Мать-героиня. Как устроена современная системная плата

В этом номере “Игромании” стартует цикл статей, посвященных анатомии компьютерного железа. Материнские платы, видеокарты, процессоры и винчестеры… как они устроены? Почему работают? Что у них внутри? Словом, будем говорить о том, что полагается знать каждому порядочному железячнику. А начнем с обзора современных системных плат, в котором окинем пытливым взором их устройство, различные форм-факторы и основные интерфейсы. Размер имеет значение! Все существующие материнки можно классифицировать по одному существенному признаку — форм-фактору. Форм-фактор определяет геометрические размеры, расположение компонентов, тип питания, а также корпус, в который может быть установлена системная плата. Самыми древними в этом отношении выступают платы стандарта AT. В зависимости от их размеров различают:

Вот так будут выглядеть платы спецификации BTX 1.0.
обычные АТ (280x220 мм), 3/4 АТ (230x220 мм), 1/2 Baby АТ (190x220 мм), 2/3 Baby АТ (245x220 мм), 3/4 Baby АТ (270x220 мм). На ступень выше расположены платы спецификации ATX. По аналогии с AT-платами ATX бывает нескольких видов: Full ATX , Mini ATX , Micro ATX и Flex ATX. Из них наибольшее распространение получили два — Full и Micro ATX. Причем на сегодняшний день б о льшая часть продаваемых компьютеров базируется на платах Micro ATX. Сейчас уже очевидно, что стандарт ATX слишком велик. И необходимость в переходе к новому форм-фактору системных плат — отнюдь не прихоть или каприз производителей. Причина тому — появление новых шин и интерфейсов, которым попросту неуютно в узких рамках нынешних спецификаций ATX. Кроме того, давным-давно изменились требования к температурному режиму систем, габаритам корпусов и их шумовым характеристикам. Все это скопище проблем подталкивало разработчиков на проектирование форм-фактора нового поколения. И вот момент настал: минувшей осенью появились финальные спецификации системных

Вся семейка нового форм- фактора BTX.
плат форм-фактора BTX (Balanced Technology Extended; подробно о новом форм-факторе мы писали в январском номере “Игромании” ). В настоящее время разработано несколько разных модификаций BTX. По сути, их главное отличие кроется в ширине платы: ширина стандартного BTX чуть больше, чем у ATX, — 325,12 мм; ширина microBTX —264,16 мм; низкопрофильный picoBTX — всего 203,20 мм. Рассмотрим ряд важнейших преимуществ форм-фактора BTX: - поддержка низкопрофильных системных плат (microBTX и picoBTX); - оптимизированное расположение компонентов на плате; - поддержка новых шин и интерфейсов; - продуманная вентиляция системы; - возможность применения миниатюрных блоков питания; - надежная структура крепления плат.

Внешний вид Thermal Module.
Немаловажно отметить еще одно ключевое нововведение: в спецификации BTX устройства охлаждения именуются “модулями термического баланса” — Thermal Module. Скорее всего, под этим термином подразумевается комплект из системы охлаждения процессора и направляющих для потока воздуха внутри корпуса. В спецификации BTX им отводится главная роль в охлаждении жизненно важных компонентов системы. Топология платы Вне зависимости от своего размера любая материнская плата несет на борту стандартный набор элементов: массу всяческих контроллеров, интерфейсов, стабилизаторов и чипов. Попробуем в этом разобраться. Плотью и кровью любой материнской платы является ее чипсет. Иногда чипсет называют набором системной логики , но, по сути, это одно и то же. Обычно чипсет представляет собой набор разнообразных микросхем, соединенных в один — а чаще в два — кремниевых чипа. Именно здесь определяется весь спектр характеристик, а также производительность нашей “матери”. В классическом варианте чипсет состоит из двух основных контроллеров: северного и южного мостов. Эти термины были приняты среди изготовителей чипсетов материнских плат довольно давно. Тем не менее некоторое время спустя корпорация Intel с легкой руки переименовала упомянутые мосты в хабы. Получился самый настоящий винегрет: в то время как интеловские чипсеты объединяются хабовой архитектурой, системная логика от сторонних производителей по-прежнему состоит из двух мостов. Хотя, сказать по правде, мало что изменилось: интеловские хабы по старинке именуют мостами. Для справки Термины “северный и южный мосты” сложились исторически. По сути, они означают расположение контроллера относительно шины PCI: северный мост находится выше, а южный — ниже. Почему “мост”? Все просто! Название чипсетов произошло от их назначения: северный и южный мосты служат для связи различных шин и интерфейсов.
__ **_

