СИСТЕМНЫЕ (МАТЕРИНСКИЕ) ПЛАТЫЦентральным конструктивным узлом ПЭВМ, определяющим вместе с процессором ее архитектуру и базовые характеристики, является системная плата (system board), или материнская плата (motherboard), или основная (главная) плата (main board). Системная плата представляет собой печатную плату, на которой смонтированы все электронные составные части компьютера: процессор; ОЗУ; BIOS; набор системных и вспомогательных микросхем, контроллеров ввода-вывода; память CMOS с автономным питанием. Системная плата содержит ряд коммутационных элементов: слоты расширения; разъемы для подключения интерфейсных кабелей клавиатуры, мыши, жестких дисков, оптических дисководов, последовательного и параллельного портов, шины USB; преобразователь напряжения для питания ядра процессора и ряд других компонентов, необходимых для работы ПЭВМ. В основном современные платы состоят из шести печатных слоев, включающих в себя три или четыре слоя сигнальных дорожек, пластину заземления (О В), соединенную с корпусом ПЭВМ и экранирующую перекрестные помехи от высокочастотных цепей, и один или два слоя проводников питания. В верхнем слое размещаются контактные площадки для распайки компонентов. В платах предусматриваются отверстия для винтового крепления к боковой стенке системного блока. От климатических воздействий плата защищена водостойким диэлектрическим лаком. Одной из характеристик материнской платы являются ее типоразмер — форм-фактор, определяющий расположение процессора и разъемов расширения, габаритные размеры и точки крепления платы, а также тип разъема питания платы и питающие напряжения. Кроме того, форм-фактор платы предопределяет используемый тип корпуса и блока питания. Наиболее известные форм-факторы системных плат перечислены ниже:
ATX-платы имеют более совершенную конструкцию, позволяя устанавливать до шести слотов расширения с платами полной длины, обеспечивая удобный доступ к компонентам и хорошее их охлаждение. В настоящее время все системные платы выпускают только в формате АТХ (рис. 2). Внедрение форм-фактора АТХ позволило установить на системную плату разъемы портов ввода-вывода, что привело к существенному снижению количества соединительных проводов внутри корпуса ПЭВМ. Кроме того, упростился доступ к модулям ОЗУ при их замене или наращивании объема. Кроме того, разъемы контроллеров накопителей переместились практически вплотную к дисководам, что позволило сократить длину используемых кабелей и тем самым повысить надежность и помехозащищенность интерфейсных связей. Все внешние разъемы (порты) располагаются на двух уровнях и распаяны на крае печатной платы. Для них на тыльной стенке корпуса системного блока предусмотрено специальное отверстие. Современные платы рассчитаны в основном на применение nамяти DDR SDRAM, поэтому используют для установки модулей ОЗУ несколько гнездовых разъемов типа DIMM на 184 контакта, которые имеют по краям специальные фиксирующие пластмассовые • защелки. В большинстве системных плат используют двухуровневую структуру, образованную двумя микросхемами системной логики — северного и южного мостов, через которые осуществляете я управление работой контроллеров и других компонентов ПЭВМ. Основным узлом системной логики является быстродействующая микросхема северного моста, которая обеспечивает единственный интерфейс между процессором и остальной частью системной платы, работающий на полной тактовой частоте шины процессора. Северный мост имеет значительное энергопотребление и поэтому требует пассивного охлаждения (установки радиатора). Микросхема южного моста имеет меньшее быстродействие, обычно реализует интерфейсы двухканального контроллера жестких дисков и USB-портов, содержит память CMOS и схему часов, атакже компоненты, необходимые для функционирования шины PCI, например контроллер прямого доступа к памяти. Микросхема ввода-вывода Super I/O в большинстве системных плат обычно реализует функции контроллеров, которые раньше размещались на отдельных платах расширения ISA, и обеспечивает подключение: ■ дисковода гибких дисков; ■ двух быстродействующих последовательных СОМ-портов; ■ многорежимного параллельного порта; ■ клавиатуры и мыши. С развитием технологий производители объединяют все больше функций в основном наборе микросхем системной логики, поэтому необходимость в микросхеме Super I/О постепенно исчезает. Схемы Super I/O и южного моста объединяются, благодаря чему уменьшается количество компонентов на системной плате и освобождается свободная площадь на плате. В платах АТХ используется 20-контактный разъем питания с ключом, исключающим неправильное подсоединение, через который подаются напряжения ±12, ±5 и +3,3 В, а также сигналы программного включения и выключения питания ПЭВМ. Двигатели дисковых накопителей и кулеры процессоров питаются от напряжения 12 В. Для процессоров с двойным напряжением питания — основным и ядра — требуется дополнительный вторичный источник напряжения VRM (Voltage Regulator Module — модуль регулирования напряжения), в котором применяются два метода преобразования: линейный и импульсный. Линейный источник напряжения использовался в старых платах, имел малый коэффициент полезного действия (КПД), так как понижал входное напряжение за счет его падения на регулирующем элементе (мощном транзисторе) и рассеивания в виде теплоты. С уменьшением выходного напряжения росла тепловая мощность, рассеиваемая такими преобразователями, поэтому они имели массивные радиаторы и значительно ухудшали температурный режим компонент материнской платы. В современных материнских платах стали использовать импульсные источники с катушками индуктивности и высоким КПД. Применяются и комбинированные варианты питания с двухступенчатой схемой: сначала импульсный преобразователь понижает напряжение с 12 В, поступающее через разъем ATX12V, до 3,3 В, а затем линейный преобразователь регулирует это значение номинала 1,4... 