Компоновка материнской платы

Материнская плата содержит следующие основные компоненты:

· подсистема обработки данных;

· подсистема электропитания;

· вспомогательные (сервисные) блоки и узлы.

Основные компоненты подсистемы обработки данных материнской платы приведены на рис. 1.3.14.

Рис. ?????. Основные компоненты подсистемы обработки данных материнской платы:

1 – гнездо процессора; 2 – фронтальная шина; 3 – северный мост; 4 – тактовый генератор; 5 – шина памяти; 6 – разъемы оперативной памяти; 7 – разъемы IDE (ATA); 8 – разъемы SATA; 9 – южный мост; 10 – разъемы IEEE 1394; 11 – разъемы USB; 12 – разъем сети Ethernet; 13 – аудиоразъемы; 14 – шина LPC; 15 – контроллер Super I/O; 16 – порт PS/2;

17 – параллельный порт; 18 – последовательные порты; 19 – разъем Floppy Disk;

20 – BIOS; 21 – шина PCI; 22 – разъемы PCI; 23 – разъемы AGP или PCI Express;

24 – внутренняя шина; 25 – Шина AGP/PCI Express; 26 – разъем VGA

Тактовой генератор создает электрические импульсы заданных частот для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах. В старых материнских платах генератор создавал на выходе тактовые импульсы на основной частоте, а также на нескольких частотах, кратных основной частоте (например, в два раза большей или в два раза меньшей, чем основная частота). В современных платах используется программируемая схема генерации, при которой основная частота используется для управления работой микросхемой генератора, а выходные частоты определяются используемой микросхемой и не зависят от основной частоты.

Набор микросхем, или чипсет (chipset), определяет функциональные возможности материнской платы: тип и количество устанавливаемых процессоров, тип и объем оперативной памяти, тактовую частоту используемых шин и некоторые другие характеристики. В современных материнских платах этот набор состоит из двух микросхем (chips), называемых северным мостом и южным мостом.

Северный мост управляет совместным функционированием процессора, внутренней (оперативной) памяти, а также устройств, подключаемых к шине AGP/PCI Express (обычно это либо видеокарта AGP, либо видеокарта PCI Express).

Северный мост подключается к процессору с помощью фронтальной шины – FSB (Front Side Bus), называемой также системной шиной, а к оперативной памяти – с помощью шины памяти.

Управление взаимодействием с процессором, памятью и устройствами AGP/PCI Express выполняется с помощью контроллеров, встроенных в микросхему северного моста. В некоторых реализациях микросхем содержится также видеоконтроллер, выполняющий функции видеокарты. В этом случае дисплей можно подключить непосредственно к материнской плате, используя рассматриваемый ниже разъем VGA.

Северный мост соединяется с южным с использованием специальной внутренней шины.

Южный мост реализует, с помощью встроенных в него контроллеров, управление устройствами с интерфейсом IDE (ATA), SATA, IEEE 1394 (Firewire) и USB. Кроме того, южный мост может содержать сетевой контроллер, выполняющий функции сетевого адаптера для подключения к сети Ethernet, а также аудиоконтроллер, выполняющий функции звуковой карты, для подключения микрофона и акустической системы. Контроллеры IEEE 1394 и USB, а также сетевой контроллер и аудиоконтроллер могут быть реализованы на материнской плате в виде отдельных микросхем.

Шина LPC (Low Pin Count – с небольшим количеством контактов) фактически заменяет в современных компьютерах шину ISA. В отличие от ISA, шина имеет меньшее число контактов, однако функционирует при более высокой частоте (33 МГц вместо 8 МГц в шине ISA). К этой шине подключается микросхема BIOS, а также микросхема Super I/O, содержащая контроллеры для управления низкоскоростными устройствами, такими, как дисковод гибких дисков (Floppy Disk), а также устройствами, подключаемыми к последовательному порту, параллельному порту и порту PS/2.

Подсистема электропитания

OSPM - Operating System-directed Power Management

Рис. 1.3.14. Основные компоненты материнской платы

Компоненты материнской платы можно разделить на четыре группы:

· набор микросхем высокой степени интеграции;

· дополнительные компоненты;

· разъемы (слоты) для подключения устройств;

· вспомогательные (сервисные) блоки и узлы.

Шина LPC (Low Pin Count – с небольшим количеством контактов) фактически заменяет в современных компьютерах шину ISA. В отличие от ISA, шина имеет меньшее число контактов, однако функционирует при более высокой частоте (33 МГц вместо 8 МГц в шине ISA). Это шина предназначена для подключения низкоскоростных устройств, таких как клавиатура, мышь или дисковод гибких дисков.

