PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW KOMPUTEROWYCH WYKŁAD NR 3 MAGISTRALE SYSTEMOWE I PŁYTY GŁÓWNE dr Artur Woike
Budowa i zadania płyty głównej
Płyta główna (Motherboard, Mainboard, MB) jest obwodem drukowanym (Printed Circuit Board, PCB), który ma za zadanie umożliwiać montaż oraz komunikację pozostałych podzespołów systemu komputerowego. Płyta główna posiada wbudowane podukłady (np. gniazdo procesora, gniazda pamięci, kontrolery pamięci, kontrolery urządzeń I/O). Płyta główna zawiera układ połączeń elektrycznych pomiędzy podzespołami umożliwiający wzajemną komunikację.
Nazwa motherboard jest najczęściej używana w odniesieniu do płyt drukowanych umożliwiających montaż lub wymianę podzespołów.
Termin mainboard najczęściej jest używany w odniesieniu do płyt drukowanych nie posiadających możliwości montażu lub wymiany podzespołów.
Typowe elementy składowe współczesnych płyt głównych: Gniazdo do montażu procesora; Sloty do montażu pamięci operacyjnej; Układ otoczenia procesora; Kości pamięci typu nieulotnego przechowujące oprogramowanie systemowe niskiego poziomu. Sloty do montażu kart rozszerzeń. Złącza do podłączenia zasilania. Złącza do podłączenia pamięci zewnętrznych. Złącza do podłączenia urządzeń I/O. Dodatkowe układy wbudowane w MB (np. NIC).
Najważniejszym elementem płyty głównej jest układ otoczenia procesora (chipset). Układ otoczenia procesora zazwyczaj odpowiada za komunikację pomiędzy szyną procesora, pamięcią operacyjną i szynami urządzeń zewnętrznych Ze względu na malejące rozmiary i koszty produkcji układów scalonych większość współczesnych MB posiada wiele dodatkowych układów, np.: Dodatkowe kontrolery pamięci zewnętrznych; Karty sieciowe, dźwiękowe i graficzne; Dodatkowe kontrolery urządzeń I/O; Układy monitorujące fizyczne i techniczne parametry pracy systemu komputerowego.
Współczesne płyty główne do stabilnej pracy na ogół wymagają zastosowania chłodzenia niektórych układów (np. chipsetu, regulatorów napięcia). Zazwyczaj płyty główne są wyposażane w pasywne układy chłodzenia.
Płyty główne stosowane w komputerach osobistych mogą mieć różne kształty, rozmiary i cechy wspólne (tzw. Form Factor, FF). FF płyty głównej zawiera między innymi specyfikacje rozmiaru MB, położenia oraz liczby otworów montażowych, czasami również typu stosowanego zasilacza komputerowego. Obecnie najpopularniejszy format to ATX (wymiary MB to 305x244 mm) zaprezentowany przez Intela w 1995 r. Coraz większą popularność zdobywają mniejsze formaty Micro-ATX (244x244 mm) oraz Mini-ITX (170x170 mm). W 2003 r. Intel zaprezentował standard BTX (325x267 mm) jako następcę standardu ATX.
Rozwój architektury płyt głównych
Architektura jednoszynowa Stosowana na szeroką skalę w minikomputerach. Na początku ery mikrokomputerów komputery osobiste były budowane w postaci zestawu wielu modułów połączonych ze sobą za pomocą tzw. płytki bazowej (Backplate). Płytka bazowa była po prostu zestawem wzajemnie połączonych gniazd lub slotów. Każdy moduł był umieszczany na oddzielnym PCB podłączanym do płytki bazowej. Moduły zazwyczaj są wymienne.
Zalety architektury jednoszynowej: Łatwa rozbudowa lub zmiana konfiguracji. Niska cena płytek bazowych. Procesor widzi kontrolery urządzeń I/O tak samo jak pamięć. Jest wygodnym modelem logicznym struktury komputera (również współcześnie). Wady architektury jednoszynowej: Długość i struktura połączeń ogranicza szybkość i przepustowość transmisji danych. Wolna transmisja danych na szynie dodatkowo powiększa różnice wydajności pomiędzy procesorem i pamięcią.
