Курс лекций по дисциплине 'Технические средства информатизации'

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»

Многопрофильный колледж

Политехнический колледж

Технические средства информатизации

Курс лекций

для специальности

230105 Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем

Рекомендовано комиссией

по специальности

Протокол №___ от_______

Автор (разработчик)

Савинова М.А. - преподаватель высшей категории МПК ПТК НовГУ.

Курс лекций по дисциплине «Технические средства информатизации» для студентов специальности 230105 Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем. МПК ПТК НовГУ. 2011. -145 с.

Содержание

Введение

4

Раздел 1 Основные конструктив­ные элементы средств вычисли­тельной техники

8

Тема 1.1 Корпуса и блоки пита­ния

9

Тема 1.2 Центральный процессор

22

Тема 1.3. Типы и логическое уст­ройство системных плат

36

Тема 1.4. Постоянная и оператив­ная память, КЭШ-память

55

Раздел 2 Периферийные устрой­ства вычислительной техники

58

Тема 2.1 Общие принципы взаимодей­ствия, программная под­держка работы периферийных устройств

99

Тема 2.2 Накопители на магнит­ных и оптических носителях

66

Тема 2.3. Видеоподсистема: мо­ни­торы, видеоадаптеры

83

Тема 2.4 Принципы обработки звуковой информации, звуковоспроизводящие системы

101

Тема 2.5 Устройства вывода ин­формации на печать: принтеры, плоттеры

109

Тема 2.6. Устройства ввода гра­фиче­ской информации: сканеры, графические планшеты

112

Тема 2.7. Манипуляторные уст­рой­ства ввода информации: кла­виатура, мышь и т.д.

115

Тема 2.8 Технические средства сетей ЭВМ

121

Тема 2.9. Нестандартные перифе­рий­ные устройства

127

Раздел 3 Выбор конфигурации оборудования

130

Тема 3.1 Выбор рациональной конфигурации оборудования в соответствии с решаемой задачей

131

Тема 3.2 Модернизация аппарат­ных средств

135

Раздел 4 Ресурсо и энергосбере­гающие технологии

139

Тема 4.1. Ресурсо и энергосбере­гающие технологии использова­ния вычислительной техники

139

Список литературы

145

Тема: Введение

Предмет и задачи дисциплины «Технические средства информатизации», ее место в учебном процессе. Назначение технических средств информатизации. Основные типы современных ЭВМ. Минимальный состав ПЭВМ и дополнительные устройства. Классификация компьютеров в зависимости от решаемых задач: компьютеры для задач моделирования и САПР, компьютеры для дома и офиса - Small Office, Home Office, технико-экономические показатели компьютеров.

Цели занятия:

- ознакомить студентов с задачами дисциплины «Технические средства информатизации», и ее местом в учебном процессе.

- ознакомить с назначением технических средств информатизации. Рассмотреть тенденции информатизации современного общества.

- воспитание информационной культуры учащихся, внимательности, аккуратности, дисциплинированности, усидчивости.

- развитие познавательных интересов, навыков самоконтроля, умения конспектировать.

Ход занятия:

1. Теоретическая часть.

Информатизация современного общества. Использование технических средств в деятельности человека.

Технические средства информатизации - это совокупность систем, машин, приборов, механизмов, устройств и прочих видов оборудования, предназначенных для автоматизации различных технологических процессов информатики, причем таких, выходным продуктом которых является именно информация (сведения, знания) или данные, используемые для удовлетворения информационных потребностей в разных областях предметной деятельности общества.

Современные технические средства информатизации и информационные системы на их основе характеризуются двумя основными свойствами.

Во-первых, они состоят из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, причем не обязательно одинаковой физической природы, объединенных общностью целей и задач функционирования в составе системы.

Во-вторых, они отличаются сложностью процессов движения информации и поведения, что обусловлено большим числом взаимосвязанных функций, реализуемых техническими средствами и системами, случайным характером внешних воздействий, необходимостью функционирования в условиях априорной неопределенности и часто меняющихся обстоятельств.

Все технические средства информатизации в зависимости от выполняемых функций можно разделить на шесть групп (рис. 1.1.1):

• Устройства ввода информации.

• Устройства вывода информации.

• Устройства обработки информации.

• Устройства передачи и приема информации.

• Устройства хранения информации.

• Многофункциональные устройства.

Как следует из приведенной выше классификации, большая часть современных технических средств информатизации в той или иной мере связана с электронными вычислительными машинами - персональными компьютерами (ПК), которые, по сути, объединяют множество технических средств, обеспечивающих автоматизированную обработку информации.

Например, устройства ввода и вывода (ввода/вывода) являются непременным и обязательным элементом любой ЭВМ, начиная с самой первой и заканчивая современными ПК, поскольку именно эти устройства обеспечивают взаимодействие пользователя с вычислительной системой.

С одной стороны, пользователь вводит команды или данные в компьютер через устройства ввода для их обработки, с другой стороны, вычислительная система выдает пользователю результаты своей работы посредством устройств вывода. Все устройства ввода/вывода персонального компьютера относятся к периферийным устройствам, т.е. подключаемым к микропроцессору через системную шину и соответствующие контроллеры. С развитием вычислительной техники они получили существенное развитие. На сегодняшний день существуют целые группы устройств (например, устройства местоуказания, мультимедиа), которые обеспечивают эффективную и удобную работу пользователя.

Рисунок 1.1.1. Технические средства информатизации

Главным устройством вычислительной машины является микропроцессор, обеспечивающий в наиболее общем случае управление всеми устройствами и обработку информации. Для решения специфических задач, например, математических вычислений современные персональные компьютеры оснащаются сопроцессорами. Эти устройства относятся к устройствам обработки информации.

Устройства передачи и приема информации (или устройства связи) являются непременными атрибутами современных информационных систем, которые все больше приобретают черты распределенных информационных систем, в которых информация хранится не в одном месте, а распределена в пределах некоторой сети, например, сети предприятия или глобальной сети Интернет.

В зависимости от целого ряда параметров (тип линии связи, вид подключения, удаленность носителей информационных ресурсов и др.) используются различные устройства связи.

Модем (модулятор-демодулятор) - устройство, преобразующее информацию в такой вид, в котором ее можно передавать по телефонным линиям связи. Внутренние модемы имеют PCI-интерфейс и подключаются непосредственно к системной плате. Внешние модемы подключаются через порты COM или USB.

Модемы выполняют цифро-аналоговое преобразование цифровых сигналов ПК для их передачи по телефонной линии связи или аналого-цифровое преобразование аналоговых сигналов из линии связи в цифровые сигналы для обработки в ПК. Модемы передают данные по обычным телефонным каналам со скоростью до 56 000 бит в секунду. Также модемы осуществляют сжатие данных перед отправлением и, соответственно, их реальная скорость может превышать максимальную скорость модема.

Сетевой адаптер (сетевая плата) - электронное устройство, выполненное в виде платы расширения (может быть интегрирован в системную плату) с разъемом для подключения к линии связи. Сетевой адаптер используется для подключения ПК к локальной компьютерной сети.

Устройства хранения информации занимают не последнее место среди всех технических средств информатизации, поскольку используются для временного (непродолжительного) или длительного хранения обрабатываемой и накапливаемой информации.

Многофункциональные устройства стали появляться сравнительно недавно. Отличительная особенность этих устройств заключается в сочетании целого ряда функций (например, сканирование и печать или печать и брошюровка печатных копий, и т.д.) по автоматизации действий пользователя. К многофункциональным устройствам относятся издательские системы, устройства копирования, размножения информации.

В дальнейшем при изучении дисциплины технические средства информатизации будут рассмотрены подробнее.

1.2. Практическая часть. (Презентации)

• Инструктаж по технике безопасности и правила поведения в компьютерном кабинете.

• Первая медицинская помощь при поражении электрическим током

Вопросы для самоконтроля

1. Какова роль информации в современном обществе?

2. Дайте различные определения информации.

3. Как соотносятся данные и информация?

4. Что понимается под техническими средствами информатизации?

Ссылки на дополнительные материалы (печатные и электронные ресурсы)

1. Гребенюк Е.И., Гребенюк Н.А. Технические средства информатизации издательский дом «Академия»-Москва, 2007 /стр.5-15/

Раздел 1 Основные конструктивные элементы средств вычислительной техники

Виды корпусов и блоков питания, типы процессоров, типы и логическое устройство материнских плат, модули оперативной и КЭШ-памяти.

Студент должен знать:

• типы и основные характеристики современных процессоров различных производителей;

• основные компоненты и принципы построения системных плат;

• типы и конструктивные особенности основной памяти компьютера;

• стандарты современных корпусов и блоков питания.

Студент должен уметь:

• проводить сравнительный анализ систем на основе различных центральных процес­соров;

• ориентироваться в характеристиках компонентов при выборе системной платы;

• производить оценку быстродействия системы с различным объемом и типом опера­тивной памяти;

• выбирать тип и мощность блока питания в зависимости от аппаратной конфигурации персонального компьютера.

Тема 1.1 Корпуса и блоки питания.

Основные типы и стандарты корпусов персональных компьютеров. Типы блоков питания и их конструктивные особенности. Мощность блока питания. Выбор блока питания в зависимости от аппаратной конфигурации персонального компьютера.

Студент должен знать:

• основные компоненты системного блока ПК;

• типы корпусов и блоков питания ПК;

• типы сетевых фильтров;

• назначение источников бесперебойного питания;

Цели занятия:

- ознакомить студентов с основными компонентами системного блока.

