Учебно-методический комплекс

Системные платы. Виды, характеристики, форм-факторы. Типы интерфейсов: последовательный, параллельный, радиальный. Принцип организации интерфейсов.

 

Системная плата (Systemboard) — второй по важности компонент в устройстве персонального компьютера . Кроме термина "системная плата", используется название "материнская плата" (Motherboard) . Основное назначение системной платы — соединение всех узлов компьютера в одно устройство, так что, по большому счету, 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 ПК выполняется в виде многослойной текстолитовой печатной платы.Количество слоев может достигать 12, но чаще всего используют 8 (если не считать краски и лака). Между каждым слоем располагаются печатные проводники, выполненные из металлической фольги (может использоваться метод осаждения или напыления), которые соединяют контактные выводы микросхем, резисторов, конденсаторов и разъемов между собой. Ниже показан разрез системной платы производства компании Gigabyte, которая предложила увеличить толщину медных слоев для питания и заземления до 70 мкм.

Как правило, толщина проводников в два раза меньше, поэтому увеличение толщины медных шин улучшает охлаждение элементов системной платы, но при этом возникает масса технологических сложностей. 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.

Типы материнских плат могут быть стандартными и нестандартными. Единственное отличие таких системных плат заключается в том, что в первом случае по необходимости systemboard можно заменить другой платой, а во втором случае, возможно, дешевле будет купить новый компьютер. Ну, а теперь решайте сами: быть таким же, как все или пользоваться какой-то уникальной в своем роде «материнкой», но в случае ее поломки распрощаться с, уже полюбившимся, компьютером. Все эти красивые речи были направлены на то, чтобы сказать банальнейшую фразу: если Вы пользуетесь нестандартной системной платой, то про модернизацию своего компьютера можете забыть.

В целом можно выделить следующие типы материнских плат:

·        Устаревшие

·        Современные

·        Другие

Сразу обращу Ваше внимание на то, что к категории «Другие» относятся независимые разработки  таких компаний как PackardBell, Compaq или Hewlett-Packard. Это немаленький список, поэтому уделять слишком большого внимания этим конструкциям мы не станем. При желании каждый сможет посетить сайты разработчиков, где можно получить любую интересующую информацию.

Останавливаться на устаревших системных платах мы не станем, поскольку сейчас компьютерные технологии развиваются настолько быстро, что купленная полгода назад деталь теперь может оказаться уже устаревшей, поэтому лучше уделить больше внимания systemboard, которые актуальны на данный момент.

Итак, вернемся к самым распространенным типам «материнок», среди которых выделим следующие форм-факторы:

·        ATX

·        Micro-ATX

·        Flex-ATX

·        NLX

ATX

Данные системные платы устанавливаются в настольные компьютеры с корпусами Full-tower и Mini-tower. Данная плата в равной степени подойдет как начинающему, так и уверенному пользователю ПК. Платы  ATX подойдут для серверов, а также для использования в домашних условиях, правда в этом случае компьютер можно будет считать более продвинутым. На плате может быть расположено до 7 разъемов для установки карт расширения.

Mini-ATX

Mini-ATX – это та же ATX, только более компактного размера, то есть ее уменьшенная версия. Область применения Mini-ATX такая же, как и у плат ATX. Наданной «метеринке» может быть предусмотрено до 6 разъемов для карт расширения.

Micro-ATX

Эта системная плата применяется в системах Mini-tower, то есть в обычных настольных компьютерах среднего уровня.

Flex-ATX

Данный тип материнских плат предназначен для использования в системах, не требующих высокой производительности, поскольку цена на данные материнские платы довольно невелика.

NLX

Системные платы, применяемые в настольных либо вертикальных системах Mini-tower. В качестве основного плюса можно выделить простоту самой платы, а также удобность в применении.

 

 

 

Форм-фактор АТХ

Как это ни странно, самое постоянное у персональных компьютеров PC — это форм-фактор (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. Существуют два основных стандарта насистемные платы — AT и АТХ. Первый — форм-фактор AT— это плата для компьютера с морально устаревшим процессором. Второй — форм-фактор АТХ— это стандарт, в соответствии с которым разрабатываются новые компьютеры. 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. В качестве переходного варианта между AT и АТХ, например, выпускались системные платы, которые можно было устанавливать как в корпус с блоком питания AT, так и в корпус АТХ. Ниже приведено расположение главных элементов персонального компьютера согласно спецификации АТХ, включая версию 2.2. В частности, одно из основных отличий данной версии спецификации АТХ заключается в том, что блок питаниявыведен 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 (используются другие форм-факторы, которые разработаны на основе форм-фактора АТХ). 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. Ниже приведены максимальные габариты системных плат персональных компьютеров, которые наиболее распространены в России.