Magistrala S-100 bus Jednym z najpopularniejszych przykładów realizacji architektury jednoszynowej była magistrala S-100 bus: Zaprojektowana w 1974 r. na potrzeby budowy mikrokomputera osobistego ALTAIR 8800. Podczas projektowania ALTAIR a nie wszystkie finalne podzespoły były fizycznie dostępne. Ed Roberts umieścił aktualnie dostępne podzespoły w modułach osadzonych na płytce zawierającej dodatkowe sloty montażowe dla brakujących podzespołów.
Płytka bazowa S-100 bus była po prostu rzędem slotów osadzonych na PCB. Sloty płytki S-100 bus posiadały bierne połączenia elektryczne. Układ zasilania płytki dostarczał napięć +8V oraz +16v i -16V. Moduły przeznaczone dla magistrali S-100 bus wymagały napięć +5V oraz +12V i -12V (niektóre). Moduły posiadały własne regulatory napięcia.
Magistrala S-100 bus w 1983 r. została opracowana i zaakceptowana jako standard IEEE-696. Przed ustandaryzowaniem posiadała 8-bitową szynę danych i 16-bitową szynę adresową, podczas standaryzacji magistralę ulepszono do 16- bitowej szyny danych i 24-bitowej szyny adresowej. Od wprowadzenia na rynek pierwszych modeli komputerów IBM PC magistrala S-100 bus zaczęła sukcesywnie tracić znaczenie w segmencie komputerów osobistych. W dalszym ciągu była wykorzystywana w wysoko wydajnych komputerach. W 1994 r. IEEE wycofało standard IEEE-696.
Architektura dwuszynowa Aby zmniejszyć dysproporcje pomiędzy szybkością działania procesora i pamięci dotychczasową szynę rozdzielono na dwie szyny: Szybką łączącą procesory i pamięć operacyjną; Wolną do której podłączamy kontrolery urządzeń I/O. Szyny są połączone za pomocą układ mostu (Bridge). Szyny różnią się parametrami elektrycznymi oraz wydajnością. Logicznie obie szyny są widziane przez procesor jako pojedyncza szyna.
Idea budowy komputera osobistego w oparciu o pojedynczą płytę drukowaną PCB wyposażoną w minimalną liczbę urządzeń niezbędnych do działania systemu komputerowego (lub gniazd montażowych dla tych elementów) oraz gniazd umożliwiających montaż kart rozszerzeń zadebiutowała w komputerach serii IBM PC. Płyta główna pierwszych IBM PC zawierała procesor, gniazdo koprocesora, pamięć RAM, pamięć ROM, kontrolery urządzeń I/O, podstawowy układ dźwiękowy oraz magistralę wyposażoną w sloty przeznaczone do montażu kart rozszerzeń.
Magistrala FSB Front-Side Bus (FSB) jest szybką magistralą łączącą procesor z kontrolerem pamięci operacyjnej. Termin FSB zaczęto stosować dopiero na początku lat 90. FSB składa się z trzech rodzajów linii (adresowych, danych i sterowania). Parametry FSB zależą od typu stosowanego CPU. Obecnie zastąpione przez inne magistrale (HT, QPI). Niektóre komputery mogą być wyposażone w dodatkową magistralę Back-Side Bus łączącą CPU z pamięcią podręczną.
Układ otoczenia procesora Układ otoczenia procesora (Chipset) jest układem scalonym wbudowanym na płytę główną. Jego przeznaczeniem jest zarządzanie komunikacją pomiędzy procesorem, pamięcią i urządzeniami zewnętrznymi. Na ogół jest zaprojektowany do współpracy z konkretną mikroarchitekturą procesorów. Zazwyczaj zawiera układy takie jak np.: kontrolery magistrali FSB, kontrolery pamięci, kontrolery urządzeń zewnętrznych, zegary RTC.
Magistrala ISA 8-bitowa magistrala wprowadzona po raz pierwszy w komputerach IBM PC zyskała dużą popularność. Jej 16-bitowa wersja otrzymała nazwę ISA (Industry Standard Architecture). Często pełniła rolę szyny wolnej w komputerach osobistych. Jest 16-bitową szyną o częstotliwości taktowania 8,33 MHz. Teoretyczna przepustowość to 8 MB/s W 1992 r. została zastąpiona przez magistralę PCI. Magistrala ISA w dalszym ciągu bywa stosowana w komputerach przemysłowych. Pochodne magistrali ISA są stosowane wewnętrznie w układach Super I/O.
Zasilanie o napięciach +5 V, -5 V, +12 V i -12 V. Nie obsługiwała standardu Plug and Play.
