LEKCJA TEMAT: Płyta główna. 1. Wymagania dla ucznia: zna budowę płyty głównej (wymienia i wskazuje elementy płyty głównej); wymienia standardy i właściwości płyt głównych (AT, ATX, BTX, WTX); zna schemat płyty głównej; rozpoznaje i zna właściwości gniazd rozszerzeń (PCI, AGP, PCI-X, PCIe); zna zadanie BIOSU oraz procedury POST i systemu ISA; 2. Płyta główna (ang. mainboard lub motherboard) stanowi najważniejszy element całego komputera, jest jego swoistym kręgosłupem stanowiącym bazę do instalowania pozostałych elementów komputera. To za jej pośrednictwem odbywa się wzajemna komunikacja między poszczególnymi zainstalowanymi w komputerze urządzeniami. Od jej rodzaju zależy, jakimi możliwościami rozbudowy będzie dysponował komputer, jakie urządzenia będzie mógł obsługiwać oraz decyduje o wyborze komponentów z jakimi będzie mógł współpracować - rodzaj procesora, pamięci, kart rozszerzających czy obudowy. Z płyty głównej odchodzą złącza dla modułów pamięci RAM (SIMM lub DIMM), gniazd CPU, napędów dyskietek, urządzeń typu IDE lub EIDE, klawiatury czy monitora. W zależności od typu płyty znajdują się na niej również gniazda PCI, ISA i AGP służące do podłączenia kart rozszerzających. Rys. Budowa płyty głównej 1-gniazda PCI, 2-gniazda PCIe x1, 3-gniazda PCIe x 16, 4-interfejsy urządzeń PS/2, audio, USB, FireWire, RS-232/COM, LPT, 5-złącza dysków twardych S-ATA, 6złącza dysków twardych ATA (EIDE), 7-mostek południowy, 8-mostek północny, 9złącze stacji dyskietek FDC, 10-gniazda pamięci DDR2, 11-główne złącze zasilania ATX 24, 12-gniazdo procesora.
3. Rodzaje (standardy) płyt głównych AT - właściwości - umożliwia instalację prawie wszystkich typów procesorów, począwszy od układu 8088, a skończywszy na modelach Pentium III lub Athlon; - nie pasuje do obudów typu mini desktop oraz mini tower; - karty rozszerzeń są bezpośrednio instalowane na płycie pod kątem 900; - płyta dysponuje tylko jednym widocznym interfejsem (klawiatury), który jest bezpośrednio z nią połączony; - wszystkie pozostałe gniazda są umieszczone w obudowie lub do niej przymocowane i połączone z płytą główną za pośrednictwem taśm; - dla większości elementów na płycie AT nie określono ściśle miejsca położenia; - włącznik zasilania pozycyjny (napięcie 230V); - słaba wentylacja; - złącze zasilania jednorzędowe 2x6 pinów; - napięcie zasilania 5V, 12V. ATX właściwości - wszystkie gniazda wyprowadzeń (złącza portów szeregowych i równoległych, klawiatury, myszy, USB czy IEEE) zintegrowane z płytą; - lepszemu rozmieszczeniu komponentów (określenie, w którym miejscu powinien znajdować się procesor) zapewniają mniejszą plątaninę kabli wewnątrz komputera; - łatwiejszy dostęp do modułów pamięci, a wszystkie złącza kart rozszerzających można wykorzystywać w ich pełnej długości; - funkcję Soft Power (określaną również jako soft-off power) dzięki któremu płyta steruje włączaniem i wyłączaniem zasilania, co w przypadku długiej bezczynności pozwala komputerowi samemu się wyłączyć oszczędzając w ten sposób energię. Mechanizm Soft Power daje możliwość kontrolowania zasilania z poziomu systemu operacyjnego;
