Схемотехника системной платыТрадиционно сложилось так, что основные функции системной платы обеспечивают логические элементы, интегрированные в одной-двух микросхемах, образующих набор микросхем системной логики. НМСЛ для настольных компьютеров в большинстве случаев реализованы в двух микросхемах. Одна из них, традиционно называемая северным мостом, отвечает за поддержку системной шины, шины памяти и шины графического контроллера. Вторая микросхема, традиционно называемая южным мостом, поддерживает интерфейсы накопителей, устройств ввода-вывода и шины для подключения мультимедиа и периферии. В качестве примера рассмотрим схемотехнику системной платы Intel D925XECV2. Северный мост — это микросхема 82925ХЕ Memory Controller Hub (MCH). Северный мост имеет контроллер системной шины GTL+ с эффективной частотой 533/800/1066 МГц (физическая частота 133/200/266 МГц), которая подключена к разъему LGA775 для процессоров Pentium 4. Шина имеет 32-битную систему адресации, оснащена буфером очередности глубиной 12 команд. В системной шине используется технология дифференциальных сигналов, благодаря которой удалось добиться столь высоких рабочих частот. Известно, что при уменьшении напряжения питания цифровым устройствам становится трудно отличать высокий уровень сигнала от низкого. Если разница между +5В и 0В распознается без особых проблем, то при величинах 1,2В и 0В сделать это намного труднее. В дифференциальной шине осуществляется "вычитание" двух величин напряжения, а результат используется как значение сигнала.
Схемотехника системной платы SMBus Шина управления системой Процессоры Pentium 4 используют системную шину GTL+ (Gunning Transceiver Logic логический приемопередатчик) с технологией тактирования Quad Pumped Bus. Шина GTL+ работает с двумя сигналами: BCLK и инверсным BCLK#, рассматривая тактовый импульс как разность между этими сигналами. Данные по шине передаются с эффективной частотой 533 МГц и более, при том, что частота синхронизации шины всего 133-266 МГц. Этот эффект достигается за счет сдвига стробов данных относительно друг друга на половину периода. Синхронизация шины данных осуществляется по фронту и спаду этих стробов. То есть получается, что за один такт шины на линиях данных сигнал выставляется четырежды.На шине GTL+ используются полевые транзисторы с открытым стоком, поэтому для их работы необходимо, чтобы на концах сигнальных линий были установлены оконечные сопротивления (терминаторы). Терминаторы также нужны для предотвращения отражения сигнала. Часть линий шины имеет резисторы внутри процессора, в ядре, а часть на системной плате. У всех современных процессоров величина питающего напряжения считывается с самого процессора, и стабилизатор на системной плате обязан обеспечить требуемое значение. Для того чтобы выбрать что-то из памяти, процессор выставляет запрос BREQ0#, и, получив через некоторое время шину в свое распоряжение, устанавливает сигнал DBSY#, чем запрещает доступ к шине данных. Затем процессор указывает адрес на линиях НА[31:3]# и тип транзакции на линиях HREQ[4:0]#. Потом он устанавливает сигнал ADS#, и начинается транзакция обращения к памяти по чтению. Контроллер памяти определяет тип транзакции, преобразует адрес в физические адреса на модулях памяти и обращается к памяти по шине Memory bus. Когда данные получены из памяти и никаких ошибок не зафиксировано, контроллер памяти передает считанные данные на линии D[63:0]# и устанавливает сигнал DRDY#. Получив его, процессор считает данные на шине достоверными и принимает их с линий HD[63:0]#. После того как данные приняты, процессор снимает сигнал DBSY#. На этом транзакция завершается. Контроллер памяти поддерживает шину шириной 64 бит, два канала DDR SDRAM с эффективной частотой 400 МГц (физическая частота 100 МГц) или два канала DDR2-533. В слоты памяти можно устанавливать до четырех модулей DIMM общим объемом до 4 Гбайт. Разводка шины DDR2 очень сложна, а работа памяти на столь высоких частотах требует решения проблемы интерференции между шинами. В итоге компания Intel рекомендует удалять видеокарту из слота PCI Express 16х перед установкой модулей DIMM для исключения интерференции между шинами. Контроллер последовательной шины PCI Express 16х, интегрированный в северный мост, обеспечивает работу видеоускорителя, оснащенного данным интерфейсом. Южный мост Intel 82801FR I/O Controller Hub (ICH6-R) обеспечивает функционирование интерфейсов шин расширения, накопителей, ввода-вывода. Северный мост (МСН) и южный мост (ICH) соединены шиной Direct Media Interface (DMI). В начальный момент инициализации системы эта шина рассматривается как магистраль PCI #0. Однако сама шина PCI физически подключена к ICH. После инициализации системы магистрали PCI инициализируются контроллером PCI программно, как РСI_А, РСI_В и так далее. Логически МСН содержит два устройства PCI (физически их не существует): • устройство #0 логически рассматривается как хост MCH-контроллер памяти. Физически устройство #0 содержит стандартные регистры PCI, регистры памяти DRAM и другие специфические регистры МСН; • устройство #1 логически рассматривается как виртуальный мост PCI-PCI на магистрали PCI #0. Физически устройство #1 содержит регистры моста PCI-PCI.