Architektura trójszynowa W architekturze trójszynowej szyna urządzeń zewnętrznych została podzielona na dwie: Szyna szybkich urządzeń zewnętrznych; Szyna wolnych urządzeń zewnętrznych. Most został również rozdzielony na dwa podukłady: Most północny; Most południowy. Most północny łączy szynę procesora i pamięci z szyną szybkich urządzeń zewnętrznych. Most południowy łączy szyny szybkich i wolnych urządzeń zewnętrznych.
Most północny Most północny (Northbridge) jest wydzieloną częścią układu otoczenia procesora realizującą połączenia pomiędzy procesorem, pamięcią operacyjną i magistralą szybkich urządzeń zewnętrznych. Zazwyczaj zawiera układy takie jak np.: kontrolery szybkiej magistrali systemowej i magistrali szybkich urządzeń zewnętrznych, kontrolery pamięci. Most północny odpowiada również za komunikację z mostem południowym.
Most południowy Most południowy (Southbridge) jest wydzieloną częścią układu otoczenia procesora realizującą większość funkcji pomocniczych. Zazwyczaj zawiera układ kontrolera magistrali wolnych urządzeń zewnętrznych. Często zawiera dodatkowe urządzenia zewnętrzne wbudowane bezpośrednio w jego układy. Realizuje (poprzez most północny) połączenie CPU z wolniejszymi urządzeniami zewnętrznymi (np. pamięci zewnętrzne, karty rozszerzeń).
Magistrala PCI PCI (Peripheral Component Interconnect) powstała jako następca ISA. Jest to 32-bitowa magistrala o częstotliwości taktowania 33 MHz. PCI jest magistralą typu równoległego. Początkowo była wykorzystywana jako magistrala szybkich urządzeń zewnętrznych. Standardowa konfiguracja osiągała maksymalną przepustowość 133 MB/s. Istniały wersje o przepustowości do 532 MB/s. W standardowej wersji zasilanie o napięciu 5V.
Główną zaletą magistrali PCI była niezależność od mikroarchitektury procesora. Konkurencyjna magistrala VLB (VESA Local Bus) była oparta na magistrali lokalnej mikroarchitektury 80386 i 80486. Karty rozszerzeń przeznaczone dla magistrali VLB nie mogły pracować w połączeniu z innymi CPU. W praktyce wykorzystywano głównie standardową konfigurację magistrali PCI. Przepustowość magistrali PCI szybko przestała być wystarczająca dla dynamicznie rozwijających się kart graficznych.
Architektura z wydzielonymi połączeniami punkt-punkt Na początku XX w. komputery zaczęły wykorzystywać tylko jedną szynę (magistralę PCI). Szyna wolnych urządzeń zewnętrznych (ISA) została usunięta. Część połączeń szynowych została zastąpiona połączeniami typu punkt-punkt: Procesor Most północny; Most północny Pamięć; Most północny Kontroler graficzny; Most północny Most południowy;
Most północny zawiera kontroler pamięci. Wydzielono szybką magistralę dla kart graficznych. Most południowy przestał odgrywać rolę połączenia pomiędzy szynami W układy mostu południowego zostały wbudowane kontrolery większości niezbędnych urządzeń zewnętrznych. W 2003 r. AMD przeniosło kontroler pamięci z mostu północnego do procesora (począwszy od mikroarchitektury K8 Family 0Fh).
Magistrala AGP W 1996 r. na bazie magistrali PCI 2.1 (w wersji o częstotliwości taktowania 66 MHz) opracowano 32-bitową magistralę AGP (Accelerated Graphics Port). AGP była przeznaczona wyłącznie do obsługi pojedynczej karty graficznej. Umożliwiała wykorzystywanie przez kartę graficzną pamięci operacyjnej. Magistrala AGP była połączona bezpośrednio z układem mostu północnego z pominięciem wolniejszej magistrali PCI.
AGP mogła pracować w jednym z czterech trybów: x1 przepustowość do 266 MB/s, napięcie zasilające 5 V, częstotliwość taktowania 66 MHz; x2 przepustowość do 532 MB/s, napięcie zasilające 3,3 V, efektywna częstotliwość taktowania 132 MHz (66 MHz x2); x4 przepustowość do 1064 MB/s, napięcie zasilające 1,5 V, efektywna częstotliwość taktowania 264 MHz (66 MHz x4); x8 przepustowość do 2128 MB/s, napięcie zasilające 0,8 V, efektywna częstotliwość taktowania 528 MHz (66 MHz x8). Karty grafiki i gniazda AGP posiadały różne wcięcia zabezpieczające przed montażem karty rozszerzeń niekompatybilnej ze slotem. Złącze AGP umożliwiało kartom graficznym pobór mocy do 48,25 W.