- lepszy sposób chłodzenia (nawiew powietrza do wnętrza obudowy, jak i jego wywiewem - powoduje to znacznie lepszą wymianę powietrza wewnątrz obudowy a tym samym lepsze chłodzenie wszystkich elementów komputera); - płyta ATX jest zasilana przewodem 20-pinowym, dodatkowo ma złącze 4-pinowe, nowsze wersje płyty mają głównie złącze 34-pinowe. - odmian, (mini ATX, mikro ATX); - włącznik zasilania impulsowy; - napięcie zasilania 5V, 12V, 3,3V. BTX właściwości - wszystkie najbardziej nagrzewające się elementy ułożone zostały w jednej linii, są chłodzone przez jeden bardzo duży radiator, przez który przepuszczane jest chłodne powietrze zasysane z przodu obudowy i wyprowadzane (już nagrzane) po tylnej stronie peceta (niezbędne są specjalne obudowy, z odpowiednio spreparowanymi kanałami wentylacyjnymi); - slot PCI Express przewidziany dla karty graficznych umieszczony jest nie na linii silnie nagrzewających się części, lecz na skraju górnej krawędzi płyty, dzięki temu strumień chłodnego powietrza powinien docierać także do tego podzespołu, który generuje w obudowie znaczne ilości ciepła).
WTX właściwości - wykorzystywany dla serwerów i stacji roboczych wyposażonych w kilku procesów oraz dysków twardych. - odpowiednie wycięcia w obudowie umożliwiają łatwe instalowanie różnych modułów "Riser", zależnie od zapotrzebowań, mogą to być kontrolery SCSI, karty sieciowe LAN lub szybkie adaptery Super I/O; - płyty główne WTX są znacznie większe od płyt ATX, a ich budowa również znacznie odbiega od przeciętnych rozmiarów obudów komputerów PC (w obudowach WTX przewidziano bowiem miejsce na wiele dysków twardych oraz na wydajny zasilacz); - większa ilość slotów dla pamięci, z kontrolą błędów ECC; - duża liczba gniazd rozszerzeń; - gniazda PCI 64-bitowe, AGP Pro; - kontroler SCSI; - jeden lub kilka zasilaczy dużej mocy;
LPX - właściwości - stosowany przede wszystkim w firmowych zestawach komputerowych wyposażanych w różne warianty obudowy desktop (Slim oraz Super Slim); - brak złączy dla kart rozszerzających, alternatywę rozbudowy stanowiła dopiero oddzielna karta (tzw. riser card), zawierająca dopiero odpowiednie wyprowadzenia dla kart rozszerzających; - gniazda portów szeregowych i równoległych oraz złącza do podłączenia myszy i klawiatury stanowiły integralną część samej płyty. NLX właściwości - jest rozwinięciem standardu LPX; - umożliwiają zastosowanie najnowszych typów procesorów, większych modułów pamięci, wsparcie grafiki poprzez wykorzystanie złącza AGP, - łatwiejszy dostęp do komponentów płyty i jej prostszą instalacje; - obsługę wszystkich typów procesorów przeznaczonych do komputerów osobistych; - zintegrowane karty sieciowe oraz graficzne, wideo i muzyczne; - prosta i szybka wymiana komponentów (łącznie z całą płytą główną). 4. Schemat blokowy płyty głównej Rys. Schemat blokowy.
