Wykład 4: Płyta główna

Budowa i zasada
działania komputera
1
dr Artur Bartoszewski

Płyta Głowna
2

Układy otoczenia procesora (chipset)

Rozwiązania sprzętowe
MOSTEK PÓŁNOCNY

Rozwiązania sprzętowe
MOSTEK PÓŁNOCNY
MOSTEK POŁUDNIOWY

Schemat blokowy układów otoczenia procesora
(chipsetu)

Magistrala FBS
Definicja:
Magistrala FBS łączy procesor z mostkiem północnym
chipsetu.
Mostek Północny pośredniczy w wymianie danych
pomiędzy procesorem a pozostałymi układami płyty
głównej. Obsługuje bezpośrednio pamięć i kartę graficzną.
Mostek Południowy obsługuje układy o mniejszym
zapotrzebowaniu na transfer.
Prędkość taktowania magistrali FSB wyznacza prędkość
pracy mostka północnego, a pośrednio również prędkość
pracy procesora (z uwzględnieniem mnożników).

Budowa płyty głównej
8

Budowa płyty głównej

Budowa płyty głównej
Dodatkowe gniazdo
zasilania płyty
Gniazda pamięci
Procesor
Gniazdo
zasilania płyty
CHIPSET
Złącza
kart graficznych
Złącza
kart rozszerzeń
PCI Express
Złącze karty
rozszerzeń PCI
Stacja dyskietek
Kontrolery
pamięci masowych
BIOS
Złącza
do obudowy

Budowa płyty głównej

BIOS

Rola BIOS-u
Definicja:
BIOS (Basic Imput Output System) jest podstawowym
systemem obsługi wejścia/wyjścia.
Odpowiada za sposób komunikacji procesora z
wszystkimi podsystemami płyty.
Jest integralną częścią płyty i nie może być
wymieniany pomiędzy różnymi rodzajami płyt.

BIOS

3 funkcje BIOSU
BIOS pełni w systemie trzy role:
1. Likwiduje (z punktu widzenia systemu operacyjnego)
różnice pomiędzy układowymi rozwiązaniami płyty.
2. Oferuje procedury obsługi standardowych układów
we/wy z których może korzystać zarówno system jak i
programista (przerwania BIOSu)
3. Inicjuje start systemu operacyjnego

Fazy pracy BIOSU
BIOS jest niezbędny w każdym komputerze. Pierwszy dochodzi do głosu
po włączeniu komputera. Aby mógł być obecny w systemie już we
wstępnej fazie rozruchu, mieści się w układzie pamięciowym ROM na
płycie głównej.
W ramach procedury POST (Power On Self Test) dokonuje
wstępnych oględzin zainstalowanych podzespołów sprzętowych,
inicjuje je i sprawdza podstawową zdolność funkcjonowania.
Następnie zaczyna działać procedura BIOS-u zwana bootstrap -
loaderem, sprawdzając kolejno wszystkie napędy w poszukiwaniu
sektora startowego, z którego da się wczytać system operacyjny.
Do zadań BIOS-u należy ponadto udostępnianie systemowi
operacyjnemu i jego aplikacjom odpowiednich procedur (tzn.
procedur obsługi przerwań), aby mogły się odwoływać do
podzespołów sprzętowych. Korzystają z tego m.in. DOS i programy
diagnostyczne. Wszystkie wersje środowiska Windows od wersji 95
wyposażono w sterowniki nawiązujące bezpośredni kontakt ze
sprzętem.

