Технологии материнских плат. Руководство. Часть 3.

Содержание

- Технологии материнских плат. Руководство. Часть 1. (про процессоры)
- Технологии материнских плат. Руководство. Часть 2. (про компоненты)
- Технологии материнских плат. Руководство. Часть 3. (продолжаем разговор о компонентах и на основе полученных данных сравниваем МП Intel D815EEA и Asus A7M266)

Шина Аудиокодека Audio Codec (AC) Link

Эта особенность чипсета создана для передачи смешанного сигнала (аналогового или цифрового) от внечиповых встроенных в материнскую плату устройств, таких как аудиоплата, или сетевых устройств - модема или сетевой платы. Все эти устройства для простоты размещения на материнской плате, а также для уменьшения их стоимости полностью не функциональны, как их "нормальные" аналоги: введено программное управление ими, т.е. часть их функций берет на себя центральный процессор и память. AC шина была разработана компанией Intel для облегчения введения такого программного управления. Именно поэтому некоторые пользователи отключают все встроенные функции для того, чтобы разгрузить процессор и память.

Современная версия шины, AC97 2.2 обеспечивает 5 сигнальный интерфейс связи с устройствами. Что касается звука, то шина может быть соединена с чипом, включающем кодек (кодирование/декодирование), цифро-аналоговый, а также аналогово-цифровой преобразователи, обеспечивающие связь чипа с колонками или наушниками, и устройствами линейного и микрофонного входов.

Что касается телефонии, шина AC также имеет физический интерфейс (PHY) для соединения с телефонной линией. AC97 чипы также можно применять для связи со встроенными сетевыми платами.

Для системного проектировщика, использование шины AC влечет ряд особенностей. Основная из них - это опасность возникновения резкого падения производительности при использовании встроенных программных устройств, которые, как уже говорилось, загружают центральный процессор. Производительность может резко упасть в ресурсоемких сложных приложениях. В особенности это касается звуковых чипов: большинство компьютерных игр практически всегда выдают на звуковую карту не один звук, а великое их множество, которое должно быть определенным образом преобразовано и выдано на конечные устройства вывода звука (колонки, наушники). Чаще всего звуки имеют различные скорости передачи звуковых сэмплов, зависящие от необходимого качества звука. Аудио процессор должен обработать все эти звуки, смешать их, и выдать на выходы звуковой карты.

Еще один пример обработки звука - это обработка комплекса HRTF ("head-related transfer functions" - главные функции передачи), которые создают позиционированный 3D звук. Такие функции требуют наличия PCI платы с DSP процессором, а также некоторое количества оперативной памяти. Но такой процессор обычно не устанавливают на материнскую плату. Хоть такое решение и разгрузило бы центральный процессор, но такой шаг не является хорошим решением, как для создания звуковой карты высокого класса, так и для производителей материнских плат, т.к. опять же усложняется ее проектировка. Хотя полученный таким образом звук получается довольно качественным: пользователи не смогли бы почувствовать разницу между звучанием хорошей PCI платы, и встроенного качественного аудио-решения, особенно при использовании одинаковой акустики.

Конечно, гораздо большее количество встроенных устройств может поддерживать Южный мост, но они донельзя загрузят процессор. К примеру, сейчас у производителей очень популярны программные модемы, которые бывают, как встроены в материнскую плату, так и размещаться в виде плат PCI. Они естественно достаточно сильно загружают центральный процессор и оперативную память, т.к. не имеют собственных средств обработки сигнала. Единственное достоинство таких решений - это очень низкая их стоимость. Хотя с существующими вычислительными мощностями процессоров использование таких устройств достаточно оправдано и нормально рассматривается как производителями, так и потребителями.

Встроенный контроллер сетевой платы Local Area Networking (LAN)

Организация поддержки сетей - вот один из примеров, когда некоторые системные проектировщики часто переносят вычисления на центральный процессор. AC Link шина (или AC Link + у которой дополнительные контакты для ЛВС) используется для поддержки DSL соединений, HPNA (Home Phone Networking Alliance - Домашнее Объединение Сетевой Телефонии), или даже поддержки Ethernet - такое решение навело на создание плат расширений - портов для дешевых устройств, которые не имеют контроллера для шины PCI и средств вычисления.