Na schemacie można wyróżnić m. in. dwa główne elementy płyty, czyli mostek północny (MHC Memory Controller Hub) i mostek południowy (IHC I/O Controller Hub). Do mostka północnego jest podłączony procesor, karta graficzna ze złączem PCI Express lub AGP oraz pamięć RAM z modułami DDR2. Do mostka południowego podłączane są pozostałe elementy (Dysk twardy, Karta muzyczna, Karta graficzna ze złączem PCI itp.). 5. Gniazdo rozszerzeń - jedno z kilku miejsc na płycie głównej komputera przewidziane do montażu dodatkowych kart rozszerzeń (np. kart graficznych, kart muzycznych, modemów i kart sieciowych). Dzięki gniazdom rozszerzeń można rozbudowywać bądź zmieniać konfigurację komputera, bez konieczności wymiany płyty głównej. ISA lub AT BUS - (ang. Industry Standard Architecture) 16 bitowa magistrala danych w komputerach klasy PC umożliwiająca montowanie dodatkowych kart rozszerzeń opracowanych pod tego typu gniazdo, brak obsługi standardu Plug & Play Powstało również 32-bitowe rozszerzenie magistrali EISA (ang. Extended ISA) z obsługą Plug & Play. Jest ona zgodna ze standardem ISA. Odmianą złącza ISA jest złącze PCMCIA stosowane w komputerach przenośnych, obecnie następcą tego standardu jest złącze ExpressCard. Rys. Złącze ISA Właściwości: - częstotliwość 8MHz; - szyna danych 16 bitów; - szyna adresowa 24 bitowa; - brak sygnałów związanych z DMA - sygnały sterujące: MEMR, MEMW, IRQ1, IRQ7, IRQ9, IRQ12, IRQ14, IRQ15, CLK, OSC - teoretyczna szybkość 8 Mb/s (efektywna w granicach od 1,6 Mb/s do 1,8 Mb/s) - możliwość podłączenia wszystkich rodzajów kart rozszerzeń; - przepustowość dzieli się na liczbę kart podłączonych w gniazdach; PCI (ang. Peripheral Component Interconnect) magistrala komunikacyjna służąca do przyłączania kart rozszerzeń do płyty głównej w komputerach klasy PC. Właściwości: - umożliwia szybszą komunikację pomiędzy procesorem i kartą rozszerzeń (bez znaczenia jaka to karta); - każda karta, pasująca do gniazda PCI, funkcjonuje bez jakichkolwiek problemów, gdyż nie tylko sygnały, ale i przeznaczenie poszczególnych styków gniazda są znormalizowane; - karty dołączone do szyny PCI mogą się komunikować nawet bez udziału mikroprocesora, dzięki czemu wzrasta efektywność jego użytkowania; - instalacja i inicjacja karty następuje w pełni automatycznie. - elastyczność, w standardzie PCI zdefiniowano tzw. gniazdo wspólne (z ang. shared slot), jest to gniazdo, które może być wykorzystane z kartami przystosowanymi do magistral ISA, EISA czy MCA; - skalowalność: w jednym i tym samym komputerze może być równolegle lub szeregowo połączonych kilka magistral PCI; - wysoka zgodność pomiędzy poszczególnymi wersjami PCI, jak i rozwiązań
pochodnych (np. PCI X) przejawiająca się tym, że urządzenia mogą pracować zarówno w starszych jak i nowszych gniazdach, pod warunkiem że są dopasowane napięciowo (warianty 3.3V i popularniejszy 5V), zgodność ta nie jest jednak zachowana w stosunku co do PCI Express; AGP (Accelerated Graphics Port lub Advanced Graphics Port) to rodzaj zmodyfikowanej magistrali PCI opracowanej przez firmę Intel. Jest to 32-bitowa magistrala PCI zoptymalizowana do szybkiego przesyłania dużych ilości danych pomiędzy pamięcią operacyjną a kartą graficzną. Właściwości: - szerokość magistrali: 32 bity; - maksymalna ilość urządzeń: 1 urządzenie/slot; - maksymalna przepustowość: 2133 MB/s; - maksymalna moc jaką może pobierać karta poprzez slot AGP to 35 40W, w wypadku, kiedy zapotrzebowanie jest większe, należy doprowadzić dodatkową energię (dodatkowe złącze). Tabela przedstawia kompatybilność portów AGP z kartami graficznymi. Kolumna "gniazdo" zawiera schematyczny rysunek gniazda AGP na płycie głównej. Wiersz "złącze" zawiera schematyczny rysunek złącza AGP na karcie graficznej. "+" karta współpracuje z płytą główną "-" karta nie współpracuje z płytą główną