Struktura programu SETUP

Konfiguracja BIOS-u
‣ Aby dostać się do programu konfiguracyjnego, trzeba zaraz po
włączeniu peceta nacisnąć określony klawisz, zazwyczaj [Del], [F1],
[F2], [F10] lub kombinacje [Ctrl Alt Esc].
‣ Na ekranie startowym powinien się pojawić stosowny komunikat.
Parametry BIOS-u pozwalają zmieniać różne ustawienia, począwszy
od najprostszych, takich jak tryb transmisji portu szeregowego,
skończywszy na bardzo interesujących.
‣ Przy zmianach ustawień BIOS-u zachować należy ostrożność
i rozwagę.
‣ Np. ustawienie zbyt wysokiego napięcia zasilającego procesor, a
także zmiany w geometrii twardego dysku mogą mieć opłakane
skutki.
‣ Jednocześnie w niejednym komputerze drzemią niespodziewane
zapasy wydajności, które można wykorzystać tylko za pomocą
BIOS-u. W ten sposób zyskasz większą wydajność, nie inwestując
ani grosza.

Producenci BIOSU
Rynek płyt głównych zdominowało trzech wielkich producentów
BIOS-ów:
‣ AMI,
‣ Award,
‣ Phoenix.
‣ Nie oznacza to wcale, że są tylko trzy wersje BIOS-u.
‣ Każdy producent zmierza inną drogą. Większość kupuje
gotowy kod źródłowy, a potem go modyfikuje.
‣ W rezultacie powstały niezliczone warianty BIOSU oraz
zawartego w nim programu konfiguracyjnego. Różniące się
one zakresem i nazwami opcji.

BIOS na kartach rozszerzeń
Aby zapewnić możliwość obsługi niestandardowych urządzeń
zainstalowanych jako karty rozszerzeń wyposaża się je we własny
program BIOS.
Jego zadaniem jest przeprowadzenie testu karty oraz dostarczenie
programów obsługi przerwań potrzebnych do jej działania.
Z informacji zawartych w BIOS-ie karty korzysta także mechanizm
autokonfiguracji (PNP) oraz sterowniki dla systemów operacyjnych
(Windows, Linux)

Magistrale kart rozszerzeń

Rozwój magistral komputera PC

Czas „życia” poszczególnych magistral
Pentium 4
PCI -Express

Przepustowość magistral

Magistrala ISA
Magistrala ISA jest magistrala 16-to bitową, taktowaną
zegarem 8 MHz
Transmisja 1 słowa (2 bajtów) (przy założeniu braku cykli
oczekiwania) zajmuje 2 cykle zegara.
Maksymalna przepustowość magistrali ISA wynosi:
8MHz
2B
2 takty
8
MB
s
Wadą standardu ISA jest brak mechanizmów
wspierających autokonfigurację.

Magistrala ISA

Magistrala PCI
Magistrala PCI dysponuje własnym, zdefiniowanym zestawem
sygnałów różnych od sygnałów magistrali lokalnej procesora.
Z procesorem i pamięcią komunikuje się za pomocą układu
zwanego interfejsem PCI
Magistrala PCI pracuje w trybie bust.
Częstotliwość zegara dla magistrali PCI w wersji 2.1 wynosi od 0
do 66 MHz
Pozwala to osiągnąć transfery:
• 264 MB/s dla magistrali 32 bitowej
• 528 KB/s dla magistrali 64 bitowej
Pojedyncza magistrala zapewnia współpracę do 256 układów
funkcjonalnych. Dodatkowo przy zastosowaniu tak zwanych mostów
PCI-PCI możliwa jest współpraca wielu magistral.

Płyta główna – PCI

Gniazda PCI
Magistrale PCI mogą być zarówno 32, jak i 64-bitowe (zarówno
adres jak i dane).
Napięcia zasilania podawane przez magistrale to 5v lub 3,3V

Magistrala AGP
AGP (ang. Accelerated Graphics Port) jest interfejsem kart graficznych.
AGP powstał, ponieważ szybkość transmisji oferowana przez PCI
okazała się niewystarczająca dla grafiki.
W standardzie AGP dodano szybką, bezpośrednią magistralę
między chipsetem a sterownikiem grafiki. W ten sposób zmniejszono
obciążenie szyny PCI.
Poprzez zastosowanie interfejsu AGP zwiększyła się szybkość
transmisji .
132 MB/s, dla PCI, do 528 MB/s, dla AGPx2,
przy częstotliwości taktowania 66 MHz.
Dodatkową zaletą standardu AGP jest umożliwienie karcie grafiki
bezpośredniego pobierania danych z pamięci komputera, bez potrzeby
ich kopiowania do pamięci karty.