Пример монтажа компонентов на системной плате
А — разъем подключения дополнительного вентилятора; В — разъем подключения ATAPI CD-ROM; С — слоты расширения PCI Express х1; D — аудиокодек; Е — разъем аудиоинтерфейсов передней панели; F — слоты расширения PCI версии 2.3; G — контроллер Marvel! Yukon 88E8050 PCI Express Gigabit Ethernet; H — слот расширения PCI Express x16; I — разъем подключения дополнительного вентилятора; J — блок тыльных разъемов интерфейсов; К— дополнительный разъем питания системной платы; L — разъем питания АТХ12V; М — разъем процессора LGA775; N — разъем подключения процессорного вентилятора; 0 — северный мост Intel 82925XE МСН; Р — слот модуля памяти DIMM Channel A; Q — слот модуля памяти DIMM Channel В; R — контроллер ввода-вывода; S — разъем питания АТХ 2.3; Т — разъем интерфейса FDD; U — разъем интерфейса IDE; V — аккумулятор питания BIOS; W — разъем датчика вскрытия корпуса; X — блок перемычек конфигурирования BIOS; Y — микросхема Firmware Hub (FWH); Z — разъем питания дополнительного вентилятора; АА — разъемы интерфейса Serial ATA; BB — разъем индикаторов LED передней панели; СС — разъем подключения кнопок Power и Reset передней панели; DD — разъем индикатора LED жесткого диска SCSI; ЕЕ — разъем питания внешних компонентов; FF — разъем подключения портов USB передней панели; GG — микросхема аппаратной защиты Trusted Platform Module (TPM); НН — разъем подключения портов USB передней панели; II — южный мост Intel 82801FR I/O Controller Hub (ICH6-R); JJ — разъем подключения порта IEEE-1394а передней панели; КК — контроллер IEEE-1394а; LL — системный динамик; ММ — слоты расширения PCI версии 2.3 Южный мост Intel 82801FR содержит контроллеры интерфейсов: • параллельной шины расширения PCI; • последовательной шины расширения PCI-Express 1х; • параллельной шины накопителей Parallel ATA; • последовательной шины накопителей Serial ATA; • последовательной шины для периферии USB 2.0; • шины малопроизводительных портов Low Pin Count (LPC); • шины высококачественного аудио High Definition Audio Link (HDAL); • шины системного менеджмента SMbus. Помимо микросхем набора системной логики разработчики комплектуют системные платы микросхемами узкой специализации для поддержки того или иного интерфейса. В частности, системная плата Intel D925XECV2 дополнительно имеет: • сетевой контроллер Gigabyte Ethernet, подключенный к шине PCI Express; • контроллер ввода-вывода (для портов RS-232, LPT, PS/2, FDD), подключенный к шине LPC; • микросхему Firmware Hub (содержит BIOS и аппаратные средства шифрования), подключенную к шине LPC; • аудиокодек, подключенный к шине HDAL; • контроллер IEEE 1394 (FireWire), подключенный к шине PCI. Системная плата оснащена большим числом дискретных и аналоговых элементов, обеспечивающих электрическое и механическое подключение компонентов (разъемы, слоты, розетки, переключатели), стабильное электрическое питание (стабилизаторы, линии развязки), удобный монтаж на шасси корпуса. В целом системная плата представляет собой достаточно сложное схемотехнически, но технологичное изделие, производство которого сравнительно легко поддается автоматизации.
|