- изучить типы корпусов и блоков питания ПК, типы сетевых фильтров, назначение источников бесперебойного питания.

- воспитание информационной культуры учащихся, внимательности, аккуратности, дисциплинированности, усидчивости.

- развитие познавательных интересов, навыков самоконтроля, умения конспектировать.

Ход занятия:

Теоретическая часть.

• Роль блока питания

Блок питания является одним из самых ненадежных устройств компьютерной системы. Это жизненно важный компонент персонального компьютера, поскольку без электропитания не сможет работать ни одна компьютерная система.

• Назначение и принципы работы блоков питания

Главное назначение блоков питания - преобразование электрической энергии, поступающей из сети переменного тока, в энергию, пригодную для питания узлов компьютера.

Блок питания преобразует сетевое переменное напряжение 220 В, 50 Гц (120 В, 60 Гц) в постоянные напряжения +3,3, +5 и +12 В. Как правило, для питания цифровых схем (системной платы, плат адаптеров и дисковых накопителей) используется напряжение +3,3 или +5 В, а для двигателей (дисководов и различных вентиляторов) - +12 В. Компьютер работает надежно только в том случае, если значения напряжения в этих цепях не выходят за установленные пределы.

• Положительное напряжение

Как правило, цифровые электронные компоненты и интегральные схемы компьютера (системные платы, платы расширения, логические схемы дисководов) используют напряжения +3,3 и +5 В, в то время как двигатели (дисководов и вентиляторов) обычно работают с напряжением в 12 В. Список устройств и их потребляемая мощность приведены в табл. 1.

Для того чтобы система нормально работала, источник питания должен обеспечивать непрерывную подачу постоянного тока. Устройства, рабочее напряжение которых отличается от подаваемого, должны питаться от встроенных регуляторов напряжения. Например, рабочее напряжение 2,5 В для модулей памяти RIMM обеспечивается встроенным регулятором тока; процессоры подключаются к модулю стабилизатора напряжения (VRM), который обычно встраивается в системную плату.

Таблица 1. Потребляемая мощность компонентов компьютера

Напряжение

Устройства

+3,3 В

Наборы микросхем, модули памяти DIMM, платы PCI/AGP, разнообразные микросхемы

+5 В

Логические схемы дисководов, модули памяти SIMM, платы PCI/AGP, платы ISA, разнообразные микросхемы

+12 В

Двигатели, регуляторы напряжения (с высокой выходной мощностью)

• Отрицательное напряжение

Хотя напряжения -5 и -12 В подаются на системную плату через разъемы питания, для ее работы нужен только 5-вольтный источник питания. Питание -5 В поступает на контакт B5 шины ISA, а на самой системной плате оно не используется. Это напряжение предназначалось для питания аналоговых схем в старых контроллерах накопителей на гибких дисках, поэтому оно и подведено к шине. В современных контроллерах напряжение -5 В не используется; оно сохраняется лишь как часть стандарта шины ISA.

Напряжения +12 и -12 В на системной плате также не используются, а соответствующие цепи подключены к контактам B9 и B7 шины ISA. К ним могут подсоединяться схемы любых плат адаптеров, но чаще всего подключаются передатчики и приемники последовательных портов. Если последовательные порты смонтированы на самой системной плате, то для их питания могут использоваться напряжения -12 и +12 В.

В большинстве схем современных последовательных портов указанные напряжения не используются. Для их питания достаточно напряжения +5 В (или даже 3,3 В). Если в компьютере установлены именно такие порты, значит, сигнал +12 В от блока питания не подается.

Напряжение +12 В предназначено в основном для питания двигателей дисковых накопителей. Источник питания по этой цепи должен обеспечивать большой выходной ток, особенно в компьютерах с множеством отсеков для дисководов. Напряжение 12 В подается также на вентиляторы, которые, как правило, работают постоянно. Обычно двигатель вентилятора потребляет от 100 до 250 мА, но в новых компьютерах это значение ниже 100 мА. В большинстве компьютеров вентиляторы работают от источника +12 В, но в портативных моделях для них используется напряжение +5 В (или даже 3,3 В).

• Сигнал Power_Good

Блок питания не только вырабатывает необходимое для работы узлов компьютера напряжение, но и приостанавливает функционирование системы до тех пор, пока величина этого напряжения не достигнет значения, достаточного для нормальной работы. Иными словами, блок питания не позволит компьютеру работать при "нештатном" уровне напряжения питания.

В каждом блоке питания перед получением разрешения на запуск системы выполняется внутренняя проверка и тестирование выходного напряжения. После этого на системную плату посылается специальный сигнал Power_Good (питание в норме). Если такой сигнал не поступил, компьютер работать не будет.

Уровень напряжения сигнала Power_Good - около +5 В (нормальной считается величина от +3 до +6 В). Он вырабатывается блоком питания после выполнения внутренних проверок и выхода на номинальный режим и обычно появляется через 0,1-0,5 с после включения компьютера. Сигнал подается на системную плату, где микросхемой тактового генератора формируется сигнал начальной установки процессора.

При отсутствии сигнала Power_Good микросхема тактового генератора постоянно подает на процессор сигнал сброса, не позволяя компьютеру работать при нештатном или нестабильном напряжении питания.

Если выходные напряжения блока питания не соответствуют номинальным (например, при снижении напряжения в сети), сигнал Power_Good отключается и процессор автоматически перезапускается. При восстановлении выходных напряжений снова формируется сигнал Power_Good и компьютер начинает работать так, как будто его только что включили. Благодаря быстрому отключению сигнала Power_Good компьютер "не замечает" неполадок в системе питания, поскольку останавливает работу раньше, чем могут появиться ошибки четности и другие проблемы, связанные с неустойчивостью напряжения питания.

В компьютерах, выпущенных до появления стандарта ATX, сигнал Power_Good поступает на системную плату через контакт P8-1 разъема блока питания. В соответствии со стандартом ATX сигнал Power_Good поступает через восьмой контакт 20-контактного разъема блока питания.

В правильно спроектированном блоке питания выдача сигнала Power_Good задерживается до стабилизации напряжений во всех цепях после включения компьютера. В плохо спроектированных блоках питания (которые устанавливаются во многих дешевых моделях) задержка сигнала Power_Good часто недостаточна и процессор начинает работать слишком рано. Обычно задержка сигнала Power_Good составляет 0,1-0,5 с. В некоторых компьютерах ранняя подача сигнала Power_Good приводит к искажению содержимого CMOS-памяти.

• Конструктивные размеры блоков питания

Габариты блока питания и расположение его элементов характеризуются конструктивными размерами, или формфакторами. Узлы одинаковых размеров взаимозаменяемы. Проектируя компьютер, разработчики либо выбирают стандартные размеры, либо "изобретают велосипед". В первом случае владелец компьютера всегда сможет подобрать блок питания для своей системы. При разработке оригинальной конструкции блок питания получится уникальным, т.е. пригодным только для конкретной модели (в лучшем случае - для серии моделей) какого-либо производителя, и при необходимости его можно будет приобрести только в этой компании.

Компания IBM постоянно определяет стандарты различных компонентов персональных компьютеров, в число которых вошли и блоки питания. Начиная с 1995 года, все наиболее распространенные формфакторы блоков питания ПК разрабатывались на основе трех моделей IBM: PC/XT, АТ и PS/2 Model 30. Интересен тот факт, что все три модели блоков питания имели одинаковые соединители и выводы к системной плате. Отличались они главным образом формой, максимальной выходной мощностью, количеством разъемов питания для подключения периферийных устройств и компоновкой выключателя. Блоки питания, созданные на их основе, использовались в персональных компьютерах начиная с 1996 года; в некоторых конструкциях они используются и по сей день.

В 1995 году компания Intel представила формфактор ATX, ставший новым этапом для блоков питания. С 1996 года получивший широкое распространение формфактор ATX приходит на смену предыдущим стандартам IBM. ATX и последующие родственные стандарты имеют различные соединители, обеспечивающие подачу дополнительных напряжений и сигналов, тем самым допуская использование устройств с более высокой потребляемой мощностью и дополнительными возможностями, которые не поддерживались блоками питания формфактора АТ.

Технически блок питания в персональном компьютере представляет собой источник постоянного напряжения, преобразующий переменное напряжение в постоянное. Используемый в PC источник питания, в отличие от других типов источников, высокоэффективен, генерирует минимальное количество теплоты, имеет небольшой размер и низкую цену.

Существует семь основных физических формфакторов блоков питания, которые могут по праву называться промышленным стандартом. Пять из них созданы на основе конструкций IBM, два оставшихся - на основе разработок Intel. В наиболее современных системах используются только три их разновидности, все остальные считаются устаревшими.

Названия формфакторов блоков питания похожи на названия формфакторов системных плат. Тем не менее конструктивные размеры блоков питания скорее относятся к геометрическим параметрам корпусов, чем к размерам системных плат. Это связано с тем, что существует только два возможных типа соединителей (АТ или АТХ), которые могут быть использованы тем или иным формфактором.

Например, во всех блоках питания формфакторов PC/XT, АТ и LPX для подключения к системной плате применяется одна и та же пара 6-контактных соединителей, которая может быть использована для подачи питания на любую плату, имеющую одинаковый тип силового разъема. Подключение к системной плате - это одна сторона медали, но для того, чтобы блок питания физически подходил к системе, он должен соответствовать корпусу системного блока. Следовательно, необходимо не забывать о том, что блок питания должен не только подавать питание к системной плате, но и вписываться в тот корпус или шасси, где вы собираетесь его использовать.