Встроенный Ethernet контроллер
(для увеличения шелкните по изображению)

Встраивание сетевого контролера в плату может ввести в заблуждение пользователей - каково же качество этого встроенного сетевого контроллера? Невозможно узнать номер партии сетевого чипа, встроенного в Южный мост. Например, встроенный в новый Южный мост от AMD сетевой контроллер имеет поддержку всех необходимых вычислений. Это означает, что используя этот сетевой адаптер центральный процессор загружается примерно также, как и при использовании обычного PCI адаптера.

Разделение задач сетевой платы представляет очень большую сложность. В сетевом пакете (данные по сети передаются по сети пакетами), кроме данных пользователя содержится большое количество служебной информации, которую необходимо обработать для обеспечения нормальной работы сети. Часто встроенные, и некоторые PCI платы все же используют центральный процессор для обработки такой информации. Но сетевые адаптеры фирм Alacritech, 3COM, Intel и некоторых других встраивают в процессоры своих сетевых плат функции по обработки протокола TCP/IP, некоторые IPSEC, и SSL инструкции, что значительно ускоряет необходимые вычисления и не загружает центральный процессор.

Для определения реальных функций любого встроенного устройства есть единственно правильный способ: провести тестирование. Если в игре количество кадров в секунду падает при переключении с звуковой карты PCI на AC97 звук - это хороший пример чрезмерной загрузки центрального процессора. Подобные тесты можно провести для встроенных модема и сетевой платы.

Другие функции Южного Моста

Есть и другие функции Южного моста, которые мы не описали. Это и DMA контроллеры, и контроллеры прерываний, таймеры, часы реального времени, контроль обеспечения питанием, а также множество других соединений, которые обычному пользователю просто неинтересны.

Особенности Материнских плат

Модуль регулировки напряжения VRM (Voltage Regulator Module)

Используется для регулировки напряжения, подаваемого для всех устройств материнской платы. Например, современные процессоры работают на меньшем напряжении, чем остальные компоненты системы. Не для кого не секрет, что новые вычислительные устройства, такие как различные чипы и процессоры, у которых малый размер транзистора, потребляют меньшее питания.

Модуль регулировки напряжения (VRM)
(для увеличения шелкните по изображению)

Центральный же процессор работает лучше на высоком напряжении, но хуже при высокой температуре. Выделение тепла процессором - в квадратичной зависимости от уровня напряжения, подаваемого на процессор. Возникает дилемма: при увеличении напряжения процессор должен работать быстрее, но увеличивается его температура, что влечет за собой ухудшение его работы. Излишнее тепло от процессора отводится радиаторами и вентиляторами. Если вольтаж и температура процессора слишком высоки, он может перегреться и сгореть. Именно поэтому разъем для процессора на материнской плате располагают как можно ближе к блоку питания, в котором работает вентилятор на вытяжку. Горячий воздух от процессора (а теперь и с других горячих устройств, таких как видеокарты и некоторые жесткие диски) сразу же вытягивается из корпуса. Некоторые экстремальные оверклокеры настолько разгоняют систему, что появляется необходимость в установке дополнительного вентилятора-вытяжки, место для которого есть уже во всех корпусах.

Но мы немного отвлеклись. Для наилучшего соотношения мощности, скорости и напряжения, компания Intel для своих новых процессоров разработала специальный тип регулятора напряжения, который на входе имеет напряжение от блока питания, а на выход подает стабильное напряжение необходимого значения на сам процессор. Кроме того, новый регулятор напряжения - программируемый, который использует 5 VID (voltage identification - определение напряжения) сигналы, с помощью которых регулируется подаваемое на него напряжение. VID контакты, как правило идут прям из процессора. Например, для выполнения особо сложной задачи процессору требуется большая вычислительная мощь. Тогда он посылает запрос на регулятор напряжение, который увеличивает напряжение на то значение, которое "прислал" процессор. Такие возможности очень понравятся оверклокерам, для которых некоторые производители материнских плат разрабатывают применение этой функции.