2,0 В, который зависит от типа процессора. Чтобы использовать на системной плате процессоры с разными номиналами питания ядра, с помощью переключателя, устанавливаемого на плате, можно вручную формировать напряжения с шагом 0,1 В или через BIOS. В современных материнских платах используется автоматическое определение номинала питания, когда схема VRM сама определяет требуемое напряжение по контактам процессора. Для контроля напряжения на платах устанавливают светодиоды. К дополнительным компонентам относятся датчики, выдающие информацию о температуре процессора, материнской платы, скорости вращения вентилятора и др. Большинство современных материнских плат аппаратно и программно поддерживают несколько экономичных режимов с пониженным энергопотреблением (например, ждущий режим). Обязательным устройством материнской платы является тактовый генератор, который выдает сетку рабочих частот для синхронизации всех электронных устройств ПЭВМ. Для селективной установки номиналов частот, требуемых процессору, ОЗУ, видеокарте и слотам PCI, используется специальный ползунковый коммутатор, который меняет коэффициент их изменения. В компьютерах применяется деление опорной частоты (частота шины FSB) генератора для синхронизации других шин и внутреннее умножение этой частоты в процессоре. Для каждой шины тактовый генератор может поддерживать как один, так и несколько коэффициентов деления, который меняется через 33 МГц относительно опорной частоты. Для обеспечения работы различных типов процессоров используются множители частоты для шины FSB. После контроля допусков номиналов напряжений и при наличии сигнала исправного состояния от блока питания ПЭВМ тактовый генератор формирует сигнал начальной установки для перевода процессора в рабочий режим. Для уменьшения длины шлейфов разъемы контролеров накопителей располагаются на плате ближе к отсекам для крепления дисководов. На материнской плате обычно размещают дополнительные контроллеры (модемный, сетевой, SCSI, звука и т.д.). Встроенные звукопреобразующие средства обычно позволяют обеспечить шестиканальную акустику. В этом случае на плате имеются разъемы (линейный вход-выход, микрофон), а также MIDI-порт. Слот AGP используется только для установки видеокарт. Иногда материнские платы поставляются с разъемом AGP Pro для видеокарт с повышенными энергопотреблением и тепловыделением. Другие дополнительные функциональные узлы ПЭВМ выполняются на отдельных печатных платах, которые устанавливаются в разъемы расширения PCI (рис. 4.5). Стандарт PCI предлагает три вида плат для ПЭВМ разных типов и с различным напряжением питания. Платы с напряжением 5 В предназначены в основном для стационарных компьютеров, а с напряжением 3,3 В — для портативных компьютеров. Технология Plug and Play значительно упростила процесс установки и конфигурирования новых устройств. Пользователю необходимо лишь вставить плату в свободный разъем PCI, а система BIOS автоматически выделит необходимые ресурсы. Во время определения конфигурации ПЭВМ BIOS проверяет наличие устройств на PCI-шине, назначает для них адреса и разрешает их инициализацию. Для хранения оперативных настроек на системную плату устанавливается ЗУ CMOS с автономным источником питания, поэтому ее содержимое не стирается после выключения ПЭВМ. Из-за очень малого потребления энергии время надежного хранения информации в памяти составляет свыше 15 лет и зависит от емкости гальванического источника напряжением 3 В, который питает и схему часов. Если на плате установлен аккумулятор, то он будет постоянно подзаряжаться при включенном компьютере. Внося изменения в CMOS с помощью меню BIOS, пользователь может вручную настроить работу материнской платы, установить параметры гибких и жестких дисков, интервалы времени, по истечении которого компьютер переходит в режим ожидания, параметры питания и многое другое. В экстремальных случаях (забыт пароль) сброс информации в CMOS осуществляется с помощью перемычки, отключающей питание от микросхемы. Для подключения индикаторов, кнопок и динамика, расположенных на корпусе системного блока, на материнской плате имеются миниатюрные разъемы-вилки. Подобные же разъемы служат как контакты для перемычек при задании аппаратной конфигурации системы и для соединения платы с аудиовыходом оптических дисководов. Схема размещения конструктивных элементов на системной плате формата АТХ:
1 — разъем питания VRM; 2 — узел VRM питания ядра процессора; 3 — северный мост (хаб); 4 — сокет (гнездо) процессора; 5 — процессорная шина; 6 — шина ОЗУ; 7 — модули ОЗУ; 8 — регулятор питания ОЗУ; 9 — светодиод контроля питания видеокарты; 10 — вспомогательное питание платы; 11 — основное питание стандарта АТХ; 12 — разъем подключения ведущего НМЖД; 13 — разъем подключения ведомого НМЖД; 14 — шина взаимодействия мостов; 15 — разъем НМГД; 16 — сброс CMOS; 17 — южный мост (хаб); 18 — коммутатор частот процессора и шин; 19 — разъем управления ПЭВМ; 20 — контроллер накопителей; 21 — контроллер ввода-вывода (Super I/O); 22 — BIOS; 23 — автономное питание CMOS; 24 — PCI- шина; 25 — слоты расширения; 26 — индикатор подачи напряжения на системную плату; 27 — разъем цифрового звука; 28 — разъем модема; 29 — контроллер аудио; 30 — разъем аналогового выхода оптического дисковода; 31 — слот видеокарты; 32 — разъемы аудио; 33 — параллельный порт; 34 — СОМ-порты; 35 — USB- порты; 36 — разъемы подключения клавиатуры и мыши
|