Существует множество модификаций блоков питания каждого типа, которые различаются выходными мощностями. В настоящее время практически во всех новых компьютерах используется формфактор ATX (или же SFX).

Стандарт ATX

Новейшим стандартом на рынке PC-совместимых компьютеров стал ATX (рис. 1), который определил новую конструкцию системной платы и блока питания. В его основе лежит стандарт LPX (Slimline), но существует ряд особенностей, которые следует отметить. В настоящее время используется спецификация ATX версии 2.01.

Рис. 1. Блок питания стандарта ATX

Главная особенность состоит в том, что вентилятор теперь расположен на стенке корпуса блока питания, которая обращена внутрь компьютера, и поток воздуха прогоняется вдоль системной платы, поступая извне. Такое решение в корне отличается от традиционного, когда вентилятор располагается на тыльной стенке корпуса блока питания и воздух выдувается наружу. Поток воздуха в блоке ATX направляется на компоненты платы, которые выделяют больше всего тепла (процессор, модули памяти и платы расширения). Поэтому исчезает необходимость в ненадежных вентиляторах для процессора, в настоящее время получивших столь широкое распространение.

Другим преимуществом обратного направления воздуха является уменьшение загрязнения внутренних узлов компьютера. В корпусе создается избыточное давление, и воздух выходит через щели в корпусе, в отличие от систем другой конструкции. Например, если вы поднесете горящую сигарету к лицевой панели дисковода в обычной системе, то дым будет затягиваться через щель в панели дисковода и вредить головкам! В ATX-системах дым будет отгоняться от устройства, поскольку внутрь воздух попадает только через одно входное отверстие на тыльной стороне блока питания. В системе, работающей в условиях повышенной запыленности, на воздухозаборнике можно установить фильтр, который предотвратит попадание в систему частиц пыли.

Еще одна проблема, решенная в конструкции ATX, связана с системой охлаждения процессора. Во всех современных процессорах устанавливается активный теплоотвод, который представляет собой маленький вентилятор, "надетый" на процессор для его охлаждения. Практически все процессоры, выпускаемые Intel, поставляются с такими вентиляторами. В системах модели ATX для дополнительного охлаждения процессора используется заслонка рядом с блоком питания, которая направляет воздушный поток от вентилятора к процессору. Блок питания модели ATX берет воздух извне и создает в корпусе избыточное давление, тогда как в корпусах других систем давление понижено. Направление воздушного потока в обратную сторону позволило значительно улучшить охлаждение процессора и других компонентов системы.

Стандарт NLX

Технические требования NLX, также разработанные Intel, определяют низкопрофильную системную плату, во многом похожую на ATX. Однако в этом стандарте используется меньший формфактор. Как в предыдущих системах Slimline, системная плата NLX использует выносную плату для разъемов расширения. Плата NLX также разработана для упрощения доступа и обслуживания: ее легко выдвинуть из блока. Формфактор NLX предназначен для замены LPX (как формфактор ATX функционально заменил Baby-AT).

Технические требования NLX не определяют новый формфактор источника питания, но существует отдельный документ, в котором приведены рекомендации для источника питания NLX. Чтобы источник питания поместился в корпус NLX, он должен соответствовать размерам формфактора LPX, но в нем должны использоваться разъем с 20 контактами и сигналы напряжения в соответствии со спецификацией ATX (и даже вентилятор должен быть расположен как в блоке питания ATX). Хотя иногда можно приспособить источник питания для LPX, некоторые изготовители начали производить источники питания, специально созданные для использования в системах NLX.

Стандарт SFX (системные платы micro-ATX)

В декабре 1997 года Intel представила уменьшенный формфактор системной платы micro-ATX. Примерно в это же время появился и новый формфактор блока питания SFX, непосредственно разработанный для этой платы (рис. 2). Тем не менее в корпусах micro-ATX вместо этого блока зачастую использовался стандартный блок питания АТХ. В марте 1999 года Intel выпустила дополнение к спецификации micro-ATX, получившее название flex-ATX. Этот стандарт определял небольшую плату, предназначенную для недорогих компьютеров или устройств, созданных на их основе. Здесь-то и нашли свое воплощение блоки питания формфактора SFX, которые начали использоваться в различных компактных конструкциях. Источник питания SFX специально разработан для использования в малых системах, содержащих ограниченное количество аппаратных средств. Блок питания может в течение длительного времени обеспечивать питание при мощности 90 Вт (135 Вт пиковой мощности) в четырех напряжениях (+5, +12, -12 и +3,3 В). Этой мощности достаточно для малой системы с процессором Pentium II, интерфейсом AGP, тремя разъемами расширения и тремя периферийными устройствами типа жестких дисков и CD-ROM.

Одной из особенностей конструкции SFX является отсутствие выходного напряжения - 5 В, необходимого для использования системной платы ISA (большинство плат формфактора micro-ATX и flex-ATX не имеют разъемов ISA). Блоки питания SFX также не имеют силовых разъемов Auxiliary (3,3 и 5 В) или ATX12V, следовательно, они не должны использоваться с полноразмерными платами ATX, которые требуют соединений этого типа.

Если используется стандартный источник питания SFX, то вентилятор диаметром 60 мм крепится на поверхности корпуса, причем он вдувает холодный воздух внутрь корпуса компьютера (рис. 3). Вентилятор обдувает источник питания, и через отверстия в задней панели корпуса теплый воздух удаляется. Такое расположение вентилятора уменьшает шум, но в то же время обладает недостатками, которые были характерны для систем охлаждения до введения стандарта ATX. В любом случае необходимо использовать дополнительные охлаждающие элементы на наиболее тепловыделяющих элементах компьютера.

Для систем, которым необходимо более интенсивное отведение тепла, был разработан блок питания с вентилятором диаметром 90 мм. Этот больший по размеру вентилятор обеспечивает лучшее охлаждение элементов компьютера (рис. 4).

Рис. 2. Блок питания стандарта SFX с верхним расположением вентилятора диаметром 90 мм

Рис. 3. Блок питания стандарта SFX с вентилятором диаметром 60 мм (размеры в мм)

Рис. 4. Блок питания стандарта SFX с вентилятором диаметром 90 мм (размеры в мм)

Разъемы питания системной платы

Каждый блок питания содержит специальные соединители, подключаемые к соответствующим разъемам системной платы, подавая напряжение на центральный процессор, модули памяти и установленные платы расширения (ISA, PCI, AGP). Неправильное подключение разъемов может привести к весьма нежелательным последствиям, вплоть до сгорания блока питания и системной платы. Более подробно разъемы системной платы, используемые различными блоками питания, рассматриваются в следующих разделах.

• Разъемы блоков питания АТ

Системные платы промышленного стандарта PC, XT, AT, Baby-AT и LPX используют один и тот же тип разъемов блока питания. Для подключения системной платы используются два 6-контактных разъема питания (P8 и P9), показанные на рис. 5.

Рис. 5. Разъемы питания P8/P9 (называемые иногда P1/P2) формфактора AT/LPX

При подключении разъемов P8 и P9 к системной плате всегда следуйте правилу: совмещайте черные провода в середине. Некоторые производители корпусов и блоков питания делают специальные ключи, которые не позволяют неправильно подключать разъемы питания к системной плате. Такой разъем позволяет подключить питание к системной плате единственно правильным способом.

• Главный разъем питания ATX

Новый стандарт для разъемов блоков питания используется только в новой конструкции ATX (рис. 6): 20-контактный разъем. Расположение выводов разъема питания лучше показывать со стороны проводов. Это позволит правильно сориентировать разъем соединителя при его подключении к разъему системной платы.

Рис. 6. 20-контактный разъем блока питания конструкции ATX

Рис. 7. 20-контактный разъем блока питания ATX/NLX (вид со стороны разъема)

• Дополнительный разъем питания ATX

С разработкой новых типов процессоров и системных плат появилась необходимость в дополнительном энергообеспечении устройств. В частности, наборы микросхем и модули памяти DIMM требуют напряжения питания 3,3 В, увеличивая тем самым текущую потребность в этом напряжении. Кроме того, многие платы включают в себя регуляторы напряжения, предназначенные для преобразования подаваемого напряжения +5 В в разные уровни напряжений, необходимые для работы процессора. В конечном счете, возросшие потребности к выходным напряжениям 3,3 и 5 В привели к увеличению количества и размеров используемых проводов. Оплавленные разъемы и провода, значительно нагревающиеся во время работы, стали встречаться все чаще и чаще.

Чтобы справиться с этой проблемой, компания Intel изменила спецификацию ATX, добавив еще один силовой разъем, используемый для подключения системных плат ATX и различных устройств. Этот разъем предназначен для подвода дополнительного питания к системным платам, потребляющим электрический ток силой 18 А при напряжении +3,3 В, или более 24 А при напряжении +5 В. Более высокие уровни напряжения требуются обычно в системах, использующих устройства, потребляемая мощность которых от 250 до 300 Вт.

Дополнительный разъем, показанный на рис. 8, представляет собой 6-контактный разъем Molex-типа, похожий на один из силовых разъемов системной платы, используемых для подключения устройств AT/LPX. Имеющийся ключ позволяет предотвратить неправильное подключение.