Рис. ?????. Разъемы электропитания на материнской плате:

а) 20-контактный разъем для подключения к блоку питания; б) 24-контактный разъем для подключения к блоку питания; в) 4-контактный разъем напряжением 12V;

г) 4-контактный разъем для подключения вентилятора CPU; д) 3-контактный разъем для подключения вентилятора

Количество микросхем, а также набор функций, реализованных как в отдельных микросхемах набора, так и во всем наборе микросхем, существенно зависят от фирмы-производителя. Кроме того, выходят новые версии наборов микросхем с новыми возможностями и в другом конструктивном оформлении. С появлением процессоров Pentium наиболее широкое распространение получили наборы микросхем фирмы Intel, поскольку (в отличие от конкурентов) она сама разрабатывает и производит процессоры и начинает разработку соответствующих микросхем параллельно с разработкой своих процессоров.

Взаимодействие между компонентами и устройствами компьютера, подключенными к разным шинам, осуществляется с помощью мостов, реализованных на одной из микросхем соответствующего набора.

Так главный мост на рис. 1.3.2 обеспечивает интерфейс с процессором, оперативной памятью и шиной AGP (этот мост часто называют северным мостом). Главный мост связан с мостом ATA/PCI/USB (южным мостом), который, в свою очередь, обеспечивает связь с устройствами по интерфейсам PCI, ATA, Serial ATA и USB. Этот мост реализует также механизм прямого доступа в память с использованием управления шиной и интерфейс с контроллером IEEE 1394.

Контроллер IEEE 1394 управляет обменом данных между подключенными по интерфейсу IEEE 1394 устройствами и компьютером.

Микросхема контроллера Super I/O содержит контроллеры клавиатуры, гибкого диска, параллельного и последовательных портов, а также интерфейс с BIOS.

Микросхема BIOS содержит память только для чтения и память CMOS.

На некоторые материнские платы фирмы-производители устанавливают дополнительные компоненты, также реализуемые с помощью микросхем. Эти компоненты выполняют функции видеоадаптера, звуковой карты, сетевой карты и т. д., что позволяет сэкономить место в корпусекомпьютера и увеличить количество свободных слотов, а также снизить суммарную стоимость оборудования за счет интеграции. Дополнительные компоненты не исключают возможности установки соответствующих устройств (например, звуковой карты). В этом случае компонент на материнской плате просто отключается.

На материнскую плату обычно выводятся следующие разъемы:

· гнездо для подключения процессора;

· разъемы (слоты) для установки модулей оперативной памяти (количество и тип разъемов зависит от типа материнской платы);

· разъемы для подключения накопителей жестких дисков, дисководов CD и DVD по интерфейсам ATA и Serial ATA;

· разъем для подключения дисковода гибких дисков;

· разъем (слот) для подключения видеокарты по интерфейсу AGP;

· разъемы (слоты) для установки карт расширения по интерфейсу PCI и (в старых платах) по интерфейсу ISA;

· разъемы для подключения внешних устройств (рис. 1.3.15)

· разъем для подключения электропитания.

Рис. 1.3.15. Разъемы материнской платы для подключения внешних устройств

В состав материнской платы входят следующие основные сервисные компоненты:

· генератор тактовой частоты;

· аккумуляторная батарея;

· двухпозиционные переключатели.

Генератор тактовой частоты, или тактовый генератор (System Clock) синхронизирует работу различных компонентов компьютера. Минимальный промежуток времени, определяемый тактовым генератором, называют циклом. Частота работы тактового генератора FSC (Frequency of System Clock) измеряется в мегагерцах (миллион циклов в секунду).

Первые компьютеры имели один тактовый генератор, который с частотой 8 МГц синхронизировал работу процессора, памяти и шины ввода/вывода. С развитием компонент компьютера возникла необходимость в использовании нескольких тактовых генераторов. Как правило, современные компьютеры оборудованы 4-5 тактовыми генераторами, работающими синхронно на различных частотах. Когда говорят о тактовой частоте системы, то всегда имеют в виду тактовую частоту системной шины. Тактовые частоты всех остальных компонентов компьютера являются кратными частоте системной шины.

Аккумуляторная батарея обеспечивает хранение установок CMOS Setup и работу системного таймера. Следует отметить, что из-за дефектной или разрядившейся батарейки не только нарушится правильный отсчет времени, но одновременно будет потеряна и информация памятиCMOS.

Двухпозиционные переключатели обычно располагаются на материнской плате в виде одного или нескольких блоков. Значения их состояний приводится в техническом описании каждой конкретной материнской платы. Новые материнские платы настраиваются в основном с помощью CMOS Setup и имеют один или два переключателя.