Zalety magistrali AGP
Główne zalety AGP to:
1. Duża szybkość transmisji
2. Przydzielenie pełnej przepustowości AGP wyłącznie
karcie graficznej
3. Odciążenie magistrali PCI
4. Umożliwienie wykorzystania części pamięci głównej na
potrzeby systemu graficznego:
• tekstury nie muszą być przed użyciem ładowane do
lokalnej pamięci wideo;
• przechowywanie tekstur w pamięci RAM umożliwia
stosowanie większych tekstur i zmniejsza
wymagania dotyczące pamięci adaptera.

Magistrala PCI-Express
Szeregowa szyna systemowa wykorzystywana do przyłączania
urządzeń do płyty głównej.
Już podczas tworzenia nowego rozwiązania zakładano, że ma
on zastąpić szynę PCI oraz gniazdo AGP. Służy przesyłaniu
danych zarówno z karty graficznej, jak i innych urządzeń
zamontowanych na płycie głównej.
Zgodnie ze specyfikacją w magistrali PCI Express dane są
przesyłane dwukierunkowo w postaci pakietów.
Podstawowa wersja gniazda PCI Express została oznaczona
1x i jest dwa razy szybsza niż do tej pory używana magistrala
PCI.

Magistrala PCI-Express - sloty
PCI Express opiera się na szeregowym
połączeniu punkt do punktu.
Najprostsze połączenie między odbiornikiem a nadajnikiem
składa się z dwóch jednokierunkowych, zasilanych różnicowo par
przewodów niskonapięciowych.
Zapobiega to przenikaniu sygnału do sąsiadujących linii
sygnałowych.

Magistrala PCI-Express - sloty
Zgodnie ze specyfikacją dostępne są szybsze gniazda
oznaczone odpowiednio 2x, 4x, 8x, 16x oraz 32x.
W praktyce oznacza to, że najszybsze gniazdo
dysponuje aż 32 niezależnymi kanałami
transmisyjnymi.
Kolejną zaletą PCI Express jest to, że na płycie głównej można
zamontować na przykład same gniazda 16x i podłączyć do nich
wolniejsze karty 1x. Taka konfiguracja będzie działać bez
większych problemów.

Magistrala PCI-Express – mnożniki i transfery

Magistrala PCI-Express – mnożniki i transfery

Magistrala PCI-Express – mnożniki i transfery
Tryb
PCIExpress 1x
PCIExpress 2x
PCIExpress 4x
PCIExpress 8x
PCIExpress 16x
PCIExPress 32x
Przepustowość
250 MB/s
500 MB/S
1000 MB/s
2000 MB/s
4000 MB/s
8000 MB/s

Magistrala PCI-Express
Jedną z największych zalet nowej magistrali jest
możliwość instalacji dwóch takich samych kart
graficznych w celu zwiększenia wydajności układu
graficznego.
W przypadku firmy nVidin rozwiązanie takie nosi
nazwę SLI. Natomiast firma ATI swoje rozwiązanie
nazwala CrossFire.

Standardy płyt głównych

Standardy płyt głównych
Budowa płyty głównej, jej rozmiar, rozmieszczenie
poszczególnych elementów i gniazd nie są dowolne. Jak
wszystkie elementy składowe komputera PC podgalają
standaryzacji.