Architektura z połączeniami punkt-punkt Kontroler pamięci przeniesiony z układu mostu północnego do procesora. Wszystkie połączenia są realizowane jako oddzielne połączenia typu punkt-punkt o przepustowości dostosowanej do potrzeb. Most północny posiada oddzielne połączenia dla szybkich urządzeń zewnętrznych. Most południowy jest zintegrowanym kontrolerem urządzeń zewnętrznych. Wolna szyna PCI jest przeznaczona do usunięcia.
Magistrala HT Magistrala szeregowa HT (Hyper Transport) z połączeniami typu punkt-punkt została wprowadzona w 2001 r. Od 2003 r. 16-bitowa magistrala HT zastąpiła szynę FSB w procesorach AMD (od mikroarchitektury K8). Łącza HT są dwukierunkowe. Pojedyncze łącze HT może zawierać od 2 do 32 linii dla każdego kierunku. Obecnie wykorzystywana jest HT v3.1.
Obecnie procesory AMD używają 16-bitowego połączenia HT o częstotliwości taktowania dochodzącej do 2,6 GHz. Przepustowość połączeń HT w różnych wersjach: Wersja HT Maksymalna częstotliwość taktowania Maksymalna łączna przepustowość 1.0 i 1.1 800 MHz 12,8 GB/s 2.0 1,4 GHz 22,4 GB/s 3.0 2,6 GHz 41,6 GB/s 3.1 3,2 GHz 51,2 GB/s
Magistrala QPI W 2008 r. magistrala szeregowa QPI (Intel QuickPath Interconnect) z połączeniami typu punkt-punkt zastąpiła szynę FSB w procesorach Intela (począwszy od mikroarchitektury Nehalem). Każde połączenie QPI składa się z dwóch 20-liniowych połączeń (po jednym dla każdego kierunku). Obecnie procesory Intela wykorzystują QPI o częstotliwościach taktowania od 2,4 GHz do 4,8 GHz (w mikroarchitekturze Haswell). Maksymalna przepustowość łącza QPI o częstotliwości taktowania 4,8 GHz to 38,4 GB/s.
Magistrala PCI Express W 2004 r. wprowadzono magistralę szeregową PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express, PCIe) z połączeniami typu punkt-punkt. PCIe zastąpiła zarówno magistrale AGP jak i PCI. Połączenie PCIe pomiędzy dwoma urządzeniami może składać się z maksymalnie 32 linii. Karty rozszerzeń wykorzystujące mniejszą ilość linii mogą być montowane w gniazdach o większej ilości linii. Połączenie PCIe obsługuje pełną dwukierunkową komunikację.
Obecnie wykorzystuje się złącza zbudowane z maksymalnie 16 linii. Złącze PCIe x16 może dostarczyć maksymalnie 75 W mocy dla kart rozszerzeń. Na 2017 r. planowane jest wprowadzenie PCIe v4.0. Przepustowość połączeń PCIe w różnych wersjach: Wersja PCIe Przepustowość x1 x4 x8 x16 1.0 250,0 MB/s 1,0 GB/s 2,0 GB/s 4,0 GB/s 2.0 500,0 MB/s 2,0 GB/s 4,0 GB/s 8,0 GB/s 3.0 984,6 MB/s 3,9 GB/s 7,9 GB/s 15,8 GB/s 4.0 2,0 GB/s 7,9 GB/s 15,8 GB/s 32,5 GB/s
Przyszłość architektury z połączeniami punkt-punkt Obecnie obaj wiodący producenci procesorów integrują kontroler pamięci w CPU. Prawie wszystkie modele procesorów Intel mają zintegrowane karty graficzne. Niektóre modele procesorów Intel mają w całości zintegrowany układ mostu północnego. Można domniemywać, że w przyszłości wszystkie procesory będą zawierały zintegrowany most północny.
Dodatkowe technologie implementowane w płytach głównych
Karty graficzne Niektóre płyty główne są wyposażone w karty graficzne zintegrowane z mostkiem północnym. Układy graficzne wbudowywane w mostek północny mają zazwyczaj mniejsze możliwości oraz niższą wydajność niż dedykowane karty graficzne. Zintegrowane układy graficzne nie posiadają dedykowanej pamięci (wykorzystują część dostępnej pamięci RAM). Obecnie układy graficzne są już wbudowywane bezpośrednio w procesor (od 2011 r. w AMD APU, od 2010 r. w mikroarchitekturze Intel Clarkdale).