Рис.8. Дополнительный разъем питания АТХ

• Разъем ATX12V

Питание к процессору подается от устройства, называемого модулем регулятора напряжения (VRM), который в настоящее время встраивается в большинство современных системных плат. Этот модуль считывает требуемые параметры потребляемой мощности процессора (обычно через выводы процессора) и соответствующим образом калибрует подаваемое напряжение. Конструкция регулятора напряжения позволяет подавать 5 или 12 В. В системе в основном используется напряжение 5 В, но многие компоненты в настоящее время переходят на 12 В, что связано с их энергопотреблением. Кроме того, напряжение 12 В используется, как правило, приводным электродвигателем, а все другие устройства потребляют напряжение 5 В. Величина напряжения, потребляемого VRM (5 или 12 В), зависит от параметров используемой системной платы или конструкции регулятора. Современные интегральные схемы регуляторов напряжения предназначены для работы при входном напряжении от 4 до 36 В, поэтому их конфигурация всецело зависит от разработчика системной платы.

Как правило, в системных платах, предназначенных для процессоров Pentium III и Athlon/Duron, используются 5-вольтные регуляторы напряжения. Несмотря на это, в последнее время возникла тенденция к переходу на регуляторы, потребляющие напряжение 12 В. Это связано с тем, что использование более высокого напряжения позволяет значительно уменьшить текущую нагрузку. Например, если использовать тот же 65-ваттный процессор AMD Athlon с рабочей частотой 1 ГГц, можно получить несколько уровней нагрузки при различных величинах потребляемого напряжения

При использовании напряжения 12 В сила потребляемого тока достигает только 5,4 А или, с учетом 75% эффективности регулятора напряжения, 7,2 А. Таким образом, модификация схемы VRM системной платы, позволяющая использовать напряжение 12 В, представляется достаточно простой. К сожалению, стандартный блок питания ATX 2.03 содержит в основном силовом разъеме только один вывод +12 В. Дополнительный разъем вообще не содержит выводов +12 В, поэтому толку от него немного. Подача тока силой 8 А и более на системную плату, осуществляемая при напряжении +12 В через стандартный провод, может привести к повреждению разъема.

Для повышения энергообеспечения системных плат в Intel была создана новая спецификация блоков питания ATX12V. Результатом этого стал новый силовой разъем, предназначенный для подачи дополнительного напряжения +12 В на системную плату. Этот силовой разъем показан на рис. 9.

Компания PC Power and Cooling выпустила адаптер, позволяющий дополнить стандартный блок питания ATX силовым разъемом ATX12V. Напряжение 12 В генерируется блоком питания и подается к устройству через периферийные разъемы. Адаптер ATX12V показан на рис. 10.

Рис. 9. Разъем питания ATX12V

Рис. 10. Адаптер ATX12V, созданный в компании PC Power and Cooling

Коррекция коэффициента мощности

• Усовершенствованная система управления питанием

Стандарт усовершенствованной системы управления питанием (Advanced Power Management - APM) разработан компанией Intel совместно с Microsoft и определяет ряд интерфейсов между аппаратными средствами управления питанием и операционной системой компьютера. Полностью реализованный стандарт APM позволяет автоматически переключать компьютер между пятью состояниями в зависимости от текущего состояния системы. Каждое последующее состояние в приведенном ниже списке характеризуется уменьшением потребления энергии.

Full On. Система полностью включена.

APM Enabled. Система работает, некоторые устройства являются объектами управления для системы управления питанием. Неиспользуемые устройства могут быть выключены, может быть также остановлена или замедлена (т.е. снижена тактовая частота) работа тактового генератора центрального процессора.

APM Standby (резервный режим). Система не работает, большинство устройств находятся в состоянии потребления малой мощности. Работа тактового генератора центрального процессора может быть замедлена или остановлена, но необходимые параметры функционирования хранятся в памяти. Пользователь или операционная система могут запустить компьютер из этого состояния почти мгновенно.

APM Suspend (режим приостановки). Система не работает, большинство устройств пассивны. Тактовый генератор центрального процессора остановлен, а параметры функционирования хранятся на диске и при необходимости могут быть считаны в память для восстановления работы системы. Чтобы запустить систему из этого состояния, требуется некоторое время.

Off (система отключена). Система не работает. Источник питания выключен. Для реализации режимов APM требуются аппаратные средства и программное обеспечение. Источниками питания ATX можно управлять с помощью сигнала Power_On и факультативного разъема питания с шестью контактами. (Необходимые для этого команды выдаются программой.) Изготовители также встраивают подобные устройства управления в другие элементы системы, например в системные платы, мониторы и дисководы.

Операционные системы (такие, как Windows 9x), которые поддерживают APM, при наступлении соответствующих событий запускают программы управления питанием, "наблюдая" за действиями пользователя и прикладных программ. Однако операционная система непосредственно не посылает сигналы управления питанием аппаратным средствам. Система может иметь множество различных аппаратных устройств и программных функций, используемых при выполнении функций APM. Чтобы разрешить проблему сопряжения этих средств в операционной системе и аппаратных средствах предусмотрен специальный абстрактный уровень, который облегчает связь между различными элементами архитектуры APM.

При запуске операционной системы загружается программа - драйвер APM, который связывается с различными прикладными программами и программными функциями. Именно они запускают действия управления питанием, причем все аппаратные средства, совместимые с APM, связываются с системной BIOS. Драйвер APM и BIOS связаны напрямую; именно эту связь использует операционная система для управления режимами аппаратных средств.

Таким образом, чтобы функционировали средства APM, необходим стандарт, поддерживаемый схемами, встроенными в конкретные аппаратные устройства системы, системная BIOS и операционная система с драйвером APM. Если хотя бы один из этих компонентов отсутствует, APM работать не будет.

• Усовершенствованная конфигурация и интерфейс питания

Впервые усовершенствованная конфигурация и интерфейс питания (Advanced Configuration and Power Interface - ACPI) были реализованы в современных BIOS и операционных системах Windows 98 и более поздних. Если BIOS вашего компьютера поддерживает систему ACPI, то все управление питанием передается операционной системе. Это упрощает конфигурирование параметров, все они находятся в одном месте - в операционной системе. Теперь для конфигурирования параметров системы управления питанием не нужно устанавливать соответствующие параметры в BIOS. ACPI реализована только в самых новых компьютерах.

• Проблемы, связанные с блоками питания

Чтобы найти неисправности в блоке питания, не стоит его вскрывать и пытаться ремонтировать, поскольку через него проходят высокие напряжения. Подобные работы должны выполнять только специалисты, знающие толк в этом деле.

О неисправности блока питания можно судить по многим признакам. Например, сообщения об ошибках четности часто свидетельствуют о неполадках в блоке питания. Это может показаться странным, поскольку подобные сообщения должны появляться при неисправностях ОЗУ. Однако связь в данном случае очевидна: микросхемы памяти получают напряжение от блока питания, и, если это напряжение не соответствует определенным требованиям, происходят сбои. Нужен некоторый опыт, чтобы достоверно определить, когда причина этих сбоев состоит в неправильном функционировании самих микросхем памяти, а когда скрыта в блоке питания. Еще один критерий оценки - повторяемость ошибки. Если сообщения об ошибках четности появляются часто и адрес ячейки памяти всегда один и тот же, то подозрение должно пасть, в первую очередь, на саму память. Но если ошибки хаотичны или адрес ячейки памяти все время изменяется, то причина, скорее всего, кроется в блоке питания. Ниже перечислены проблемы, возникающие при неисправности блока питания.

• Любые ошибки и зависания при включении компьютера.

• Спонтанная перезагрузка или периодические зависания во время обычной работы.

• Хаотичные ошибки четности или другие ошибки памяти.

• Одновременная остановка жесткого диска и вентилятора (нет напряжения +12 В).

• Перегрев компьютера из-за выхода из строя вентилятора.

• Перезапуск компьютера из-за малейшего снижения напряжения в сети.

• Удары электрическим током во время прикосновения к корпусу компьютера или к разъемам.

• Небольшие статические разряды, нарушающие работу системы.

Практически любые сбои в работе компьютера могут быть вызваны неисправностью блока питания. Есть, конечно, и более очевидные признаки, например:

• компьютер вообще не работает (не работает вентилятор, на дисплее нет курсора);

• появился дым;

• на распределительном щитке сгорел сетевой предохранитель.

Если вы подозреваете, что неисправен блок питания, выполните приведенные ниже действия.

Проверьте качество розетки, сетевого кабеля и разъемов.

Проверьте правильность и надежность подключения разъемов питания к системной плате и накопителям.

С помощью приборов проверьте напряжение на упомянутых разъемах.

Проверьте другое установленное оборудование - платы расширения, устройства резервного копирования и т.д. Извлекая по одному устройству, найдите причину неисправности.

Поскольку во время проведения этих измерений некоторые периодически возникающие неисправности иногда остаются незамеченными, полезно иметь запасной блок питания, сетевой кабель и дополнительные разъемы питания для более длительных проверок. Если после установки исправного запасного устройства симптомы неисправности исчезают, можно считать, что их причина установлена.

• Перегрузка блока питания

Недостаточно мощный блок питания может ограничить возможности расширения компьютера. Многие компьютеры выпускаются с довольно мощными блоками питания, которые рассчитаны на то, что в будущем в систему будут установлены новые (дополнительные) узлы.

Однако в некоторых компьютерах блоки питания имеют настолько низкую мощность, что попытки установить в них мало-мальски приемлемый набор дополнительных модулей заранее обречены на провал. Это особенно характерно для портативных компьютеров, в которых определяющим фактором для блока питания являются его размеры. Установка дополнительных устройств во многие старые компьютеры также весьма проблематична из-за недостаточно мощного блока питания. Его мощность должна соответствовать энергетической потребности сразу всех компонентов компьютера.