Генераторы тактовой частоты

Многие компоненты компьютера работают на разных частотах. Кроме того, они могут быть синхронными, или асинхронными. Два частотных сигнала называются синхронными, если одни может быть получен из другого. Например, шина FSB работает с процессором, частота которого больше ее частоты на увеличенной частоте за счет множителя: так, процессор Pentium III с частотой 600 МГц работает с множителем 6 на шине с частотой 100 МГц. Т.е. он имеет 6 сигналов по 100 МГц, синхронизированных с 100 МГц системной шиной.

Разъемы

На любой материнской плате есть разъемы. Это порты для мышки, клавиатуры, последовательные, параллельные, а также USB порты. В последнее время порты стали маркировать цветом для более удобного восприятия: к примеру, одинаковые по виду порты PS/2 для мышки и клавиатуры обозначены кроме графического изображения еще и разными цветами.

Перемычки

В настоящее время многие материнские платы изменяют свои настройки не перемычками, а из BIOS, но перемычки все еще имеют место. Некоторые производители дают пользователям возможность изменять настройки как из BIOS, так и используя перемычки

Платы расширений

В нашей дискуссии о шине AC97 мы уже говорили о возможности избежать цен PCI карт для звука и сети. Существуют и другие конкурирующие стандарты для того, чтобы позволить пользователю избежать дорогостоящих звуковых и сетевых решений, которые так же обеспечивают дополнительные порты для работы со звуком, модемом и сетью. Эти, так называемые платы расширения устанавливаются в специальный разъем, вместо PCI слота. Конечно, если посмотреть с задней стороны корпуса, то ничего особенного мы не увидим. Существует стандарт, продвигаемый Intel.

Интеловское детище зовется: "Расширение для Коммуникаций и Сетей" ("Communication and Networking Riser" - CNR). Подробнее о нем мы поговорим в описании материнской платы Intel D815EEA. Есть и конкурентный стандарт - "Порт Улучшенных Коммуникаций" ("Advanced Communications Riser" - ACR), который разрабатывается и поддерживается 50 компаниями-производителями оборудования. Основное различие между CNR и ACR состоит в том, что последний это как бы обновленный и немного модифицированный AMR стандарт, когда решение от Intel.

Примеры материнских плат: Intel D815EEA и Asus A7M266

Эта статья выходит на финишную прямую. Настало время применить полученные теоретические знания на практике: подкрепить их конкретными примерами.

Материнская плата Intel D815EEA

Мы выбрали для анализа именно эту материнскую плату, т.к. ее производитель - компания Intel, которая, как вы могли убедиться из этой статьи, является основоположником практически всех работающих в компьютере технологий, и продвигает на рынок все новые и новые решения. Хоть представленная материнская плата является платой низкой ценовой группы и уже довольно устарела, она сочетает в себе многие технологии Intel и имеет множество интегрированных устройств. Ниже представлена схема компонентов материнской платы.

Логическая структура платы D815EEA
(для увеличения шелкните по изображению)

Плата D815EEA основана на чипсете 80815E. Буква E в названии означает, что использован новый Южный мост, или правильнее, Хаб ввода/вывода (I/O Controller Hub - ICH2), который поддерживает интерфейс ATA-100, и имеет второй USB контроллер. Т.к. Северный мост имеет встроенный графический адаптер, он называется Хаб Графики и Памяти ("Graphics and Memory Controller Hub" - GMCH). Следующий рисунок - это схематичное изображение материнской платы, а затем и ее внешний вид.

Компоновка платы D815EEA
(для увеличения шелкните по изображению)

Физическое расположение компонетов на плате D815EEA
(для увеличения шелкните по изображению)

Разъем процессора

Эта материнская плата работает с процессорами Celeron или Pentium III с различными корпусами, которые имеют различные тепловые характеристики. Но устанавливается процессор в PGA Socket 370, который еще называют разъем с нулевым усилием крепления ("Zero Insertion Force" - ZIF). Установка процессора происходит очень просто и не требует дополнительных инструкций. Единственная трудность, которая может возникнуть - это нехватка места возле процессора при установке большого радиатора, используемого в серьезных системах охлаждения. Шина материнской платы поддерживает частоту 66 МГц для процессоров Celeron (новые Celeron могут работать с шиной 100 МГц), и 100/133 МГц для процессоров Pentium III.