_Классическая реализация чипсета с двумя мостами.__Однако не будем отходить от темы. Как мы уже говорили, чипсет состоит из двух взаимосвязанных контроллеров — мостов. Северный мост несет на себе функции управления системной памятью, графической подсистемой компьютера (будь то встроенное графическое ядро или внешняяAGP**-видеокарта — неважно), а также обеспечивает связь всех компонентов системы с процессором. Или, проще говоря, выступает в роли связующего звена между процессором, оперативной памятью, видеокартой и южным мостом. В свою очередь, юг чипсета призван обеспечить работу более медленных и менее важных компонентов системы. Обычно в состав южного моста входят контроллеры шиныPCI, шиныUSB,RAID-массивов, интерфейсовSATAиPATA. Плюс ко всему не стоит забывать об интегрированных сетевых и аудиоконтроллерах, которые также умещаются под кремниевой оболочкой южного моста. Думаю, разница в строении “полюсов” чипсета ясна как день. Непонятно лишь одно: зачем понадобилось разделять чипсет на две части? Ответ прост. Во-первых, северный мост работает гораздо быстрее южного, а потому логично вынести его в отдельную микросхему; во-вторых, реализация всего количества контроллеров на одном кристалле влетела бы производителям в копеечку.

Одночиповое решение на примере NVidia nForce3 150.
В наши дни 64-битной архитектурой процессора уже никого не удивишь. И уже сейчас можно смело сказать, что в ногу с тотальной 64-битностью (в первую очередь это касается процессоров от AMD, хотя Intel тоже не собирается отставать) в нашу жизнь войдут чипсеты нового поколения, которые будут использовать форм-фактор BTX и шину PCI Express. Уже сегодня мы имеем вполне реальный тому пример — набор системной логики NVidia nForce3 150. Именно в этом чипсете северный и южный мосты объединены в одну микросхему. Почему так произошло? Попробуем объяснить, что называется, на пальцах. Одна из важнейших особенностей архитектуры Athlon64 состоит в том, что отныне контроллер памяти интегрирован в ядро процессора. Подобная хитрость позволяет процессору напрямую работать с

