Архитектура и технологии

Традиционно центральным элементом, характеризующим вычислительные возможности компьютера, является процессор, подключаемый к материнской плате посредством соответствующего разъема. Наибольшее распространение нашли разъемы следующих типов: для процессоров Pentium, Pentium ММХ и аналогичных — Socket 7, для процессоров Celeron, Pentium II, Pentium III в зависимости от их испол­нения — Slot 1 или Socket 370, для процессоров Pentium II Xeon, Pentium III Xeon — Slot 2, для процессоров типа AMD Athlon, AMD Duron, AMD ThunderBird - Slot А или Socket А. При этом с увеличением доли процессоров, подключаемых через разъемы типа Socket, наращивается выпуск соответствующих материнских плат.

Преемственность технологий и возможность модернизации компьютеров, созданных на основе материнских плат с разъемами Slot 1/Slot А, обеспечивается за счет использования соответствующих Socket-процессоров с помощью специальных плат-переходников. Промышленность выпускает широкий спектр таких переходников различной сложности и стоимости (от $6).

Совместимость разных технологий с использованием специальных переходников применяется и для модулей памяти. Так, например, выпущены платы-переходники для использования стандартных модулей памяти DIMM SDRAM в системах с модулями RIMM памяти DR DRAM. Такие платы с модулями DIMM устанавливаются в слоты RIMM соответствующих материнских плат.

Следует отметить, что использование специализированных плат и слотов является стандартным способом организации компьютерных систем, наращивания их функциональных возможностей и последующей их модернизации.

Для подключения к материнской плате дополнительных плат (плат расширения) используются разъемы шин PCI, ISA, AGP и другие. Это существенно облегчает процесс сборки и последующей модернизации компьютера, так как необходимо только установить или заменить требуемую дополнительную плату. Данные операции требуют аккуратности, осторожности и определенной квалификации. Иногда возникают проблемы совместимости, связанные с конфликтами нескольких устройств. И вследствие этого они могут либо работать некорректно, либо вообще отказаться функционировать. Как правило, в подобных случаях проблемы несовместимости стараются решить на программном уровне выполнением специфических операций настройки соответствующих программных модулей. В случае неудачи программной настройки эти проблемы приходится решать путем замены конфликтных плат.

Проблем несовместимости обычно лишены материнские платы с высокой степенью интеграции, в которые уже встроены контроллеры, необходимые для корректной работы системы. На подобных платах сосредоточены все основные элементы, необходимые для полноценной работы компьютера. Как правило, это контроллеры жестких и гибких дисков, различные контроллеры портов, а часто и видеоадаптер, средства поддержки локальной сети и т. д. На некоторых материнских платах расположены даже аудиосредства. Более того, часть подобных средств интегрированы в состав современных чипсетов, например таких, как i810, i810E, VIA Apollo MVP4, VIA Apollo PM601, SiS 540, SiS 630 и т. п. Платы, созданные на основе подобных чипсетов, очень по­пулярны, так как они отличаются низкой ценой и у них отсутствуют конфликты устройств.

Однако возможности модернизации систем, в составе которых используются высокоинтегрированные материнские платы, крайне ограничены. Кроме того, как правило, уровень функциональных возможностей и производительность встроенных средств значительно ниже, чем у средств аналогичного назначения, созданных в виде отдельных устройств. Особенно это касается тех, чье развитие приводит к частым сменам поколений и выпуску новых устройств с улучшенными параметрами. К подобным устройствам относятся, например, видеоадаптеры и в какой-то степени аудиосредства. А вот некоторые средства стали неотъемлемой частью всех материнских плат, в первую очередь это контроллеры жестких и гибких дисков, подключение которых осуществляется непосредственно на материнской плате.

Современные материнские платы поддерживают стандарт, названный Bus Mastering. Это означает, что внешнее устройство способно самостоятельно, практически без участия процессора, управлять шиной: пересылать данные, выдавать команды и сигналы управления. На время обмена устройство становится главным, или ведущим (master), устройством. Процессор в это время может выполнять другие функции, решать другие задачи и т. д. Частным случаем Bus Mastering является режим DMA, который осуществляет внепроцессорную пересылку данных.

Средства, осуществляющие высокоскоростную передачу данных с дисководами в режимах DMA — UltraDMA/33 (33 Мбайт/с), UltraDMA/66 (66 Мбайт/с) и даже Ultra-DMA/100 (100 Мбайт/с), стали необходимым атрибутом современных материнских плат и реализуются либо в составе чипсетов, либо встраиванием в материнскую плату в виде отдельных микросхем.

В дополнение к ставшим стандартными IDE-интерфейсам в архитектуре некоторых материнских плат, относящихся к верхней ценовой категории, нередко используются контроллеры интерфейсов SCSI. И если совсем недавно это были протоколы Ultra SCSI и Ultra2 SCSI, обеспечивающие скорость передачи информации до 80 Мбайт/с, то в новейших разработках - это уже Ultra3 SCSI (Ultral60 SCSI). Поддержка этого протокола позволяет достичь скорости в 160 Мбайт/с.