Хаб Графики и Памяти 82815E - GMCH

Северный мост этой материнской платы оснащен многими технологиями, описываемыми в этой статье, включая интерфейс связи между мостами Hub Link. Чипсет поддерживает память только SDRAM (до PC133), память же SDRAM DDR, которая имеет более высокую производительность, не поддерживается. Чипсет содержит встроенный графический контроллер и поддерживает шину AGP, о которых подробнее узнаете в описании AGP интерфейса этой материнской платы.

Хаб ввода/вывода 82801BA (I/O Controller Hub - ICH2)

Этот богатый функциональными возможностями Южный мост содержит все нововведения, о которых говорилось выше. Это и контроллер USB (на 4 порта), и встроенный AC97 звук, и сеть CNR LAN.

Программный Хаб 82802AB (Firmware Hub - FWH)

В этом чипе находится BIOS и несколько устройств безопасности.

Контроллер ввода/вывода SMSC LPC47M102

Этот чип - контроллер ввода/вывода (Super I/O chip) для шины LPC. В нем имеются стандартные функции по определению скорости вращения вентилятора, а также другие отслеживающие функции.

Слоты PCI и CNR

На материнской плате отсутствуют слоты ISA, зато имеется 5 слотов PCI. Intel CNR riser слот поддерживается опционально, т.е. при необходимости производитель материнской платы может его подключить. В данном примере, слот CNR при его добавлении заменит 5 слот PCI. CNR слот может поддерживать 2 AC97 кодека и один LAN интерфейс. Для работы с сетью можно использовать CNR сетевую плату, оборудованную чипом Intel 82562ET/MT Ethernet, или чипом домашней телефонии 82562EH HPNA. Вместо CNR слота может быть интегрирован в материнскую плату сам чип 82562ET/MT Ethernet.
Для звука на CNR, Intel использует кодек Analog Devices AD1885 AC97. Этот разъем так же присоединен к шине SMBus.

Слоты памяти

Материнская плата имеет 3 SDRAM DIMM слота, в которые возможна установка модулей памяти емкости от 32 Мб до 512 Мб. Для использования памяти PC133, шина FSB должна иметь частоту 133 МГц.

Слот AGP

В чипсет этой материнской платы, как уже говорилось, встроен графический контроллер, который выключается при установки в имеющийся порт AGP "нормальной" AGP видеокарты. Интерфейс AGP хоть и поддерживает режим 4x, но пропускная способность порта AGP в 1 Гб/сек не достаточно хорошо сбалансирована с пропускной способностью памяти (тоже 1 Гб/сек). Но это не ошибка в чипсете. Все чипсеты, работающие с памятью SDRAM имеют такую оплошность. Полностью сбалансированные решения можно найти в чипсетах, работающих с памятью SDRAM DDR и RDRAM.

Встроенный графический чип обеспечивает простейшей графикой и низкой производительностью, что приемлемо, скажем, в обычных офисных компьютерах. Если же необходимо большее - установите в слот AGP нужную видеокарту. Чипсет 815 поддерживает технологию схожую с UMA/SMA. Это технология получила название "Ускоритель Производительности Графики" (Graphics Performance Accelerator - GPA). Отличие в том, что в GPA кэшируется особый участок памяти на самой видеокарте. Эта память разбивается на 4 Мб кусочки, которые кэшируются в оперативной памяти. Таким образом, получается довольно быстрый канал до процессора. Такое решение выгодно только для видеокарт низкого класса, т.к. "крутым" видеокартам пропускной способности памяти PC133 все равно не достаточно.

Опциональные звуковые чипы

В плату производители могут добавлять встроенные звуковые чипы. Эта МП поддерживает чип Creative Labs ES1373. Это AC97 совместимый чип, но использующий свой собственный кодек Crystal Semiconductor CS4297 и присоединяющийся к шине PCI.

Цифровой видеовыход Digital Video Out (DVO)

Это одна из возможностей интегрированного графического контроллера: возможность подключения к нему цифрового монитора или телевизора.

IDE и FDD разъемы

Материнская плата имеет 2 контроллера IDE, что позволяет использовать до 4 IDE устройств. Разъем для флоппи дисков - стандартный компонент всех материнских плат.

