Plyty Główne.doc

PŁYTY GŁÓWNE

1. Wstęp

Płyta główna - podstawowy komponent współczesnego mikrokomputera typu IBM PC, zawiera zasadnicze elementy architektury systemu, takie jak:

§         procesor,

§         pamięć RAM,

§         pamięć stała EPROM zawierająca BIOS

§         układy obsługujące magistralę: PCI, AGP,

§         kontolery: UDMA, USB, klawiatury             

W języku angielskim nazwy takie jak motherboard, main board, system board czy planar są stosowane zamiennie i oznaczają płytę główną. Nazwy system board czy planar są stosowane przez niektórych producentów komputerów, np. przez firmę IBM

      Właśnie od płyty głównej a dokładniej od zastosowanych w niej komponentów zależy stabilność oraz szybkość działania całego systemu.            

2. Format płyty głównej

Płyty główne mogą być w kilku różnych formatach. Format płyty głównej oznacza wymiary i rozmiar płyty, a także decyduje o rodzaju obudowy, do jakiej pasuje płyta. Spotyka się następujące typy płyt głównych:

- Systmy oparte na wymiennych kartach (backplane)

- Płyta AT "pełnowymiarowa"

- Baby-AT

- Płyty niestandardowe

- LPX

- ATX

- NLX

2.1 Format AT-X (porównanie ze starszym AT)

Ostatnim etapem ewolucji płyt głównych jest format ATX, który łączy w sobie najlepsze cechy Baby-AT i LPX, a oprócz tego posiada szereg dodatkowych usprawnień. Format ATX przypomina płytę Baby-AT umieszczoną prostopadle w obudowie, różni się jednak od niej sposobem umieszczenia zasilacza i wyprowadzenia napięcia zasilania. Płyta ATX jest niekompatybilna. Najważniejszą informacją dla początkujących użytkowników płyty ATX jest brak fizycznej kompatybilności płyty z formatami LPX i Baby-AT. Płyta LPX musi być zamontowana w specjalnej obudowie, wymaga także innego typu zasilacza. Nowe obudowy i zasilacze są obecnie powszechnie stosowane w wielu nowych komputerach.

Oficjalnie format ATX został ogłoszony w czerwcu 1995 r. jako tzw. specyfikacja otwarta. Najnowsza wersja 2.01 specyfikacji ATX została opublikowana w styczniu 1997 roku. Płyta ATX została szczegółowo udokumentowana przez firmę Intel, tak więc producenci komputerów mogą ją wykorzystywać w swoich produktach. Dzisiaj płyty ATX są najpopularniejsze na rynku i to właśnie je należy polecać wahającym się nabywcom (jeżeli takowi by się znaleźli). Płyta ATX przewyższa płyty Baby-AT i LPX pod wieloma względami:

Ø       Gniazdka na płycie umieszczone w dwóch rzędach. W tylnej części płyty znajduje się panel z gniazdkami interfejsów o szerokości 6,25 cala i wysokości 1,75. Dzięki temu możliwe jest umieszczenie gniazdek w taki sam sposób, w jaki są wyprowadzane na zewnątrz obudowy, bezpośrednio na płycie. Nie trzeba już łączyć kablem portów na płycie głównej z gniazdkami z tyłu obudowy, tak jak jest to rozwiązane w formacie Baby-AT.

Ø       Pojedyncze wyprowadzenie napięcia zasilania z przełącznikiem. Istne dobrodziejstwo dla tych wszystkich użytkowników, którzy zawsze obawiali się zniszczenia płyty po niewłaściwym dołączeniu wtyczek doprowadzających zasilanie na płycie Baby-AT. Na płycie ATX znajduje się jedno zaizolowane wyprowadzenie napięcia zasilania z własnym przełącznikiem. Tak więc zasilania nie da się podłączyć nieprawidłowo. Wtyczka zasilania posiada także końcówki dostarczającego płycie głównej napięcia 3,3 V, dzięki czemu nie trzeba stosować skomplikowanych regulatorów napięcia, które są podatne na uszkodzenia.