Кроме интерфейсов IDE и SCSI современные материнские платы обеспечивают поддержку высокоскоростных последовательных шин. Для большинства плат это шина USB, удовлетворяющая спецификации USB 1.0, со скоростью передачи информации 12 Мбит/с, но уже в конце 2000 года ее постепенно начнет вытеснять шина USB улучшенного стандарта — USB 2.0 со скоростью передачи информации 480 Мбит/с. Успех шины USB во многом определяется бесконфликтным подключением до 127 периферийных устройств, номенклатура и производство которых постепенно расширяются, возможностью подключения и замены устройств без отключения питания.

Альтернативой шины USB является шина IEEE1394 (Fire-Wire) со скоростью передачи информации 400 Мбит/с. Материнских плат и устройств, поддерживающих этот тип шины, сравнительно немного, но выпуск их постепенно увеличивается. Во многом это связано с перспективой развития этого стандарта, ожидается увеличение скорости до 800, 1600 и 3200 Мбит/с.

Со времени появления компьютеров видеоадаптеры претерпевали непрерывное развитие. В результате сложность видеочипсетов приближается к сложности процессоров, а архитектура видеоадаптеров с видеопамятью, шипами, BIOS и т. д. во многом напоминает архитектуру материнской платы компьютера, в составе которой используется чипсет с контроллером, поддерживающим работу шины AGP, — контроллер AGP.

Контроллер AGP чипсетов большинства современных материнских плат обеспечивает поддержку режимов работы AGP 1X/2X. Однако в связи с тенденцией роста информационных потоков в состав наиболее совершенных чипсетов входят контроллеры, поддерживающие режимы AGP 1X/2Х/4Х соответствующих плат видеоадаптеров.

Высокопроизводительные видеоадаптеры, как правило; обладают не только большой вычислительной мощностью, но и характеризуются большими уровнями энергопотребления. В результате в материнских платах высокого класса вместо порта AGP стал применяться порт AGP Pro. В слоте порта AGP Pro, кроме стандартных для AGP контактов, предусмотрены дополнительные 48 контактов электропитания.

В соответствии со спецификацией AGP Pro определены два типа плат с разным уровнем энергопотребления: AGP Pro 110 - до 110 Вт и AGP Pro 50 - до 50 Вт.

Стандартные платы AGP-видеоадаптеров обладают совместимостью с разъемами AGP Pro. Однако платы AGP Pro не могут использоваться в материнских платах со стандартными слотами AGP (см. рис. 2.1).

Рис. 2.1. Подключение видеоадаптера AGP к слоту AGP Pro

Нововведения в архитектуре материнских плат коснулись не только видео, но и звука. Современные чипсеты могут иметь встроенные средства поддержки звуковых функций, удовлетворяющие спецификации АС'97. Эта спецификация предусматривает разделения звукового контроллера на две части, соединенные интерфейсом AC'97 Link. Первая - цифровая. Она обеспечивает связь с процессором и контролирует соответствующие цифровые потоки. Вторая — аналоговая. Эта часть участвует в цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразованиях и отвечает за ввод и вывод аналоговых сигналов. Цифровая часть обычно встраивается в микросхему North Bridge чинсета, а аналоговая может быть выполнена на специальной плате AMR (Audio Modem Riser Card — плата расширения, обеспечивающая функции звука и модема). На этой же карте может быть размещена сравнительно простая аналоговая часть модема. Плата стоимостью 10-15 долларов США вставляется в специальный слот AMR (см. рис. 2.2). Такая организация поддержки звуковых функций и модема позволяет снизить общую стоимость системы мультимедийного компьютера. Однако большинство про­изводителей предпочитают размещать аналоговую часть, представленную соответствующей микросхемой — кодеком, непосредственно на самой материнской плате, чем достигают еще большего снижения стоимости.

Рис. 2.2. Подключение платы AMR

Альтернативным решением для AMR является использование платы-расширителя сети и коммуникационных каналов CNR (Communications and Networking Riser). Спецификация CNR предусматривает поддержку аналогового модема, обеспечивающего связь по протоколу V.90, многоканального звука, а также сетевых функций (Phoneline, 10/100 Ethernet networking и т. п.). При этом сетевые функции поддерживаются с помощью встроенного сетевого адаптера (LAN) и устройства работы с домашними телефонными линиями (Home Phoneline Network Association, HPNA). Плата CNR вставляется в соответствующий одноименный слот на материнской плате (см. рис. 2.3).

Рис. 2.3. Подключение платы CNR

Следует отметить, что качество, обеспечиваемое встроенными средствами поддержки звука АС'97, не является высоким, поэтому в архитектуре многих материнских плат предусмотрено отключение этих средств и использование стандартных звуковых плат на шине PCI. Это позволяет расширить область применения конкретных материнских плат. Для офисного компьютера, где не требуется высокого качества звука, можно использовать встроенные средства АС'97, а для приложений, требующих высокого качества звука, применяется отдельная звуковая PCI-плата. Подобная организация, сочетающая возможности использования интегрированных и внешних устройств, характерна для архитектуры современных материнских плат, в чипсеты которых встраивают все новые и новые средства, расширяющие функциональные возможности и повышающие надежность работы.

