      Дайте коротку характеристику чіпсетів відомих виробників.

8.      Дайте означення шини та порта.

9.      Які компоненти містить шина?

10.  Яке призначення контроллера шини та шини даних?

11.  Яке призначення шини адрес та шини керування?

12.  Які шини вбудовані на материнській платі?

13.  Як по-іншому називають системну шину? Яке її призначення?

14.  Яке призначення шини кеш-пам’яті та шини пам’яті?

15.  Яке призначення локальної та стандартної шин введення-виведення?

16.  Назвіть основні характеристики шини.

17.  Дайте означення розрядності шини.

18.  Дайте означення тактової частоти шини.

19.  Дайте означення пропускної здатності шини.

20.  Що розуміють під стандартом шинного інтерфейсу?

21.  Які стандарти шинного інтерфейсу ви знаєте?

22.  Назвіть призначення, розрядність та пропускну здатність шини PCI.

23.  Яка причина створення та призначення шини AGP?

24.  Назвіть причини створення шини PCI Express.

25.  Яка відмінність шини PCI Express від шини PCI щодо способу підключення пристроїв.

26.  Дайте означення шини USB.

27.  Яким було початкове призначення шини USB. Назвіть специфікації шини USB.

28.  В яких режимах може працювати шина USB специфікації 2.0?

29.  Дайте означення шини FireWire.

30.  Яка відмінність між шинами FireWire і USB щодо керування пристроями?

Література

1.      Основи комп’ютерної техніки: Компоненти, системи, мережі: Навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл./ С.О. Кравчук, В.О. Шонін. – К.: ІВЦ “Видавництво «Політехніка»: Видавництво «Каравела», 2005. – 344 с.

2.      Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального ком­пьютера 2007. – М.: ОЛМА Медиа Групп, 2007. – 896 с.: ил. – (Новейшая энциклопедия).