Паспортное значение мощности, указанное на блоке питания, не должно вводить вас в заблуждение. Не все блоки питания, например на 200 Вт, одинаковы. Дешевые блоки питания наверняка могут развивать мощность, указанную в паспорте, а как обстоят дела с помехами и качеством напряжений в цепях питания? Одни блоки питания с трудом "вытягивают" свои параметры, а другие работают с большим запасом. Многим дешевым блокам питания свойственны нестабильные выходные напряжения, в них также присутствуют шумы и помехи, что может привести к многочисленным проблемам. Кроме того, они обычно очень нагреваются сами и нагревают все остальные узлы. Большинство специалистов рекомендуют заменять установленные в компьютерах блоки питания более мощными. Поскольку конструкции этих блоков стандартизированы, найти замену для большинства систем не составит особого труда.

• Активное охлаждение

Важную роль в обеспечении надежной работы ПК играет вентиляция. Для охлаждения различных компонентов компьютера необходим определенный воздушный поток. Большинство современных процессоров устанавливаются на теплоотводах, которые нуждаются в постоянном обдуве. Если для этого предусмотрен отдельный вентилятор, особых проблем не возникает. Относительно остальных компонентов можно посоветовать следующее. Если часть разъемов свободна, расположите платы таким образом, чтобы воздух беспрепятственно циркулировал между ними. Установите самые нагревающиеся платы поближе к вентилятору или вентиляционным отверстиям в корпусе. Обеспечьте достаточное обдувание жестких дисков, особенно тех, которые вращаются с высокой скоростью. При работе некоторых накопителей выделяется значительное количество тепла и перегрев жесткого диска приводит к потере данных.

Компьютер всегда должен работать с закрытой крышкой. В противном случае он перегреется, так как вентилятор блока питания будет обдувать лишь блок питания, а остальные компоненты будут охлаждаться за счет конвекции. Хотя большинство компьютеров перегреваются не сразу, некоторые системы, особенно те, в которых установлено много дополнительных устройств, перегреваются при снятой крышке за 15-30 мин.

Кроме того, все пустые отсеки должны быть закрыты. В противном случае через отверстия в корпусе будет свободно проникать воздух, что может нарушить воздушный поток внутри компьютера и вызвать повышение температуры. Вентиляторы, смонтированные на процессорах, охлаждают только микропроцессоры.

Многие современные процессоры во время работы разогреваются так, что обычный пассивный теплоотвод не может их охладить. В этом случае небольшой вентилятор, смонтированный прямо на процессоре, позволяет обеспечить "точечное" охлаждение и снизить его температуру. Один из недостатков такого способа активного охлаждения процессора состоит в том, что при выходе вентилятора из строя микропроцессор мгновенно перегревается и тоже может выйти из строя.

Замена блоков питания

В большинстве случаев проще, безопаснее и дешевле заменить блок питания, а не ремонтировать его. При выборе конкретной модели блока питания необходимо учитывать несколько факторов.

Выбор блока питания

Прежде всего обратите внимание на формфактор блока питания. Например, блок питания для AT отличается от блоков питания для ATX, и они не взаимозаменяемы. Блоки питания различаются размерами, формой, расположением крепежных отверстий и выключателя, а также типами разъемов. Полное описание всех конструкций было приведено в начале главы. Разумеется, подбирая блок, вы должны знать, какая конструкция используется в вашем компьютере. В некоторых системах используются уникальные блоки питания, что существенно усложняет их замену.

При покупке совместимого компьютера вы рискуете приобрести нестандартный блок питания. Если он выполнен по стандартной конструкции, замену ему можно найти у сотен фирм и по доступной цене. Если же конструкция нестандартная, выбор будет ограничен производителем самого компьютера, а стоимость блока питания окажется намного выше.

Блок питания персонального компьютера - один из самых ненадежных узлов. Их производят сотни фирм, и дать обзор всех выпускаемых изделий просто невозможно.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие стандарты блоков питания существуют?

2. Какой стандарт БП был самым первым?

3. Чем отличаются стандарт ATX от AT?

4. Какой стандарт БП используется для серверов начального уровня?

5. Какие формфакторы БП существуют?

6. Что повлияло на создание новых стандартов БП?

Ссылки на дополнительные материалы (печатные и электронные ресурсы)

Гребенюк Е.И., Гребенюк Н.А. Технические средства информатизации издательский дом «Академия»-Москва, 2007 /стр.15-23/

Тема 1.2 Центральный процессор.

Этапы развития центральных процессоров для персональных компьютеров. Современ­ная технология и архитектурные решения. RISC и CISC технологии. Основные параметры процессоров. 32-х и 64-х разрядные процессоры. 32-х разрядные процессоры основных производителей: Intel, AMD, VIA. Сравнительный анализ характеристик современных процессоров. Основные тенденции и перспективы развития.

Студент должен знать:

• основные характеристики процессоров;

• об этапах развития процессоров;

• типы процессоров;

• основные современные модели процессоров;

Студент должен уметь:

• определять основные характеристики процессора с помощью тестовых программ;

Цели занятия:

• - ознакомить студентов с основными компонентами системного процессора.

• - изучить типы процессоров и их характеристики.

• - воспитание информационной культуры учащихся, внимательности, аккуратности, дисциплинированности, усидчивости.

• - развитие познавательных интересов, навыков самоконтроля, умения конспектировать.

Ход занятия:

Теоретическая часть.

"Мозгом" персонального компьютера является микропроцессор, или центральный процессор - CPU (Central Processing Unit). Микропроцессор выполняет вычисления и обработку данных (за исключением некоторых математических операций, осуществляемых в компьютерах, имеющих сопроцессор) и, как правило, является самой дорогостоящей микросхемой компьютера. Во всех PC-совместимых компьютерах используются процессоры, поддерживающие семейство микросхем Intel, но выпускаются и проектируются они не только самой Intel, но и компаниями AMD, Cyrix, IDT и Rise Technologies.

В настоящее время Intel доминирует на рынке процессоров, но так было далеко не всегда. Компания Intel прочно ассоциируется с изобретением первого процессора и его появлением на рынке. Звездный час компаний Intel и Microsoft наступил в 1981 году, когда IBM выпустила первый персональный компьютер IBM PC с процессором Intel 8088 (4,77 МГц) и операционной системой Microsoft Disk Operating System (DOS) версии 1.0. С этого момента практически во все персональные компьютеры устанавливаются процессоры Intel и операционные системы Microsoft.

• Параметры процессоров

При описании параметров и устройства процессоров часто возникает путаница. Рассмотрим некоторые характеристики процессоров, в том числе разрядность шины данных и шины адреса, а также быстродействие.

Процессоры можно классифицировать по двум основным параметрам: разрядности и быстродействию. Быстродействие процессора - довольно простой параметр. Оно измеряется в мегагерцах (МГц); 1 МГц равен миллиону тактов в секунду. Чем выше быстродействие, тем лучше (тем быстрее процессор). Разрядность процессора - параметр более сложный. В процессор входит три важных устройства, основной характеристикой которых является разрядность:

• шина ввода и вывода данных;

• внутренние регистры;

• шина адреса памяти.

Процессоры с тактовой частотой менее 16 МГц не имеют встроенной кэш-памяти. В системах до 486-го процессора быстрая кэш-память устанавливалась на системную плату. Начиная с процессоров 486, кэш-память первого уровня устанавливалась непосредственно в корпусе и работала на частоте процессора. А кэш-память на системной плате стали называть кэш-памятью второго уровня. Она работала уже на частотах, поддерживаемых системной платой.

В процессорах Pentium Pro и Pentium II кэш-память второго уровня устанавливается в корпусе и физически представляет отдельную микросхему. Чаще всего такая память работает на половинной (процессоры Pentium II/III и AMD Athlon) или даже меньшей (две пятых или треть) частоте ядра процессора.

В процессорах Pentium Pro, Pentium II/III Xeon, современных моделях Pentium III, Celeron, K6-3, Athlon (модель 4), Duron кэш-память работает на частоте ядра. Причина того, что кэш-память второго уровня работала на меньшей по сравнению с ядром процессора частоте, довольно проста: существующие микросхемы кэш-памяти не удовлетворяли условиям рынка. Компанией Intel была создана микросхема быстродействующей кэш-памяти для процессора Xeon, себестоимость которой оказалась чрезвычайно высокой. Однако появление новых технологий производства процессоров позволило использовать кэш-память, работающую на частоте ядра, и в дешевых процессорах Celeron второго поколения. Эта конструкция была заимствована вторым поколением Intel Pentium III, а также процессорами K6-3, Athlon и Duron компании AMD. Подобная архитектура, используемая в настоящее время практически во всех разработках Intel и AMD, представляет собой единственный более или менее рентабельный способ применения быстродействующей кэш-памяти второго уровня.

Быстродействие процессора

Быстродействие - это одна из характеристик процессора, которую зачастую толкуют по-разному. В этом разделе вы узнаете о быстродействии процессоров вообще и процессоров Intel в частности.

Быстродействие компьютера во многом зависит от тактовой частоты, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц). Она определяется параметрами кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под воздействием электрического напряжения в кристалле кварца возникают колебания электрического тока с частотой, определяемой формой и размером кристалла. Частота этого переменного тока и называется тактовой частотой. Микросхемы обычного компьютера работают на частоте нескольких миллионов герц. (Герц - одно колебание в секунду.) Быстродействие измеряется в мегагерцах, т.е. в миллионах циклов в секунду. На рис. 1 показан график синусоидального сигнала.