Элемент питания и "пищалка"

Материнская плата имеет стандартную "пищалку", а также элемент питания для сохранения настроек BIOS и хода часов.

Разъемы передней панели

Обычно на передней панели размещаются индикаторы, идущие от МП. Но иногда быват полезным разместить на передней панели 2 дополнительных разъема USB. Через специальный разъем на МП для подключения дополнительных USB портов. На переднюю панель можно вынести серийный порт B для использования приборов с инфракрасным (ИК) передатчиком. ИК действует передает данные со скоростью 115 Kбит/с на расстоянии 1 метр.

Разъемы задней панели

Это разъемы последовательного (COM, USB), параллельного (LPT) портов, а также порты PS/2 для мышки и клавиатуры. Кроме того, для использования встроенной видеокарты есть стандартный VGA разъем. Для работы в сети есть RJ-45 LAN разъем, использующийся со встроенным сетевым адаптером (если не используется порт CNR). Если присутствует встроенный звук, имеются разъемы звука: это линейные выход и вход, вход для микрофона, а также порт Midi/Game.

Другие разъемы

Это различные проводники и провода, такие как CD-ROM аудио провод, провода для вентиляторов и т.п.

Перемычки/Джамперы

Как и многие материнские платы, эта использует для изменения настроек перемычки. Основная перемычка - J7C1 используется при сбое BIOS, и служит для его восстановления.

Питание

Это тот самый регулятор напряжения, о котором говорилось раньше. Кроме него это различные резисторы, конденсаторы, выпрямители и т.п.

D815EEA: Заключение

Итак, эта материнская плата имеет встроенные звук, графику, сетевой адаптер, и может иметь встроенный модем. Этим она избавляет от необходимости приобретать все перечисленное оборудование, и позволит сэкономить достаточно большую сумму денег. Однако она не обеспечивает большой производительности, поэтому будет идеальным решением для офисного применения, или для применения пользователями, которым не требуется большая производительность.

Материнская плата Asus A7M266

Другая материнская плата, о которой мы бы хотели рассказать, это плата Asus A7M266 для процессоров Athlon и Duron. Мы выбрали эту материнскую плату во-первых, т.к. она была специально разработана для применения в высоко требовательных приложениях и для тех пользователей, которым необходима максимальная производительность. Кроме того, она работает с памятью DDR, и оснащена некоторыми технологиями от ASUS для разгона. Она создана на комбинации чипсетов AMD/VIA и послужит полной противоположностью для материнской платы на чипсете Intel 815. Мы не будем представлять список ущербных составляющих материнской платы от Intel, а покажем некоторые интересные различия, вытекающие из различной концепции материнских плат. Asus A7M266 поддерживает практически те же устройства, что и предыдущая плата: AGP 4X, ATA-100, и 4 USB. Рисунок ниже показывает внешний вид этой МП.

Физическое расположение компонетов на плате A7M266
(для увеличения шелкните по изображению)

Поддержка Процессоров AMD Socket A, шины FSB 266 МГц и больших радиаторов
Обычно, вокруг процессора располагается группа конденсаторов, которые предназначены для устранения шумов сигналов, идущих из блока питания к процессору. Они, как правило, располагаются достаточно близко к процессорному разъему, что мешает установке больших радиаторов на процессор. На этой же материнской плате они установлены довольно далеко от процессора, и трудностей с большими системами охлаждения владельцы этой материнской платы испытывать не будут. Это очень порадует оверклокеров. Порадует их также то, что в разъеме для процессоров (а именно под ним) установлен термодатчик, определяющий температуру процессора и передающий ее в BIOS.

Специальный чип от ASUS аппаратного мониторинга

Одна из уникальных особенностей многих плат от ASUS - это специализированная интегральная схема (Application Specific Integrated Circuit - ASIC), которую ASUS использует для мониторинга температур различных устройств на плате, скорости вращения вентиляторов, а также для наблюдением за напряжением на плате. Эти значения можно наблюдать из BIOS, а также и из операционных систем высокого уровня, используя поставляемое программное обеспечение.