Так выглядит типичный герой нашей статьи.
памятью компьютера. Однако мы знаем, что работа с памятью — прямая обязанность чипсета материнской платы, а точнее, ее северного моста. Получается, что необходимость разделения чипсета на две части (быструю и медленную) отпадает сама собой. Но, сказать честно, не все производители решились на столь радикальные преобразования. Возьмем хотя бы свежеиспеченный чипсет от VIA Technologies K8T800 , который, в отличие от nForce3, построен по классической схеме с разделением на северный и южный мосты. Какая идеология будет более жизнеспособной, покажет только время. Мы же не будем заострять на этом внимание и, разобравшись в этом вопросе, пойдем дальше. Помимо чипсета с большим алюминиевым радиатором, на поверхности рядовой материнской платы можно обнаружить так называемый BIOS (Basic Input/Output System; см. также наш “Словарь железячника” ). Или, точнее, маленькую микросхему, в которой и находится программная среда BIOS. Зачем материнской плате нужен BIOS? Ответим: для того, чтобы компьютер смог разобраться в подключенных к нему устройствах и загрузить операционную систему. Иными словами, программа BIOS загружается из специально отведенного участка памяти CMOS и предоставляет информацию для корректного запуска операционной системы. Компактность vs. скорость Сегодня людям не нужны громоздкие внутрикомпьютерные конструкции — на первое место выходят миниатюризация и снижение шума. Под эгидой этого принципа родился новый миниатюрный форм-фактор материнских плат ITX , который был спроектирован исключительно для платформы VIA EPIA. Основное преимущество EPIA заключается в компактных размерах платы и низком энергопотреблении. Главный же и, по сути, самый значительный ее недостаток — платформы на основе EPIA обладают очень низкой производительностью. Однако производитель с уверенностью отвечает, что в обозримом будущем платформа EPIA будет иметь богатый спектр возможностей в сочетании с высокой производительностью. Кроме того, представители VIA утверждают, что EPIA смогут заменить настольные ПК в завтрашних домах и офисах. Что же, поживем — увидим… ___Сравнение ATX с другими форматами _ Размеры платы ATX Micro ATX Flex ATX Mini ITX
Максимум, мм 305x244 244x244 229x191 170x170
Относительно ATX, % 100 80 59 39
__ Также на любой “мамке” присутствует масса всяческих разъемов, конденсаторов, стабилизаторов, слотов и перемычек. Начнем, пожалуй, с простых и незамысловатых разъемов. Порты для мышки и клавиатуры, последовательные и параллельные, а также USB-порты — все это подпадает под общее и всеобъемлющее слово “разъем”. Для удобства восприятия разъемы окрашены в разные цвета. Например, одинаковые по конструкции порты PS/2 для мышки и клавиатуры, как правило, окрашены разными цветами. По аналогии с портами в разные цвета также окрашиваются и слоты расширения, находящиеся непосредственно на поверхности материнской платы. Обычно группа слотов PCI имеет один цвет, графический порт AGP — другой, слоты памяти — третий. В один из таких слотов можно установить видеокарту, а в другой — память. Однако разные компоненты системы — такие как процессор, память и видеокарта, — работают на разных уровнях напряжения. И, как следствие, для стабильной работы всего спектра устройств необходим специальный регулятор напряжения. На данный момент на всех материнских платах присутствует автоматический модуль регуляции напряжений VRM (Voltage Regulator Module). Именно за счет этого оверклокеры повышают напряжение на своих процессорах, а впоследствии разгоняют их. Хотя не каждый оверклокер знает, что чрезмерно большое напряжение может повредить процессор. Потому как скачки напряжения, а в особенности повышенного, могут вывести процессор из строя. Уберечь чудо инженерной мысли от его величества случая помогают специальные конденсаторы, которые обеспечивают ровный поток напряжения на плате . Это очень важно потому, что потребление энергии процессором может меняться мгновенно — от низкого к высокому и наоборот. Словарь железячника BIOS (Basic Input/Output System) — основная система ввода/вывода. Программное обеспечение низкого уровня, необходимое для загрузки компьютера. По сути, BIOS содержит коды управления клавиатурой, экраном, дисководами, последовательной связью и другими первоочередными функциями. CMOS — память хранения параметров BIOS, необходимых для загрузки компьютера. Эти параметры хранят информацию о типе дисководов, количестве памяти, а также время и календарную дату. FSB (Front Side Bus) — внешняя (системная) шина, связывающая центральный процессор с чипсетом (в частности, с северным мостом) на материнской плате. Контроллер IDE — шинная технология, позволяющая подключать винчестеры и CD/DVD-приводы. Контроллер Serial ATA (SATA) — устройство, позволяющее подключать винчестеры стандарта Serial ATA. Контроллер RAID — позволяет объединить два или иногда четыре жестких диска в дисковый массив для обеспечения большей скорости работы или же большей надежности. Порты USB — разъемы, позволяющие подключать периферию: джойстики, мыши, принтеры, сканеры, носители информации и т.п. В большинстве современных плат уже имеются порты стандарта USB 2.0 с пропускной способностью 480 Мбит/с. Роадмэп (от англ. road — “путь”, map — “карта”). В действительности значений у этого термина масса. Между тем в нашем материале роадмэп можно перефразировать так: схема разводки элементов материнской платы. Сетевой контроллер — вариант сетевой карты, встроенной в чипсет или реализованной прямо на материнской плате. Позволяет подключаться к сети Ethernet (10 или 100 Мбит/с). Удобен для домашних и офисных сетей. В некоторых материнках контроллер позволяет подключиться также к сети Ethernet со скоростью 1 Гбит/с. В самых современных платах иногда встречаются контроллеры Wi-Fi , позволяющие подключать устройства для беспроводной работы в сети. Слот AGP — позволяет подключить внешнюю видеокарту. На сегодняшний день распространены AGP 4X (1,07 Гб/с) и 8X (2,1 Гб/с). Цифра в обозначении определяет скорость передачи данных. Слот 8X обратно совместим с AGP 4X, но может спровоцировать серьезные проблемы при использовании AGP 2x (533 Мб/с) и 1x (266 Мб/с) видеокарт. Слоты PCI — места для установки карт расширения: модемов, сетевых карт, SCSI-контроллеров и т.п. По спецификации ATX на плате их должно быть пять, но если плата малоформатная — то меньше. Форм-фактор — это, по сути дела, стандарт, определяющий размеры материнской платы, места ее крепления к корпусу, расположение интерфейсов шин, портов ввода/вывода, процессорного гнезда и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания.
__ Гляди, работает! В завершение нашего материала попытаемся понять принцип работы материнской платы. Выясним, какими путями, а главное — откуда и куда идут потоки информации в наших компьютерах. Итак, представим себе программу, которой требуется отобразить на экране некий ландшафт в 3D. Первым шагом программка затребует необходимые для этого файлы и библиотеки. После этого процессор перенаправит их с жесткого диска по путям южного и северного мостов напрямик в оперативную память компьютера. Дальше программка решит создать модель будущего ландшафта, черпая информацию из оперативной памяти и подкрепляясь недостающими данными с жесткого диска. То есть, в переводе на общедоступный язык, к процессору устремится два потока данных — из памяти и с жесткого диска. Дальше — больше. Наша программа решит прорисовать рассчитанную модель ландшафта и отправит необходимую информацию видеокарте. Само собой, с жесткого диска придется подгрузить необходимые текстуры, а это уже третий поток информации. Конечно, в результате долгожданная картинка на экране все-таки прорисуется, но за какое время это произойдет — на 50% зависит от скоростных характеристик материнской платы. Как можно убедиться, все компоненты компьютера сильно связаны не только друг с другом, но и с материнской платой. Даже если у вас будет мощный процессор, 1 Гб DDR SDRAM-памяти, видеокарта за 500 у.е. и RAID-массив с двумя HDD Serial ATA, но при этом устаревшая материнская плата — все эти чудеса технической мысли окажутся не при деле. Если вы хотите получить от компьютера максимальную производительность, в первую очередь обратите внимание на материнскую плату. Но при этом не стоит забывать, что система должна быть сбалансирована в целом. Каждый компонент вносит свой, весьма заметный вклад в общую мощность вашего РС. И все же, если вы решили апгрейдить систему постепенно, в первую очередь купите хорошую материнскую плату. А потом докупайте к ней все остальное. В награду вы получите высокую производительность и надежность системы в целом.