Рис. 2.4. Схема мониторинга аппаратных средств

Одним из средств, повышающих надежность эксплуатации компьютера, является аппаратный мониторинг — контроль основных параметров системы, например таких, как температура процессора и среды внутри корпуса, ряд напряжений питания, число оборотов охлаждающих вентиляторов и т. д. (см. рис.2.4). До недавнего времени это достигалось с помощью интегрирования в архитектуру материнской платы специальных микросхем. Однако постепенно средства аппаратного мониторинга становятся обязательным атрибутом структуры чипсетов, например таких, как i810, i820, VIA Apollo Prol33A с микросхемой VT82C686A в качестве South Bridge и т. д.

Еще одной важной характеристикой материнских плат является возможность изменения параметров, определяющих режимы работы основных подсистем. Для современных материнских плат характерна автоматическая установка всех параметров, необходимых для корректной работы комплектующих, например таких, как процессор, память, видеоадаптер и.т. д. Тем не менее, для значительной части материнских плат существует возможность изменения некоторых параметров. В основном это касается изменения параметров работы процессора: частоты шины процессора (FSB) и уровней питающих напряжений. От диапазона и шага изменения уровней напряжений, определяемых типом используемой микросхемы регулятора напряжений VRM (Voltage Regulator Module), а нередко дополнительно и версией BIOS, зависит не только точность настройки системы на максимальную производительность в режимах разгона (overclocking), но и возможность использования разных типов процессоров: Celeron, Pentium II, Pentium III. Это связано с тем, что разные типы процессоров требуют разных уровней питающих напряжений. Например, для Pentium III с ядром Katmai напряжение питания ядра составляет 2,0 В, а для Pentium III с ядром Coppermine требуется 1,65 В. И если VRM не обеспечивает необходимого уровня напряжения ядра, то соответствующий тип процессора, а, как правило, это наиболее совершенные, новейшие модели, не может использоваться с данной материнской платой. Обычно эти данные приводятся в сопровождающей технической документации или на сайтах в Интернете. А изменяются значения частоты и напряжений питания ядра процессора либо с помощью соответствующих перемычек и переключателей, либо в BIOS Setup. Нередко в целях повышения стабильности работы компьютера предоставляется возможность изменения напряжения 3,3В, подаваемого на микросхемы оперативной памяти и чипсета. Более того, нередко производитель изначально устанавливает повышенный уровень электропитания для данных элементов. Так часто поступает, например, фирма ASUSTeK в ряде своих материнских плат.

Рассматривая возможность корректировки основных параметров, таких как частота шины процессора и уровней напряжения электропитания, нельзя не коснуться частотных коэффициентов. Обычно это и коэффициент внутреннего умножения частоты, и делители частоты для шин AGP и PCI. Необходимые значения этих коэффициентов устанавливаются автоматически. Но в случае установки нестандартных режимов, например, для повышения производительности за счет использования режимов разгона, может потребоваться изменение их значений.

Первый из приведенных коэффициентов остался с тех времен, когда его значение еще можно было изменять. Но в настоящее время в целях борьбы с фальсификациями маркировки процессоров эти коэффициенты являются фиксированными и изменению не подлежат. Их установленные значения в BIOS Setup игнорируются. Что касается коэффициентов AGP и PCI, в соответствии с которыми осуществляется деление частоты шины процессора для получения значений частот для шин AGP и PCI, то изменение их величин предусмотрено архитектурой материнской платы и поддержано соответствующими средствами.

Важным направлением развития архитектуры и аппаратно-программных средств является поддержка режимов энергосбережения. Практически все современные материнские платы поддерживают различные режимы уменьшения энергопотребления. Это могут быть платы, удовлетворяющие широко распространенному стандарту Energy Star. Часто элементы, соответствующие рекомендациям этого стандарта, имеют пометку Green.

Для снижения энергопотребления нередко чипсет и BIOS платы поддерживают снижение частоты процессора, отключения жесткого диска и монитора при перерывах в работе. Однако необходимо отметить, что отношение специалистов к подобным режимам неоднозначно. Связано это с тем, что частые отключения монитора или жестких дисков, достигающие многих десятков раз в сутки, снижают надежность и ресурс функционирования при незначительной экономии энергоресурсов. Тем не менее, технологии и средства, связанные с реализацией энергосберегающих программ, являются популярными в среде разработчиков и пользователей. Более того, их развитие нередко приводит к значительному расширению функциональных возможностей и улучшению потребительских свойств компьютеров. В качестве примера подобных средств и технологий можно привести: ACPI, АРМ, Wake-On-Modem, Wake-On-Lan и т. п.

Дата добавления: 2015-07-25