Северный мост AMD 760 и Южный мост VIA VT82C686B

Т.к. чипсет AMD 760 все еще использует для соединения между мостами шину PCI, ASUS решила оборудовать эту материнскую плату известным южным мостом от VIA - это мост VT82C686B. Как говорилось выше, использование шины PCI может повлечь возникновение различных задержек и т.п. т.к. AMD 760 не поддерживает быстрый механизм связи между мостами.

Возможность изменения частоты FSB из BIOS с шагом в 1 МГц

Процессоры Athlon/Duron очень любят оверклокеры. Именно поэтому в последнее время стали популярными технологии, обеспечивающие изменения частоты шины FSB с шагом в 1 МГц. Например, процессор Athlon с частотой в 1 ГГц работает на шине с частотой 133 МГц DDR и имеет коэффициент умножения 7.5. Но и процессор и плата могут работать вполне стабильно и на более высоких частотах, а изменение частоты шины с шагом в 1 МГц позволяет сконфигурировать систему именно так, как вам нравится. Материнская плата может управляться как перемычками, так и из BIOS.

AMR порт позволяет установку дешевого звука, или модема

AMR (Audio Modem Riser) порт используется для установки дешевой звуковой карты, или модема, использующих для работы ресурсы центрального процессора и памяти. Хотя зачем понадобился такой слот на этой материнской плате, понять трудно (вспомните, для кого она создавалась). Как и в рассматриваемой материнской плате от Intel, этот порт заменяет 5 порт PCI.

Asus A7M266: заключение

Единственным слабым местом этой материнской платы является связь посредством шины PCI между Северным и Южным мостами. Использование памяти DDR вместе с мощным контроллером AGP 4x обеспечивают просто огромную производительность.

Будущее материнских плат

Настало великое время для компьютерных энтузиастов: все становится быстрее, дешевле и проще в использовании. Но что же нас ждет в будущем? Что же случится с персональным компьютером, когда уже сейчас видны тенденции по его разделению на специализации?

Смерть материнских плат

Уже сейчас разрабатываются и используются устройства, объединяющие в себе центральный процессор, графику, и оба чипсета. Такие продукты называются "Системы на одном чипе" ("System on a Chip" - SOC) и используются сейчас в дешевых интернет-станциях и в наладонниках. В такие чипы все еще не встроена оперативная память, но это дело недалекого будущего. Кроме того, в него будут встроены BIOS, а также процессоры обработки аналоговых функций для графики, звука, а также для работы в сети. Такие устройства будут иметь свою, строго ограниченную сферу применения, что положит конец универсальности компьютеров. К такому устройству будут присоединяться такие устройства, как жесткие диски, сетевые адаптеры, ТВ-тюнеры и т.п. по какому-нибудь высокоскоростному интерфейсу. Для таких дешевых систем материнская плата просто не нужна.

Материнская плата навсегда

К счастью, хоть тенденция к разграничению возможностей компьютеров будет иметь массовое значение, компьютеры в сегодняшнем понимании полностью не исчезнут. Они будут необходимы довольно большому кругу профессионалов, которым возможностей систем на одном чипе будет просто не хватать. Именно поэтому материнская плата как основной компонент ПК не исчезнет, а наоборот, избавится от всячески тормозящих работу устройств и выйдет на новый уровень развития.

Несколько новых технологий материнских плат

Новые процессоры и память будут все увеличивать свои скорости, что естественно повлечет за собой увеличение частоты шины. Вместо DDR придет новая похожая технология, QDR (Quad Data Rate), которая будет передавать данные 4 раза за такт (т.е. пропускная способность увеличится в 4 раза) - кстати первые опытные образцы ужу есть. Шина USB спецификации 2.0 будет передавать данные со скоростью 480 Мбит/сек, а шина PCI преобразуется в PCI-X, пропускная способность которой увеличится до 1 Гб/сек.

Большинство этих технологий вначале будет очень дорогими, и использоваться в серверах и высокопроизводительных рабочих станциях, а позже они дойдут и до применения на потребительском рынке. Но технология, которая долгое время останется серверной - это поддержка работы нескольких процессоров одновременно.

Заключение

В этой статье мы поговорили об особенностях современных материнских платах, о их устройстве и эффективности ее компонентов. Мы надеемся, что знания, полученные из этой статьи, пойдут вам на пользу, и вы соберете себе именно тот компьютер, который вам необходим.