AT
AT Advanced Technology) – standard konstrukcji płyt głównych
oraz zasilaczy i obudów komputerowych do nich. Obecnie wyparty
przez ATX.
Standard AT został udostępniony w 1984 r. przez IBM.
W odróżnieniu od wcześniejszych standardów: PC i XT,
rozpowszechnił się bardzo szeroko ze względu na rozkwit
rynku komputerów w latach 80. Klony komputerów IBM używały
w tamtych czasach konstrukcji kompatybilnych z AT,
przyczyniając się do popularności tego standardu.
W latach 90. wiele komputerów wciąż wykorzystywało AT oraz
jego odmiany, jednak od 1997 r. do głosu doszedł standard
ATX.

AT vs ATX

ATX
Obecnie dominującą pozycję ma
standard ATX.
Charakteryzuje się on przede
wszystkim zintegrowanymi z płytą
główną wszystkimi gniazdami
wyprowadzeń. Złącza portów
szeregowych i równoległych,
klawiatury, myszy, USB, dźwięku czy
IEEE są integralną częścią samej
płyty.
Płyty ATX dzięki lepszemu
rozmieszczeniu komponentów
zapewniają mniejszą plątaninę kabli
wewnątrz komputera, łatwiejszy
dostęp do modułów pamięci, a
wszystkie złącza kart rozszerzających
można wykorzystywać w ich pełnej
długości.

Odmiany standardu ATX
Format ATX posiada kilka odmian, są to:
‣ Micro ATX - nieco mniejsze od ATX ale o takich samych
właściwościach
‣ Flex ATX - jeszcze mniejsze od poprzednich ale umożliwiają
przyłączenie najwyżej 4 kart (ISA, PCI lub AGP) (dla porównania
karty ATX i Micro ATX mają zwykle 7 gniazd kart rozszerzeń),
‣ Mini ITX – płyta zintegrowana, 1 gniazdo rozszerzeń
ATX Micro ATX Flex ATX Mini ITX
Szerokość x
głębokość
305 x 244
mm
244 x 244
mm
229 x 191
mm
170 x 170
mm
Rozmiar w
stosunku do
ATX
100% 80% 59% 39%

Rozmiary płyt głownychATX

Odmiany standardu ATX

Częścią standardu są otwory mocujące

Problemy ze standardem ATX
1. Nowe magistrale, a co za tym idzie nowe sloty
2. Wydzielona magistrala dla karty graficznej
3. Chłodzenie
Zdecydowana większość obudów nie była projektowana pod
kątem zapewnienia właściwego chłodzenia. Do wnętrza powietrze
dostaje się zwykle przez specjalnie przygotowane do tego celu
otwory lub przez wszelkie szpary i nieszczelności konstrukcji.
Według specyfikacji ATX za wymianę powietrza wewnątrz
obudowy odpowiada wentylator zasilacza, wydmuchując je na
zewnątrz. Jeśli wentylator znajdzie się w pobliżu zasilacza,
powinien wyciągać powietrze z wnętrza komputera.

BTX
Standard ATX ma już 12 lat. W branży komputerowej oznacza to
bardzo podeszły wiek i chyba pora przejść na zasłużoną
emeryturę. Do wejścia na scenę od dawna (2004) jest gotowy
następca - standard Balanced Technology Extended, czyli BTX.

BTX

BTX
Zmiany dotyczą przede wszystkim takiego rozmieszczenia
elementów płyty głównej, aby strumień chłodzącego powietrza
przepływał od przodu do tyłu obudowy komputera, a
wydzielające dużą ilość ciepła komponenty oddawały je w jego
kierunku.
W przedniej części obudowy umieszczony jest duży, dobrej
jakości wiatrak, który chłodzi radiator procesora oraz wymusza
obieg powietrza we wnętrzu obudowy.
Elementy wydzielające ciepło, takie jak karta graficzna czy
moduły pamięci, umieszczone są równolegle do strumienia, by
nie powodować jego zaburzeń.
Jednocześnie zmniejszono wymagania odnośnie przestrzeni
potrzebnej do budowy pełnowymiarowych konstrukcji
(zwłaszcza pod względem wysokości), co stanowi krok w
kierunku platform serwerowych.

BTX

Dziękuję za uwagę
54