"-" (na żółtym tle) karta nie współpracuje z płytą główną, chociaż fizycznie do niej pasuje. Specyfikacja poszczególnych mnożników: AGP 1x, używa kanału 64-bitowego działającego z taktowaniem 66 MHz, co daje maksymalny transfer 264 MB/s równy dwukrotnemu transferowi 132 MB/s dostępnemu w magistrali PCI działającej przy taktowaniu 33 MHz/32-bit; napięcie sygnału 3.3 V. AGP 2x, używa kanału 32-bitowego przy taktowaniu 66 MHz z podwójną przepływnością, prowadzącą do efektywnego transferu 533 MB/s; napięcie sygnału 3.3 V. AGP 4x, używa kanału 64-bitowego przy taktowaniu 66 MHz z poczwórną przepływnością, co prowadzi do efektywnego transferu maksymalnego 1066 MB/s (1 GB/s); napięcie sygnału 1.5 V. AGP 8x, używa kanału 64-bitowego przy taktowaniu 66 MHz z ośmiokrotną przepływnością, co prowadzi do efektywnego transferu maksymalnego 2112 MB/s (2 GB/s); napięcie sygnału 0.8 V. PCI-X (ang. Peripheral Component Interconnect Extended) - szybsza wersja znanego standardu PCI. Magistrala ta jest wstecznie zgodna z PCI (zarówno stare karty pasują do nowych gniazd, jak i nowe karty do starych gniazd), istotne jest tylko dopasowanie napięciowe. Wersje PCI-X PCI Express (ang. Peripheral Component Interconnect Express), oficjalny skrót PCIe służące do instalacji kart rozszerzeń w płycie głównej. Zastąpiła ona magistrale PCI oraz AGP. Właściwości: - topologia typu Point-to-Point - eliminuje konieczność dzielenia pasma pomiędzy kilka urządzeń każde urządzenie PCI-Express jest połączone bezpośrednio z kontrolerem; - większość chipsetów z kontrolerem PCI Express nie zawiera kontrolera AGP, tak
więc najczęściej obecność PCI-E eliminuje możliwość użycia kart graficznych ze złączem AGP; - istnieje kilka wariantów tej magistrali z 1, 2, 4, 8, 12, 16 lub 32 liniami, wraz ze wzrostem liczby linii wydłużeniu ulega slot, jego konstrukcja umożliwia działanie kart, które posiadają złącza wolniejsze niż te, które standardowo obsługuje slot, natomiast użycie kart o szybszych złączach niż te, które standardowo obsługuje slot, jest niemożliwe. - gniazdo x1 ma 18 pinów z każdej strony, gniazdo x4 32, gniazdo x8 49, zaś gniazdo x16 82 piny z każdej strony. - maksymalna moc, jaką karta PCIe może pobierać przez złącze PCI Express, to 75 W. Jeśli karta wymaga większej mocy, musi ona zostać zasilona z zasilacza dodatkowym kablem, standardowo sześcio-, ośmiożyłowym lub obydwoma (6+8). - przepustowość: Wersja 1.0 2.0 3.0 Przepustowość 1 2Gbit/s(250MB/s) 4Gbit/s (500MB/s) 7,877Gbit/s (984,6MB/s) 16 32Gbit/s (4GB/s) 64Gbit/s (8GB/s) 126,032Gbit/s (15,754GB/s)