Karty dźwiękowe W 1997 r. Intel zaprezentował standard AC 97. Układy dźwiękowe standardu AC 97 były częściowo integrowane w mostku południowym (cyfrowy kontroler), a częściowo oddzielnie na płycie głównej (analogowe kodeki). Standard AC 97 pozwalał na uzyskanie 16 lub 20- bitowego dźwięku przestrzennego (maksymalnie 6-kanałowego). W czasach funkcjonowania standardu AC 97 niektóre płyty główne miały wbudowywane prawdziwe karty dźwiękowe (zazwyczaj zgodne z kartami dźwiękowymi Sound Blaster).
W 2004 r. Intel zaprezentował standard High Definition Audio (HD Audio). HD Audio umożliwia uzyskanie 32-bitowego dźwięku przestrzennego (maksymalnie 16- kanałowego). Standard HD Audio nie jest wstecznie zgodny ze standardem AC 97. Wyprowadzenia panelu przedniego płyty głównej są inne dla AC 97 i HD Audio. Niektóre płyty główne umożliwiają przełączanie pomiędzy dwoma standardami wyprowadzeń. Zmiany w obsłudze dźwięku wprowadzone w systemie operacyjnym Windows Vista spowodowały spadek popularności dedykowanych kart dźwiękowych.
Karty sieciowe Obecnie standardowo na płytach głównych wbudowuje się karty sieciowe. Zazwyczaj stosowane są karty Etherenet standardu 1 Gb/s. Płyty główne w formacie Mini-ITX często posiadają dodatkowo zintegrowane karty Wi-Fi wyposażone w zewnętrzne anteny. Chipsety Nvidia nforce 4 Ultra (2004 r.) miały wbudowany sprzętową zaporę sieciową Active Armor.
Podwójne układy BIOS/UEFI Niektóre płyty główne posiadają dwie kości pamięci ROM zawierające identyczne kopie programu BIOS lub UEFI. Umożliwia to awaryjne odzyskanie poprawnej konfiguracji programu BIOS/UEFI z zapasowej kości. Dodatkowo w przypadku niewłaściwej aktualizacji programu BIOS/UEFI możliwe jest odzyskanie poprzedniej działającej wersji bez zewnętrznego programatora.
Układy diagnostyczne i testowe Niektóre modele płyt głównych posiadają wbudowane wyświetlacze diagnostyczne systemu POST (Power-On Self-Test). Zazwyczaj sprzętowy reset konfiguracji programu BIOS/UEFI wymaga odpowiedniego zamontowania tzw. zworki. Niektóre płyty główne mają wbudowane przyciski służące do resetu programu BIOS/UEFI, restartu lub wyłączenia systemu komputerowego.
Rozbudowane sekcje zasilania Producenci płyt głównych często wyposażają droższe modele w rozbudowane wielofazowe i wyposażone w dodatkowe regulatory napięcia sekcje zasilania procesora i/lub innych elementów. Niektóre płyty główne są wyposażane w układy przeciwprzepięciowe i przeciwzwarciowe chroniące wybrane podzespoły i gniazda.
Podzespoły elektroniczne wysokiej jakości Wielu producentów płyt głównych stosuje w wybranych modelach kondensatory polimerowe zamiast kondensatorów elektrolitycznych. Kondensatory polimerowe mają kilkukrotnie dłuższą żywotność i nie zachodzi ryzyko wycieku elektrolitu. Czasami stosuje się ekranowanie pewnych układów lub umieszczanie ich na wydzielonej części PCB. Niektórzy producenci stosują niestandardowe płyty PCB (np. wzmacniane, wielowarstwowe, z włókna szklanego).
CrossFire i SLI Technologie SLI (Scalable Link Interfejs) i AMD CrossFire zostały opracowane odpowiednio w 2004 i 2005 r. Obie służą do wykorzystania więcej niż jednej karty graficznej z GPU odpowiednio firmy Nvidia lub AMD do generowania obrazu w trybie 3D. Nie wszystkie płyty główne obsługują SLI/CrossFire. Obecnie ze względu na dynamiczny rozwój GPU zarówno SLI jak i CrossFire są coraz mniej wykorzystywane.