Форм-фактор ВТХ

Корпорация Intel опубликовала в 2004 г. спецификацию ВТХ (BalancedTechnologyExtended), которая является развитием стандарта АТХ для новых высокопроизводительных процессоров. Основное назначение спецификации — это улучшение охлаждения и увеличение механической прочности системной платы; как это определяет спецификация ВТХ. Кроме того, спецификация стандартизирует способы подключения к системной плате интерфейсов ввода/выврда, конструкцию корпуса. Так как появление компьютеров, выполненных по спецификации ВТХ, подразумевает разработку и выпуск новых системных плат, то и спустя пять лет до сколь-нибудь существенного промышленного выпуска дело пока не дошло. Тут можно отметить, что переделка материнской платы ПК — это большой труд разработчиков и инженеров, плюс огромный объем по тестированию изделия, исправлению ошибок и проблем. Правда, сегодня, когда разработчики процессоров наконец-то озаботились проблемой уменьшения тепловыделения, внедрение форм-фактора ВТХ оказалось не столь актуально, как это было необходимо для последних версий процессоров IntelPentium 4 Prescott и для ряда четырехъядерных процессоров Intel и AMD.

В настоящее время не существует однозначной классификации интер­фейсов. Можно выделить следующие четыре классификационных признака интерфейсов:

- способ соединения компонентов системы (радиальный, магистраль­ный, смешанный);

- способ передачи информации (параллельный, последовательный, па­раллельно-последовательный);

- принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный);

- режим передачи информации (двусторонняя поочередная передача, односторонняя передача).

Радиальный интерфейс позволяет всем модулям  работать независимо, но имеет максимальное количество шин. Магистральный интер­фейс (общая шина) использует принцип разделения времени для связи между ЦМ и другими модулями. Он сравнительно прост в реализации, но лимитирует скорость обмена.

  Параллельные интерфейсы позволяют передавать одновременно определенное количество бит или байт информации по многопроводной линии. По­следовательные интерфейсы служат для последовательной передачи по двух­проводной линии.

В случае синхронного интерфейса моменты выдачи информации пере­дающим устройством и приема ее в другом устройстве должны синхронизи­роваться, для этого используют специальную линию синхронизации. При асинхронном интерфейсе передача осуществляется по принципу "запрос-ответ". Каждый цикл передачи сопровождается последовательностью управ­ляющих сигналов, которые вырабатываются передающим и приемным уст­ройствами. Передающее устройство может осуществлять передачу данных (байта или нескольких байтов) только после подтверждения приемником своей готовности к приему данных.

Составными физическими элементами связей интерфейса являют­ся электрические цепи, называемые линиями интерфейса. Часть линий, сгруппированных по функциональному назначению, назы­вается шиной, а вся совокупность линий – магистралью.В системе шин интерфейсов условно можно выделить две магистрали: инфор­мационную и управления (каналом).

Информационная магистраль.По данной магистрали передаются коды данных, адресов, команд и состояний устройств. Аналогичные наименования присваиваются соответствующим шинам интерфейса.

Коды данных представляют сведения о процессах, проте­кающих в ВС. Обычно в интерфейсах используется двоичное коди­рование в формате машинного кода, в измерительных интерфей­сах – стандартные коды.

Коды адресов предназначены для подключения к ма­гистрали устройств, узлов устройства или ячеек памяти. Обычно для адресации используется двоичный код, однако применяется и позиционное кодирование, при котором каждому устройству выде­ляется отдельная линия. Позиционное кодирование используется для адресации интерфейса 2К в СМ ЭВМ.

Коды команд используются для управления работой уст­ройств и обеспечения сопряжения между ними. По функционально­му назначению различают адресные команды управления обменом информации между устройствами, команды изменения состояния и режимов работы. К наиболее распространенным командам относятся ЧТЕНИЕ, ЗАПИСЬ, КОНЕЦ ПЕРЕДАЧИ, ЗАПУСК.