Рис. 1. Графическое представление понятия тактовая частота

Наименьшей единицей измерения времени (квантом) для процессора как логического устройства является период тактовой частоты, или просто такт. На каждую операцию затрачивается минимум один такт. Например, обмен данными с памятью процессор Pentium II выполняет за три такта плюс несколько циклов ожидания. (Цикл ожидания - это такт, в котором ничего не происходит; он необходим только для того, чтобы процессор не "убегал" вперед от менее быстродействующих узлов компьютера.)

Различается и время, затрачиваемое на выполнение команд.

8086 и 8088. В этих процессорах на выполнение одной команды уходит примерно 12 тактов.

286 и 386. Эти процессоры уменьшили время на выполнение команд примерно до 4,5 тактов.

Процессор 486 и большая часть Intel-совместимых процессоров четвертого поколения, таких, как AMD 5x86, уменьшили этот параметр до 2 тактов.

Серия Pentium, K6. Архитектура процессоров Pentium и других Intel-совместимых процессоров пятого поколения, созданных в AMD и Cyrix, включающая в себя двойные конвейеры команд и прочие усовершенствования, обеспечила выполнение одной или двух команд за один такт.

Pentium Pro, Pentium II/III/Celeron и Athlon/Duron. Процессоры класса P6, а также другие процессоры шестого поколения, созданные компаниями AMD и Cyrix, позволяют выполнить минимум три команды за один такт.

Различное количество тактов, необходимых для выполнения команд, затрудняет сравнение производительности компьютеров, основанное только на их тактовой частоте (т.е. количестве тактов в секунду). Почему при одной и той же тактовой частоте один процессор работает быстрее другого? Причина кроется в производительности.

Процессор 486 обладает более высоким быстродействием по сравнению с 386-м, так как на выполнение команды ему требуется в среднем в два раза меньше тактов, чем 386-му. А процессору Pentium - в два раза меньше тактов, чем 486-му. Таким образом, процессор 486 с тактовой частотой 133 МГц (типа AMD 5x86-133) работает даже медленнее, чем Pentium с тактовой частотой 75 МГц! Это происходит потому, что при одной и той же частоте Pentium выполняет вдвое больше команд, чем процессор 486. Pentium II и Pentium III - приблизительно на 50% быстрее процессора Pentium, работающего на той же частоте, потому что они могут выполнять значительно больше команд в течение того же количества циклов.

Сравнивая относительную эффективность процессоров, можно увидеть, что производительность Pentium III, работающего на тактовой частоте 1 000 МГц, теоретически равна производительности Pentium, работающего на тактовой частоте 1 500 МГц, которая, в свою очередь, теоретически равна производительности процессора 486, работающего на тактовой частоте 3 000 МГц, а она, в свою очередь, теоретически равна производительности процессоров 386 или 286, работающих на тактовой частоте 6 000 МГц, или же 8088-го, работающего на тактовой частоте 12 000 МГц. Если учесть, что первоначальный PC с процессором 8088 работал на тактовой частоте, равной всего лишь 4,77 МГц, то сегодняшние компьютеры более чем в 1,5 тыс. раз быстрее по сравнению с ним. Поэтому нельзя сравнивать производительность компьютеров, основываясь только на тактовой частоте; необходимо принимать во внимание то, что на эффективность системы влияют и другие факторы.

Оценивать эффективность центрального процессора довольно сложно. Центральные процессоры с различными внутренними архитектурами выполняют команды по-разному: одни и те же команды в разных процессорах могут выполняться либо быстрее, либо медленнее. Чтобы найти удовлетворительную меру для сравнения центральных процессоров с различной архитектурой, работающих на разных тактовых частотах, Intel изобрела специфический ряд эталонных тестов, которые можно выполнить на микросхемах Intel, чтобы измерить относительную эффективность процессоров. Эта система тестов недавно была модифицирована для того, чтобы можно было измерять эффективность 32-разрядных процессоров; она называется индексом (или показателем) iCOMP 2.0 (intel Comparative Microprocessor Performance - сравнительная эффективность микропроцессора Intel). В настоящее время используется третья версия этого индекса - iCOMP 3.0.

Тактовая частота процессора

Почти все современные процессоры, начиная с 486DX2, работают на тактовой частоте, которая равна произведению некоторого множителя на тактовую частоту системной платы. Например, процессор Celeron 600 работает на тактовой частоте, в девять раз превышающей тактовую частоту системной платы (66 МГц), а Pentium III 1000 - на тактовой частоте, в семь с половиной раз превышающей тактовую частоту системной платы (133 МГц). Большинство системных плат работали на тактовой частоте 66 МГц; именно такую частоту поддерживали все процессоры Intel до начала 1998 года, и только недавно эта компания разработала процессоры и наборы микросхем системнойлогики, которые могут работать на системных платах, рассчитанных на 100 МГц. Некоторые процессоры компании Cyrix разработаны для системных плат, рассчитанных на 75 МГц, и многие системные платы, предназначенные для Pentium, также могут работать на этой частоте. Обычно тактовую частоту системной платы и множитель можно установить с помощью перемычек или других процедур конфигурирования системной платы (например, с помощью выбора соответствующих значений в программе установки параметров BIOS).

В конце 1999 года появились наборы микросхем и системные платы с тактовой частотой 133 МГц, поддерживающие все современные версии процессора Pentium III. В это же время компания AMD выпустила системные платы Athlon и наборы микросхем с тактовой частотой 100 МГц, использующие технологию удвоенной передачи данных. Это позволило увеличить скорость передачи данных между процессором Athlon и основным набором микросхем до 200 МГц.

К 2001 году быстродействие шин процессоров AMD Athlon и Intel Itanium увеличилось до 266 МГц, а шины процессора Pentium 4 - до 400 МГц.

Иногда возникает вопрос, почему в мощном процессоре Itanium используется более медленная по сравнению с Pentium 4 шина центрального процессора. Вопрос этот крайне актуален! Ответ, скорее всего, заключается в том, что эти компоненты были созданы совершенно разными группами разработчиков с различными целями и задачами. Процессор Itanium, разработанный совместно с компанией HP (Hewlett Packard), был предназначен для использования памяти с удвоенной скоростью передачи данных (DDR), которая, в свою очередь, работает на более подходящей для семейства серверов тактовой частоте 266 МГц. Соответствие скорости шины центрального процессора и шины памяти позволяет достичь наибольшего быстродействия, поэтому система, использующая DDR SDRAM, работает лучше, если тактовая частота шины CPU (центрального процессора) также равна 266 МГц.

С другой стороны, Pentium 4 разрабатывался для использования RDRAM, следовательно, быстродействие системной шины соответствует скорости RDRAM. Обратите внимание, что быстродействие шины, как и любого процессора, выпущенного компанией Intel, в будущем может измениться.

В современных компьютерах используется генератор переменной частоты, обычно расположенный на системной плате; он генерирует опорную частоту для системной платы и процессора. На большинстве системных плат процессоров Pentium можно установить одно из трех или четырех значений тактовой частоты. Сегодня выпускается множество версий процессоров, работающих на различных частотах, в зависимости от тактовой частоты конкретной системной платы. Например, быстродействие большинства процессоров Pentium в несколько раз превышает быстродействие системной платы.

При прочих равных условиях (типах процессоров, количестве циклов ожидания при обращении к памяти и разрядности шин данных) два компьютера можно сравнивать по их тактовым частотам. Однако делать это следует осторожно: быстродействие компьютера зависит и от других факторов (в частности, от тех, на которые влияют конструктивные особенности памяти). Например, компьютер с более низкой тактовой частотой может работать быстрее, чем вы ожидаете, а быстродействие системы с более высоким значением номинальной тактовой частоты будет ниже, чем следовало бы. Определяющим фактором при этом является архитектура, конструкция и элементная база оперативной памяти системы.

Во время изготовления процессоров проводится тестирование при различных тактовых частотах, значениях температуры и давления. После этого на них наносится маркировка, где указывается максимальная рабочая частота во всем используемом диапазоне температур и давлений, которые могут встретиться в обычных условиях. Система обозначений довольно проста, так что вы сможете в ней самостоятельно разобраться.

• Эффективность процессоров Cyrix

В маркировке процессоров Cyrix/IBM 6x86 используется шкала PR (Performance Rating - оценка эффективности), значения на которой не равны истинной тактовой частоте в мегагерцах. Например, процессор Cyrix 6x86MX/MII-PR366 фактически работает на тактовой частоте 250 МГц (2,5Ч100 МГц). Тактовая частота системной платы указанного процессора должна быть установлена так, как при установке процессора с тактовой частотой 250, а не 366 МГц (как можно предположить по числу 366 на маркировке).

Обратите внимание, что процессор с Cyrix 6x86MX-PR200 может работать на тактовых частотах 150, 165, 166 или 180 МГц, но не на частоте 200 МГц. Рассматриваемая оценка эффективности предназначена для сравнения с оригинальными процессорами Intel Pentium (Celeron, Pentium II или Pentium III в этой оценке не участвуют).