Ø       Zmienione rozmieszczenie układów procesora i pamięci. Moduły procesora i pamięci są tak rozmieszczone, że nie kolidują z żadną z kart rozszerzających i są łatwo dostępne, można więc z łatwością rozbudowywać komputer bez konieczności wyciągania kart rozszerzających, które już tkwią w gniazdach. Procesor i moduły pamięci są umieszczone obok zasilacza, który jest wyposażony w wentylator wdmuchujący powietrze w ich kierunku. Nad procesorem jest także miejsce na duży radiator.

Ø       Odmienne rozmieszczenie interfejsów na ptycie. Gniazdka stacji dysków i dysku twardego są umieszczone obok napędów, lecz nie kolidują ani z napędami dysków, ani z kartami rozszerzającymi. Oznacza to, że kable łączące napędy dysków z płytą mogą być teraz o wiele krótsze, a dostęp do gniazdek stacji dysków czy IDE jest możliwy bez wyjmowania z obudowy karty czy napędu.

Ø       Ulepszony system chłodzenia. Procesor i pamięć główna są dodatkowo chłodzone bezpośrednio przez wentylator zasilacza. Ponadto wentylator wdmuchuje powietrze do wnętrza obudowy i w ten sposób zapobiega dostawaniu się kurzu do wnętrza komputera. Możliwe jest również zamontowanie filtra powietrza na otwór wentylacyjny lub na zasilacz, przez co komputer staje się jeszcze bardziej odporny na kurz i brud z zewnątrz.

Ø       Obniżenie kosztów produkcji. W komputerze z płytą ATX nie ma plątaniny kabli, która jest w komputerze Baby-AT, nie ma regulatora napięcia - jest jedno wyprowadzenie napięcia zasilania, a kable wewnątrz obudowy są krótkie. Wszystkie te czynniki powodują obniżenie ceny nie tylko samej płyty głównej, ale i całego komputera.

Ø       Można zauważyć, że elementy stałe zamontowane w obudowie nie przysłaniają płyty głównej oraz że moduły pamięci, procesor i gniazdka napędów dyskowych są łatwo dostępne i nie kolidują z kartami rozszerzającymi. Widać również, że wentylator umieszczony w pobliżu zasilacza wdmuchuje powietrze do wnętrza obudowy, chłodząc urządzenia generujące ciepło, takie jak procesor czy moduły pamięci.

Płyta ATX jest właściwie płytą głównąBaby-AT obróconąo 90 stopni. Gniazda rozszerzeń są usytuowane równolegle do krótszej krawędzi płyty i nie kolidują z procesorem, pamięcią ani gniazdami interfejsów. Oprócz "pełno wymiarowej" płyty ATX, firma Intel opracowała także płytę mini-ATX, która pasuje do tej samej obudowy co ATX. Rozmieszczenie otworów w obudowach ATX i Baby-AT jest podobne, jednak obudowy te nie są ze sobą kompatybilne fizycznie. Zastosowanie zasilacza z Baby-AT wymagałoby użycia odpowiedniej przejściówki, natomiast standardowy zasilacz ATX jest podobny do zasilacza typu Slimline. Oczywiście, zalety formatu ATX sprawiły, że płyta ta szczególnie dobrze nadaje się do komputerów wysokiej klasy (ang. high-end).

Rozpoznajemy płytę ATX jak zwykle przyglądając się komputerowi od tyłu. Są dwie cechy pozwalające jednoznacznie odróżnić ją od innych. Mianowicie karty rozszerzeń wtykane są bezpośrednio w płytę - czyli są na niej umieszczone pod kątem 90 stopni, a porty na płycie są wbudowane w dwóch rzędach.

3. Gniazda i karty rozszerzające.

W skład płyty głównej wchodzi szereg podzespołów. Ważnymi elementami określającymi działanie płyty głównej są magistrale.

Czym jest magistrala (dla przypomnienia!!)? Magistrala jest "drogą", po której są przesyłane dane. Łączy ona co najmniej dwa elementy komputera. Istnieje cała hierarchia magistral. Komputer PC posiada przynajmniej trzy magistrale, niektóre - cztery i więcej. Hierarchię określa prędkość ich działania, Wolniejsze są przyłączone do szybszych. Każde urządzenie w systemie jest przyłączone do jakiejś magistrali, a niektóre (jak układy płyt głównych - chipset) działają jak mosty łączące je ze sobą.