AMR (ang. Audio Modem Riser) - właściwości - 46 pinów; - możliwość zainstalowanych kart: (muzycznych (AC'97), modemów (MC'97), modemów z funkcją dźwięku). CNR (ang. Communications and Networking Riser) - właściwości - 60 pinów; - możliwość zainstalowania kart (muzycznych, modemów, sieciowych). 6. BIOS (ang. Basic Input/Output System - podstawowy system wejścia-wyjścia) to zapisany w pamięci stałej ROM, inny dla każdego typu płyty głównej komputera, jest to zestaw podstawowych procedur pośredniczących pomiędzy systemem operacyjnym a sprzętem. Program konfiguracyjny BIOS-a to BIOS setup. Podstawowe zadania BIOS-u to: - przeprowadzenie po restarcie testów podstawowych układów i urządzeń systemu, zwanych autotestem po włączeniu zasilania POST (ang. Power-On Self Test); - inicjalizacja pracy systemu (instrukcje pobrane podczas startu pracy procesora, programowanie układów programowalnych, takich jak sterowniki przerwań czy DMA, wpisanie wartości początkowych do struktur systemowych w pamięci, na przykład inicjacja tablicy wektorów przerwań); - zapewnienie w postaci programów obsługi przerwań (programowych bądź sprzętowych) procedur obsługi (sterowników, driverów) podstawowych, standardowych urządzeń systemu, zwłaszcza tak zwanych urządzeń IPL pozwalających załadować system operacyjny. Dodatkowym zadaniem BIOS-u jest niwelacja, z punktu widzenia systemu operacyjnego, różnic konstrukcyjnych płyt głównych pochodzących od różnych producentów. 7. BIOS jest umieszczony w pamięci nieulotnej ROM (w nowszych EEPROM lub NOVRAM) w zakresie wysokich adresów, przy końcu pierwszego megabajtu pamięci, zajmując ostatnich 128 kb tego obszaru. W programach Setup możliwości ustawień dzielone są na pewne grupy. Przykładowy podział, wygląda następująco: - Ustawienia standardowe (ang. Standard CMOS Features); - Ustawienia BIOS-u (ang. Advanced BIOS Features); - Ustawienia własności chipsetu (ang. Advanced chipset Features); - Ustawienia urządzeń zainstalowanych na płycie głównej (ang. Internal Peripherals); - Zarządzanie mocą (ang. Power Management Features);
- Konfiguracja PCI i Plug and Play (ang. PNP/PCI Configuration); - Monitorowanie parametrów systemu (ang. H/W Monitor); - Konfiguracja napięć i częstotliwości (ang. Cell Menu). 8. Procedura POST Po restarcie systemu (niezależnie od jego przyczyn), procesor rozpoczyna wykonywanie instrukcji od adresu pamięci F000:FFFF0h. Pod tym adresem znajduje się kod instrukcji skoku do procedury POST. Jej zadaniem jest przetestowanie oraz inicjalizacja podstawowych układów płyty głównej. Kolejno testowane są: procesor, zawartość pamięci ROM, a następnie testowane i inicjowane są układy programowalne płyty głównej. Inicjowane są struktury systemowe, następnie testowane są standardowe urządzenia (klawiatura, stacje dysków, karta graficzna itd.). Na ostatnim etapie sprawdzana jest obecność BIOS-u na kartach. Następnie sterowanie przekazywane jest do procedur ładującej system operacyjny. Stwierdzenie błędu podczas któregokolwiek z testów sygnalizuje odpowiedni komunikat na ekranie oraz sygnał dźwiękowy. Wykrycie błędu na poziomie podstawowych układów powoduje wstrzymanie dalszych testów. W systemie występuje wiele układów wymagających zaprogramowania sposobu pracy. Zaprogramowanie tych układów po restarcie należy do procedur zawartych w BIOS-ie. Oprócz tego rozwiązania płyt głównych poszczególnych producentów umożliwiają wybór dodatkowych możliwości decydujących o sposobie pracy systemu. Zmiany pracy układów płyty głównej dokonuje się za pomocą programu SETUPEM będącym także częścią BIOS-u. 9. System ISA zapewnia możliwość obsługi niestandardowych układów i urządzeń instalowanych w postaci kart w gniazdach magistrali rozszerzającej przez umieszczenie na tych kartach ich własnego BIOS-u. BIOS ten jest nazywany BIOSem na kartach. Zadaniem jego jest, podobne jak BIOS-u na płycie głównej, przeprowadzenie testu karty oraz zapewnienie potrzebnych jej programów obsługi. W trakcie procedury POST, przeszukiwane są adresy pamięci zarezerwowane dla BIOS-u na kartach, w celu ich wykrycia. 