Предполагается, что оценка эффективности (P-Rating) определяет быстродействие процессора по отношению к Intel Pentium. Но следует заметить, что сравниваемый процессор Cyrix не содержит технологии MMX, его кэш-память первого уровня имеет меньший объем, использованы платформа системной платы и набор микросхем довольно старой версии, не говоря уже о более медленной памяти. По этим причинам шкала P-Rating малоэффективна при сравнении процессоров Cyrix с Celeron, Pentium II или Pentium III, а значит, их лучше оценивать по действительному быстродействию. Другими словами, процессор Cyrix 6x86MX/MII-PR366 работает только на тактовой частоте 250 МГц и может сравниваться с процессорами Intel, имеющими подобное значение тактовой частоты. Я полагаю, что маркировка MII-366 для процессора, который фактически работает с частотой 250 МГц, мягко говоря, несколько обманчива.

• Эффективность процессоров AMD

Аналогичным образом сравнивается эффективность процессоров AMD серии K5. Оценка эффективности серии K6 и Athlon указывает на реальную рабочую частоту. В процессорах семейства Athlon шина работает на удвоенной частоте системной платы (200 МГц).

Шина данных

Одной из самых общих характеристик процессора является разрядность его шины данных и шины адреса. Шина - это набор соединений, по которым передаются различные сигналы. Представьте себе пару проводов, проложенных из одного конца здания в другой. Если вы подсоедините к этим проводам генератор напряжения в 220 Вольт, а вдоль линии расставите розетки, то получится шина. Независимо от того, в какую розетку будет вставлена вилка, вы всегда получите один и тот же сигнал, в данном случае - 220 Вольт переменного тока. Любую линию передачи (или среду для передачи сигналов), имеющую более одного вывода, можно назвать шиной. В обычном компьютере есть несколько внутренних и внешних шин, а в каждом процессоре - две основные шины для передачи данных и адресов памяти: шина данных и шина адреса.

Когда говорят о шине процессора, чаще всего имеют в виду шину данных, представленную как набор соединений (или выводов) для передачи или приема данных. Чем больше сигналов одновременно поступает на шину, тем больше данных передается по ней за определенный интервал времени и тем быстрее она работает. Разрядность шины данных подобна количеству полос движения на скоростной автомагистрали; точно так же, как увеличение количества полос позволяет увеличить поток машин по трассе, увеличение разрядности позволяет повысить производительность.

Данные в компьютере передаются в виде цифр через одинаковые промежутки времени. Для передачи единичного бита данных в определенный временной интервал посылается сигнал напряжения высокого уровня (около 5 В), а для передачи нулевого бита данных - сигнал напряжения низкого уровня (около 0 В). Чем больше линий, тем больше битов можно передать за одно и то же время. В процессорах 286 и 386SX для передачи и приема двоичных данных используется 16 соединений, поэтому у них шина данных считается 16-разрядной. У 32-разрядного процессора, например 486 или 386DX, таких соединений вдвое больше, поэтому за единицу времени он передает вдвое больше данных, чем 16-разрядный. Современные процессоры типа Pentium имеют 64-разрядные внешние шины данных. Это означает, что процессоры Pentium, включая оригинальный Pentium, Pentium Pro и Pentium II, могут передавать в системную память (или получать из нее) одновременно 64 бита данных.

Представим себе, что шина - это автомагистраль с движущимися по ней автомобилями. Если автострада имеет всего по одной полосе движения в каждую сторону, то по ней в одном направлении в определенный момент времени может проехать только одна машина. Если вы хотите увеличить пропускную способность дороги, например, вдвое, вам придется ее расширить, добавив еще по одной полосе движения в каждом направлении. Таким образом, 8-разрядную микросхему можно представить в виде однополосной автомагистрали, поскольку в каждый момент времени по ней проходит только один байт данных (один байт равен восьми битам). Аналогично, 32-разрядная шина данных может передавать одновременно четыре байта информации, а 64-разрядная подобна скоростной автостраде с восемью полосами движения! Автомагистраль характеризуется количеством полос движения, а процессор - разрядностью его шины данных. Если в руководстве или техническом описании говорится о 32- или 64-разрядном компьютере, то обычно имеется в виду разрядность шины данных процессора. По ней можно приблизительно оценить производительность процессора, а значит, и всего компьютера.

Разрядность шины данных процессора определяет также разрядность банка памяти. Это означает, что 32-разрядный процессор, например класса 486, считывает из памяти или записывает в память 32 бита одновременно. Процессоры класса Pentium, включая Pentium III и Celeron, считывают из памяти или записывают в память 64 бита одновременно.

• Кэш-память первого уровня

Во всех процессорах, начиная с 486-го, имеется встроенный (первого уровня) кэш-контроллер с кэш-памятью объемом 8 Кбайт в процессорах 486DX, а также 32, 64 Кбайт и более в современных моделях. Кэш - это быстродействующая память, предназначенная для временного хранения программного кода и данных. Обращения к встроенной кэш-памяти происходят без состояний ожидания, поскольку ее быстродействие соответствует возможностям процессора, т.е. кэш-память первого уровня (или встроенный кэш) работает на частоте процессора.

Использование кэш-памяти уменьшает традиционный недостаток компьютера, состоящий в том, что оперативная память работает более медленно, чем центральный процессор (так называемый эффект "бутылочного горлышка"). Благодаря кэш-памяти процессору не приходится ждать, пока очередная порция программного кода или данных поступит из относительно медленной основной памяти, что приводит к ощутимому повышению производительности.

В современных процессорах встроенный кэш играет еще более важную роль, потому что он часто является единственным типом памяти во всей системе, который может работать синхронно с процессором. В большинстве современных процессоров используется множитель тактовой частоты, следовательно, они работают на частоте, в несколько раз превышающей тактовую частоту системной платы, к которой они подключены.

• Кэш-память второго уровня

Для того чтобы уменьшить ощутимое замедление системы, возникающее при каждом промахе кэша, задействуется кэш-память второго уровня.

Вторичный кэш для процессоров Pentium находится на системной плате, а для Pentium Рro и Pentium II - внутри корпуса процессора. Переместив вторичный кэш в процессор, можно заставить его работать с более высокой тактовой частотой, чем у системной платы, - такой же, как и у самого процессора. При увеличении тактовой частоты время цикла уменьшается.

На сегодняшний день стандартная тактовая частота системной платы равна 66, 100 или 133 МГц, но некоторые процессоры работают на тактовой частоте 600 МГц или выше. В более новых системах не используется кэш на системной плате, поскольку быстрые модули SDRAM или RDRAM, применяемые в современных системах Pentium II/Celeron/III, могут работать на тактовой частоте системной платы.

Процессоры Celeron с тактовой частотой от 300 МГц и выше, а также процессоры Pentium III, частота которых более 600 МГц, содержат кэш-память второго уровня, скорость которой равна частоте ядра процессора. Встроенная кэш-память процессоров Duron и последних моделей Athlon также работает с частотой процессора. В более ранних версиях процессоров Athlon, а также Pentium II и III, используется внешний кэш с рабочей частотой, равной половине, двум пятым или одной трети тактовой частоты процессора. Как видите, существующий диапазон скоростей кэша, начиная с полной частоты центрального процессора и заканчивая более низкой частотой основной памяти, позволяет минимизировать длительность состояний ожидания, выдерживаемых процессором. Это позволяет процессору работать с частотой, наиболее близкой к его фактическому быстродействию.

• Технология MMX

В зависимости от контекста, MMX может означать multi-media extensions (мультимедийные расширения) или matrix math extensions (матричные математические расширения). Технология MMX использовалась в старших моделях процессоров Pentium пятого поколения (рис. 2) в качестве расширения, благодаря которому ускоряется компрессия/декомпрессия видеоданных, манипулирование изображением, шифрование и выполнение операций ввода-вывода - почти все операции, используемые во многих современных программах.

Рис.2. Вид процессора Intel Pentium MMX сверху и снизу. Фотография публикуется с разрешения Intel

В архитектуре процессоров MMX есть два основных усовершенствования.

Первое, фундаментальное, состоит в том, что все микросхемы MMX имеют больший внутренний встроенный кэш, чем их собратья, не использующие эту технологию. Это повышает эффективность выполнения каждой программы и всего программного обеспечения независимо от того, использует ли оно фактически команды MMX.

• Технология SSE

В феврале 1999 года Intel представила общественности процессор Pentium III, содержащий обновление технологии MMX, получившей название SSE (Streaming SIMD Extensions - потоковые расширения SIMD). До этого момента инструкции SSE носили имя Katmai New Instructions (KNI), так как первоначально они были включены в процессор Pentium III с кодовым именем Katmai. Процессоры Celeron 533A и выше, созданные на основе ядра Pentium III, тоже поддерживают инструкции SSE. Более ранние версии процессора Pentium II, равно как Celeron 533 и ниже (созданные на основе ядра Pentium II), SSE не поддерживают.

Новые технологии SSE позволяют более эффективно работать с трехмерной графикой, потоками аудио- и видеоданных (DVD-воспроизведение), а также приложениями распознавания речи. В целом SSE обеспечивает следующие преимущества:

• более высокое разрешение/качество при просмотре и обработке графических изображений;

• улучшенное качество воспроизведения звуковых и видеофайлов в формате MPEG2, а

• также одновременное кодирование и декодирование формата MPEG2 в мультимедийных приложениях;

• уменьшение загрузки процессора и повышение точности/скорости реагирования при

• выполнении программного обеспечения для распознавания речи.

Инструкции SSE и SSE2 особенно эффективны при декодировании файлов формата MPEG2, который является стандартом сжатия звуковых и видеоданных, используемым в DVD-дисках.