Oto główne ich typy:

- Magistrala procesora. Jest to najszybsze połączenie w systemie. Jest ono przede wszystkim używane przez procesor do przekazywania informacji do i z pamięci cache oraz komunikowania się z mostkiem pomocnym (North Bridge) chipsetu. Magistrala procesora w systemach np. Pentium II pracuje z prędkością 66 lub 100 MHz i ma szerokość 64 bitów. Oczywiście obecne magistrale procesorów są szybsze.

- Magistrala AGP (Accelerated Graphics Port). Jest to 32-bitowa szyna o wysokiej prędkości - 66 MHz, stworzona przede wszystkim dla kart graficznych. Jest ona podłączona bezpośrednio do mostka północnego (North Bridge) chipsetu.

- Magistrala PCI (Peripheral Component Interconnect). Jest to 33-megahercowa, 32-bitowa magistrala znajdująca się w zasadzie w każdym systemie 486 i raczej we wszystkich komputerach klasy Pentium i lepszych. Magistrala ta jest obsługiwana przez mostek północny (North Bridge). W komputerach jest ich najczęściej cztery. Znajduje ona zastosowanie jako złącze dla kart wymagających szybkiej wymiany danych. Na przykład kart sieciowych, kontrolerów SCSI. Mostek południowy (South Bridge) jest przyłączony do tej magistrali, a do niego przyłączone są złącza USB oraz IDE.

- Magistrala ISA (Industry Standard Architecture). Jest to 8-megahercowa, 16-bitowa szyna, która po raz pierwszy pojawiła się w postaci 5-megahercowej, 8-bitowej w komputerach IBM PC, a z teraźniejszą częstotliwością - 8 MHz -w komputerze IBM AT. Jest ona bardzo wolna, ale nadal świetnie się sprawuje jako złącze dla wolnych i starszych kart rozszerzeń. Obsługuje ją mostek południowy, który jest jednocześnie jej kontrolerem oraz złączem pomiędzy szynami ISA oraz szybszymi szynami PCI. Chip Super I/O jest najczęściej przyłączony właśnie do szyny ISA. W najnowszych płytach głównych nie spotykamy już gniazd rozszerzeń ISA (nie ma potrzeby ich stosowania).

Dość często się zdarza, że mówiąc o magistrali mamy na myśli magistralą I/O, określaną także mianem gniazda rozszerzającego (ang. expansion slot bus). Niezależnie od nazwy, magistrala zewnętrzna (I/O) jest główną magistralą komputera, przez którą przechodzi większość danych. Zazwyczaj najbardziej ruchliwym połączeniem jest droga do karty graficznej.

Chipset płyty głównej można porównać do dyrygenta kierującego orkiestrą komponentów komputera, który w odpowiedniej chwili umożliwia każdemu z nich zabranie głosu, czyli uzyskanie dostępu do odpowiedniej magistrali.

Obecnie są już szybsze wersje choćby nawet AGP (8x).

3.1 Magistrala procesora.

Magistrala procesora jest połączeniem komunikacyjnym pomiędzy procesorem a chipsetem płyty głównej, konkretnie z układem North Bridge. Magistrala ta pracuje z prędkością płyty głównej, czyli zazwyczaj jest to od 66, 100 (Pentium II) i nawet  133, 166 (efektywne 266 i 333 MHz, np. Athlon XP). Jest ona używana do wymiany danych pomiędzy procesorem a pamięcią zewnętrzną cache procesora klasy Pentium. Architektura komputera jest trójpoziomowa, z najszybszym elementem komputera - procesorem - na szczycie, a magistralą ISA na dole. Różne komponenty komputera są podłączone do jednej z trzech głównych magistral. Komputery klasy Pentium posiadają zewnętrzną pamięć podręczną; pamięci te są podłączone do magistrali procesora i działają z pełną szybkością płyty głównej

Zadaniem magistrali procesora jest transfer informacji pomiędzy procesorem a otoczeniem z jak największą szybkością, dlatego też magistrala ta pracuje z dużo wyższą częstotliwością niż pozostałe magistrale w komputerze, w żadnym wypadku nie może być "wąskim gardłem" systemu. Magistrala składa się ze ścieżek przewodzących sygnały elektryczne odpowiadające danym, adresom (magistrala adresowa, danych i sterująca już została omówiona!!) i sygnałom sterującym. W komputerach z procesorem Pentium magistrala składa się z 64 linii danych, 32 linii adresowych i pewnej ilości linii sterujących.