10. Różnice między BIOS i UEFI BIOS UEFI Obsługa pamięci jest w stanie zaadresować jedynie nie ma ograniczenia, dostępna jest 1 MB pamięci RAM - pierwszy od razu cała zainstalowana pamięć megabajt przestrzeni adresowej w danym komputerze. pamięci Interfejs oferuje jedynie interfejs tekstowy możliwe jest korzystanie z interfejsu graficznego, choć nie wszyscy producenci się na to decydują i wtedy mamy interfejs tekstowy Dyski potrafi obsłużyć jedynie dyski, na obsługiwane są dyski GPT (GUID których dane rozruchowe zostały Partition Table) umieszczone w specjalnym obszarze zwanym MBR (Master Boot Record) Wielkość dysku/partycji obsługuje partycje/dyski o wielkości maksymalnej 2 TB teoretyczna maksymalna pojemność partycji/dysku to 9,4 ZB (zettabajtów)
Liczba partycji na jednym dysku można teoretycznie nie ma ograniczeń utworzyć maksymalnie 4 partycje liczby partycji, w praktyce jednak zależy to od systemu operacyjnego; w przypadku Windows 8 czy Windows 10 liczba partycji została ograniczona do 128 Tryb pracy jest oprogramowaniem 16bitowym umożliwia w pracę 32/64 bit w zależności od procesora Sieć nie ma możliwości bezpośredniego dostępu do sieci dostęp jest możliwy Bezpieczeństwo poza możliwością założenia hasła na program konfiguracyjny nie oferuje żadnych mechanizmów ochronnych możliwa jest implementacja niskopoziomowych funkcji kryptograficznych, szyfrowanie całych dysków i wiele więcej 11. Chipset jest to układ lub zestaw układów scalonych wykonujących wspólnie określone zadania. Organizuje przepływ informacji pomiędzy procesorem a poszczególnymi podzespołami jednostki centralnej. Od chipsetu zależy w dużym stopniu wydajność i niezawodność komputera. Chipsety są stosowane na płytach głównych i składają się zazwyczaj z dwóch układów. Układy kontrolują przepływ danych pomiędzy poszczególnymi podzespołami podłączonymi do płyty głównej i są zwane mostkami: - mostek północny (ang. northbridge) odpowiada za wymianę danych między pamięcią operacyjną a procesorem oraz steruje magistralą karty graficznej - AGP lub PCIe; - mostek południowy (ang. southbridge) odpowiada za współpracę z urządzeniami wejścia/wyjścia, takimi jak dysk twardy czy karty rozszerzeń, a także interfejsy zewnętrzne (np. USB, Ethernet, audio). W zależności od rodzaju, chipset może zawierać następujące kontrolery (sterowniki): - pamięci RAM; - CPU (w tym obsługa pamięci cache L1); - pamięci cache L2; - magistrali PCI/AGP, PCIe; - przerwań IRQ; - kanałów DMA; - dysków ATA/ATAPI (IDE/EIDE), Serial ATA; - klawiatury, myszy (PS/2) i innych urządzeń (np. gniazda USB, FireWire); Chipsety mogą zawierać także: zegar czasu rzeczywistego RTC, układy oszczędnego zarządzania energią APMI/ACPI, coraz rzadziej stosowane magistrale ISA/EISA, kontroler napędu dysków elastycznych (FDD), kontrolery starszych typów gniazd szeregowych (RS232/COM) i równoległych (LPT).