Коды состояния представляют собой сообщения, опи­сывающие состояния сопрягаемых устройств. Коды формируются в ответ на действия команд или являются отображением состояния устройств. Широко используются такие коды состояний, как ЗА­НЯТОСТЬ УСТРОЙСТВА, НАЛИЧИЕ ОШИБКИ, ГОТОВНОСТЬ УСТРОЙСТВА (к приему или передаче информации) и т. п.

В большинстве случаев коды данных, адресов, команд и состоя­ний передаются по шинам интерфейса с разделением времени за счет мультиплексирования шин. Это достигается введением допол­нительных линий для обозначения типа передаваемой информа­ции, называемых линиями идентификации. Они позволяют сущест­венно сократить общее число линий информационной магистрали интерфейса, однако при этом снижается быстродействие передачи информации.

Магистраль управления информационнымканалом. По своему функциональному назначению она делится на ряд шин: управления обменом, передачи управления, прерывания, специальных управ­ляющих сигналов.

Шина управления обменом включает в себя линии син­хронизации передачи информации. В зависимости от принятого принципа обмена (асинхронного, синхронного) число линий может изменяться от одной до трех. Асинхронная передача происходит при условии подтверждения принимающим информацию устройст­вом готовности к приему и завершается подтверждением о приеме данных. При синхронной передаче темп выдачи и приема данных за­дается регулярной последовательностью сигналов. Линии шины управления обменом выполняются, как правило – двунаправленными.

Шина передачи управления выполняет операции приоритетного занятия магистрали информационного канала. На­личие этой шины определяется тем, что устройства в большинстве интерфейсов взаимодействуют по принципу «ведущий – ведомый» или «задатчик – исполнитель», при котором «ведущее» устройство может брать управление шиной на себя в определенные моменты времени. При наличии в системе нескольких устройств, способных выполнять функции «ведущего», возникает проблема приоритетного распределения ресурсов шины (арбитража). Состав и конфигурация линий этой шины зависят от структуры управления интерфейсом.

Различают децентрализованную и централизованную структуры управления. В интерфейсах, предназначенных для объединения толь­ко двух устройств (соединение типа «точка – точка»), шина передачи управления отсутствует.

Шина прерывания применяется в основном в машин­ных интерфейсах мини- и микроЭВМ и программно-модульных сис­тем. Основная ее функция – идентификация устройства, запраши­вающего сеанс обмена информацией. Идентификация состоит в оп­ределении контроллером (процессором) исходной информации о запрашиваемом устройстве. В качестве информации об устройстве используется адрес источника прерывания либо адрес программы обслуживания прерывания (вектор прерывания).

Шина специальных управляющих сигна­лов включает в себя линии, предназначенные для обеспечения ра­ботоспособности и повышения надежности устройств интерфейса, К этим линиям относятся линии питания, контроля источника пи­тания, тактирующих импульсов, защиты памяти, общего сброса, контроля информации и т. и.

Для обеспечения информационной совместимости необходимо реализовать ряд основных функций интерфейса:

1) селекцию ин­формационного канала;

2) синхронизацию обмена информацией;

3) координацию взаимодействия;

4) буферное хранение информации;

5) преобразование формы представления информации.

Первые три функции выполняет канал управления, четвертую ипятую – информационный канал. Рассмотрим особенности логи­ческой и схемотехнической реализации указанных функций в ти­повых интерфейсах, используемых в ВС и локальных сетях массо­вого применения.

Управление операциями селекции выполняется централизован­но и децентрализовано.

Рассмотрим возможные варианты реализации селекции при централизованном управлении.

Временная селекция магистрали на основе генератора времен­ных интервалов контроллера(рис. 4,а). Вэтомслучае магист­раль предоставляется каждому устройству через равные промежут­ки времени, определяемые скоростью работы генератора, а моменты занятия магистрали определяются двоичными счетчиками, синхрон­но работающими в каждом из подключаемых устройств. Такое реше­ние обеспечивает правило приоритетного обслуживания «первый пришел – последний обслуживается».

Пространственная селекция на основе последовательного адресно­го сканирования источников запроса(рис. 4,б). Выбор источ­ника запроса начинается по общему сигналу запроса и выполняется последовательно кодовой адресацией всех подключаемых устройств в соответствии с принятым правилом обслуживания. При обнару­жении источника запроса устанавливается сигнал «Занято» и даль­нейшая выдача адресов прекращается. После обслуживания дан­ного запроса возобновляется поиск следующего источника. Основное достоинство данного варианта – гибкость в реализации правил обслуживания. Основной недостаток — низкое быстродействие.