Magistrala procesora pracuje z częstotliwością równą częstotliwości zewnętrznego sygnału zegarowego procesora. Może to być czasami mylące, ponieważ obecnie większość procesorów pracuje z wewnętrzną częstotliwością wyższą od częstotliwości zegara zewnętrznego. Np. w komputerze z procesorem Pentium 100 procesor pracuje z częstotliwością 100 MHz, lecz częstotliwość dostarczona mu z zewnątrz wynosi tylko 66,6 MHz. Procesory Pentium 133 i Pentium 166 również pracują z zewnętrzną częstotliwością 66,6 MHz, podczas gdy procesor Pentium II jest przystosowany do pracy z magistralą procesora 100 MHz. W większości nowszych komputerów rzeczywista częstotliwość procesora jest równa częstotliwości pracy magistrali procesora pomnożonej przez pewien współczynnik (zazwyczaj równy  2 ,5 lub nawet 15 itd.).

Magistrala procesora jest sprzężona bezpośrednio z końcówkami procesora i przesyła dane z prędkością jednego bitu przypadającego na pojedynczą linię magistrali w czasie jednego lub dwóch cykli zegara. Tak więc procesory Pentium, Pentium Pro czy Pentium II mogą przesłać 64 bity danych w czasie jednego cyklu zegarowego.

W celu określenia szybkości transferu danych przez magistralę procesora, należy pomnożyć szerokość magistrali danych (64 bity w przypadku procesorów Pentium, Pentium Pro i Pentium II) przez częstotliwość pracy magistrali (równą częstotliwości zewnętrznej zegara procesora). Dla procesorów Pentium, Pentium Pro i Pentium II, taktowanych zewnętrznym zegarem o częstotliwości 66 MHz i mogących przesyłać jeden bit danych przez linię magistrali w czasie pojedynczego cyklu zegarowego, maksymalny transfer wynosi 528 MB/sek. Wynika to z następującego równania:

66 MHz x 64 bity = 4 224 Mbit/sek.

4 224 Mbit/sek / 8 bitów(bajt) = 528 MB/sek.

Powyższa wartość, zwana często szerokością pasma przenoszenia (ang. bandwidth) magistrali, reprezentuje pewne teoretyczne maksimum. Rzeczywisty transfer będzie znacznie wolniejszy. Na niższą od spodziewanej wartość transferu danych mają wpływ takie czynniki jak struktura wewnętrzna układu kontrolera magistrali, struktura wewnętrzna kości pamięci oraz ich szybkość itp.

3.2 Magistrala pamięci (danych).

Magistrala pamięciowa jest wykorzystywana do przesyłania informacji pomiędzy procesorem a pamięcią RAM - główną pamięcią komputera. Jest ona przyłączona do układu mostku północnego (North Bridge). W zależności od rodzaju pamięci, jakie są zamontowane w systemie. Mostek północny będzie wymuszał na magistrali pamięciowej różną prędkość. Pamięć FPM (Fast Page Mode) oraz EDO (Extended Data Out) jest taktowana sygnałem 16 MHz, ze względu na 60-nanosekundowy cykl jej pracy. Nowsze chipsety i płyty główne obsługujące pamięć SDRAM mogą taktować pamięć z prędkością 66 MHz (15 ns) lub nawet 100 MHz (10 ns), a najnowsze obsługują DDRAM, które mogą być taktowane z prędkością 166 MHz, co daje w ich przypadku efektywne 333MHz (odczyt i zapis przy zboczu opadającym i wzrastającym).

3.3 Magistrala adresowa.

Magistrala adresowa jest częścią magistrali procesora i magistrali pamięciowej. Magistrala adresowa służy do przesyłania adresów komórek pamięci, w których znajdują się dane biorące udział w operacji przesyłu. Informacja na magistrali adresowej wskazuje precyzyjnie adres komórki pamięci biorącej udział w kolejnym przesyle. Szerokość magistrali adresowej określa także ilość pamięci, jaką procesor może bezpośrednio zaadresować.

4. Zastosowanie gniazd rozszerzających.

Magistrala zewnętrzna (wyprowadzona w gniazdach rozszerzających) umożliwia komunikację procesora z urządzeniami peryferyjnymi. Magistrala ta jest potrzebna, ponieważ komputery sprzedawane w podstawowej konfiguracji nie zaspokajają w pełni wymagań i oczekiwań osób, które je kupują. Magistrala zewnętrzna umożliwia rozszerzenie możliwości komputera poprzez dołączanie do niego dodatkowych urządzeń. W gniazdach rozszerzających umieszcza się podstawowe urządzenia, takie jak karta dźwiękowa czy karta graficzna, a także bardziej złożone, np. karty sieciowe, adaptery SCSI i inne.

5.Typy magistrali zewnętrznej.

Od momentu pojawienia się pierwszego komputera PC opracowano wiele typów magistrali zewnętrznej. Powód tej różnorodności był dość prosty: komputery pracowały wydajniej, dlatego potrzebne były coraz większe szybkości operacji wejścia/wyjścia. Potrzeba osiągnięcia większej wydajności magistrali wynika przede wszystkim z trzech powodów:

- pojawianie się coraz szybszych procesorów,

- coraz większe wymagania sprzętowe ze strony oprogramowania,

- coraz większe wymagania sprzętowe aplikacji multimedialnych,

Każda z tych trzech przyczyn wymusza konstruowanie jak najszybszych magistrali zewnętrznych. Dla wielu może być niespodzianką fakt, że wszystkie obecnie produkowane komputery mają wciąż tę samą podstawową architekturę magistrali, co leciwy komputer IBM PC/AT z roku 1984. Jednak większość z nich posiada obecnie dodatkową, szybką magistralę lokalną (local I/O bus), taką jak VL-Bus czy PCI, AGP, zapewniającą większą wydajność tym kartom, które tego potrzebują.

Jednym z powodów, dla których nowsze rozwiązania magistrali zewnętrznej tak wolno były akceptowane, była konieczność zachowania kompatybilności wstecz - która to, jak kotwica, hamowała rozwój komputerów PC. Jedną z przyczyn popularności komputera PC jest jego standaryzacja. Spowodowała ona pojawienie się tysięcy kart rozszerzających różnych producentów, często mało znanych, jednak każda taka karta została zaprojektowana jako zgodna z pierwotną specyfikacją magistrali PC. Jeżeli pojawia się nowszy komputer o lepszych parametrach, to jego magistrala musi być kompatybilna fizycznie ze starszymi typami magistrali, ponieważ w przeciwnym razie starsze karty rozszerzające stałyby się bezużyteczne. Z tego powodu technologie rozwoju magistrali będą raczej ewoluować wokół istniejących rozwiązań, aniżeli śmiało wykraczać naprzód.

Magistrale zewnętrzne można identyfikować poprzez ich architekturę. Wyróżnia się następujące architektury magistrali:

- ISA

- Micro Channel Archilecture (MCA)

- EISA

- VESA Local Bus (VL-Bus)

- PCI Local Bus

- AGP

- PC Card (poprzednio PCMCIA)

- FireWire(IEEE-1394)

- Universal Serial Bus (USB)

Różnice pomiędzy nimi wynikają głównie z ilości danych, jaka może być przesłana przez magistralę w jednostce czasu, i częstotliwości, z jaką to się odbywa. Każda z architektur magistrali jest zaimplementowana na płycie głównej poprzez układ kontrolera magistrali (chipset), połączony z magistralą lokalną procesora. Zazwyczaj ten sam chipset sprawuje kontrolę nad magistralą pamięciową.

&#x...