Одним из основных преимуществ SSE по отношению к MMX является поддержка операций SIMD с плавающей запятой, что очень важно при обработке трехмерных графических изображений. Технология SIMD, как и MMX, позволяет выполнять сразу несколько операций при получении процессором одной команды.

• Технология 3DNow и Enhanced 3DNow

Технология 3DNow разработана компанией AMD в ответ на реализацию поддержки инструкций SSE в процессорах Intel. Впервые (май 1998 года) 3DNow реализована в процессорах AMD K6, а дальнейшее развитие - Enhanced 3DNow - эта технология получила в процессорах Athlon и Duron. Аналогично SSE, технологии 3DNow и Enhanced 3DNow предназначены для ускорения обработки трехмерной графики, мультимедиа и других интенсивных вычислений.

Производство процессоров

Основным химическим элементом, используемым при производстве процессоров, является кремний, самый распространенный элемент на земле после кислорода. Это базовый компонент, из которого состоит прибрежный песок (кремниевый диоксид); однако в таком виде он не подходит для производства микросхем.

Чтобы кремний можно было использовать в качестве материала для изготовления микросхем, необходим длительный технологический процесс, который начинается с получения кристаллов чистого кремния по методу Жокральски (Czochralski). По этой технологии сырье, в качестве которого используется в основном кварцевая порода, преобразуется в электродуговых печах в металлургический кремний. Затем для удаления примесей полученный кремний плавится, дистиллируется и кристаллизуется в виде полупроводниковых слитков с очень высокой степенью чистоты (99,999999%). После механической нарезки слитков полученные заготовки загружаются в кварцевые тигли и помещаются в электрические сушильные печи для вытяжки кристаллов, где плавятся при температуре более 2500° по Фаренгейту. Для того чтобы предотвратить образование примесей, сушильные печи обычно устанавливаются на толстом бетонном основании. Бетонное основание, в свою очередь, устанавливается на амортизаторах, что позволяет значительно уменьшить вибрацию, которая может негативно сказаться на формировании кристалла.

Как только заготовка начинает плавиться, в расплавленный кремний помещается небольшой медленно вращающийся затравочный кристалл (рис. 3). По мере удаления затравочного кристалла от поверхности расплава вслед за ним вытягиваются кремниевые нити, которые, затвердевая, образуют требуемую кристаллическую структуру. Изменяя скорость перемещения затравочного кристалла (10-40 мм в час) и температуру (примерно 2500° по Фаренгейту), получаем кристалл кремния малого начального диаметра, который затем наращивается до нужной величины. В зависимости от размеров микросхем, выращенный кристалл достигает 8-12 дюймов (20-30 мм) в диаметре и 5 футов (около 1,5 м) в длину. Вес выращенного кристалла достигает нескольких сотен фунтов.

Заготовка вставляется в цилиндр диаметром 200 мм (текущий стандарт), часто с плоской вырезкой на одной стороне для точности позиционирования и обработки. Затем каждая заготовка разрезается алмазной пилой более чем на тысячу круговых подложек толщиной менее миллиметра (рис. 4). После этого подложка полируется до тех пор, пока ее поверхность не станет зеркально гладкой.

Рис. 3. Цилиндрическая кремниевая заготовка создается при большой температуре и высоком давлении

Рис. 4. При изготовлении процессора заготовка разрезается алмазной пилой более чем на тысячу круговых подложек

В производстве микросхем используется процесс, называемый фотолитографией. Технология этого процесса такова: на полупроводник, служащий основой чипа, один за другим наносятся слои разных материалов; таким образом создаются транзисторы, электронные схемы и проводники (дорожки), по которым распространяются сигналы. В точках пересечения специфических схем можно создать транзистор или переключатель (вентиль). Фотолитографический процесс начинается с покрытия подложки слоем полупроводника со специальными добавками, затем этот слой покрывается фоторезистивным химическим составом, после чего изображение микросхемы проектируется на ставшую теперь светочувствительной поверхность. В результате добавления к кремнию (который, естественно, является диэлектриком) донорных примесей получается полупроводник. Проектор использует специальный фотошаблон (маску), который является, по сути, картой данного конкретного слоя микросхемы. (Микросхема процессора Pentium III содержит пять слоев; другие современные процессоры могут иметь шесть или больше слоев. При разработке нового процессора потребуется спроектировать фотошаблон для каждого слоя микросхемы.)

Проходя через первый фотошаблон, свет фокусируется на поверхности подложки, оставляя отпечаток изображения этого слоя. (Каждое изображение на микросхеме называется кристаллом.) Затем специальное устройство несколько перемещает подложку, а тот же фотошаблон (маска) используется для печати следующей микросхемы. После того как микросхемы будут отпечатаны на всей подложке, едкая щелочь смоет те области, где свет воздействовал на фоторезистивное вещество, оставляя отпечатки фотошаблона (маски) конкретного слоя микросхемы и межслойные соединения (соединения между слоями), а также пути прохождения сигналов. После этого на подложку наносится другой слой полупроводника и вновь немного фоторезистивного вещества поверх него, затем используется следующий фотошаблон (маска) для создания очередного слоя микросхемы. Таким способом слои наносятся один поверх другого до тех пор, пока не будет полностью изготовлена микросхема.

Финальная маска добавляет так называемый слой металлизации, используемый для соединения всех транзисторов и других компонентов. В большинстве микросхем для этого слоя используют алюминий, но в последнее время стали использовать медь. Например, при производстве процессоров компании AMD на фабрике в Дрездене используется медь. Это объясняется лучшей проводимостью меди по сравнению с алюминием. Однако для повсеместного использования меди необходимо решить проблему коррозии.

Когда обработка круговой подложки завершится, на ней будет фотоспособом отпечатано максимально возможное количество микросхем. Микросхема обычно имеет форму квадрата или прямоугольника, по краям подложки остаются некоторые "свободные" участки, хотя производители стараются использовать каждый квадратный миллиметр поверхности. В настоящее время стандартный размер подложки - 200 мм в диаметре. Общая площадь подложки приблизительно равна 31 416 мм2. В процессоре Pentium II 300 МГц содержится 7,5 млн транзисторов, для их изготовления используется 0,35-микронная технология (один микрон - миллионная доля метра). При изготовлении по этой технологии сторона квадратного кристалла равна 14,2 мм, а площадь - 202 мм2. Таким образом, из одной подложки диаметром 200 мм можно получить приблизительно 150 микросхем Pentium II 300 МГц.

В последнее время наблюдается тенденция к увеличению подложки и уменьшению размера элементов на кристалле микросхемы. В названии технологии указан размер отдельно взятых элементов схем и транзисторов. Например, при изготовлении процессоров Pentium II 333-450 МГц используется 0,25-микронная технология; размер кристалла, изготовленного по этой технологии, меньше: кристалл имеет форму квадрата со стороной всего лишь 10,2 мм, а площадь микросхемы равна 104 мм2. Теперь на той же подложке диаметром 200 мм может разместиться приблизительно 300 микросхем Pentium II, т.е. в два раза больше, чем при использовании старой 0,35-микронной технологии.

При изготовлении процессоров Pentium III 600 МГц и более производительных используется 0,18-микронная технология; при этом площадь микросхемы равна 104 мм2, а сторона квадратного кристалла - 10,2 мм. Таким образом, кристалл процессора Pentium III имеет те же размеры, что и кристалл Pentium II, но в то же время содержит 28,1 млн транзисторов (для сравнения: Pentium II содержит 7,5 млн транзисторов).

Сейчас перешли с 0,18-микронной технологии к 0,13-микронной и увеличили размер подложки с 200 до 300 мм. Это привело к существенному увеличению количества микросхем на одной подложке и позволило выпускать микросхемы с 200 млн транзисторов. Например, процессор Pentium III Xeon с 2 Мбайт встроенного кэша содержит 140 млн транзисторов. В настоящее время используются подложки 300 мм.

При вводе новой поточной линии не все микросхемы на подложке будут годными. Но по мере совершенствования технологии производства данной микросхемы возрастет и процент годных (работающих) микросхем, который называется выходом годных. В начале выпуска новой продукции выход годных может быть ниже 50%, однако ко времени, когда выпуск продукта данного типа прекращается, он составляет уже 90%. Большинство изготовителей микросхем скрывают реальные цифры выхода годных, поскольку знание фактического отношения годных к бракованным может быть на руку их конкурентам. Если какая-либо компания будет иметь конкретные данные о том, как быстро увеличивается выход годных у конкурентов, она может скорректировать цены на микросхемы или спланировать производство так, чтобы увеличить свою долю рынка в критический момент.

По завершении обработки подложки специальное устройство проверяет каждую микросхему на ней и отмечает некачественные, которые позже будут отбракованы. Затем микросхемы вырезаются из подложки с помощью высокопроизводительного лазера или алмазной пилы. После того как кристаллы вырезаны из подложек, каждая микросхема испытывается отдельно, упаковывается и снова проходит тест. Процесс упаковки называется соединением: после того как кристалл помещается в корпус, специальная машина соединяет тонюсенькими золотыми проводами выводы кристалла со штырьками (или контактами) на корпусе микросхемы. Затем микросхема упаковывается в специальный пакет - контейнер, который, по существу, предохраняет ее от неблагоприятных воздействий внешней среды.

После того как выводы кристалла соединены со штырьками на корпусе и микросхема упакована, выполняется заключительное тестирование, чтобы определить правильность функционирования и номинальное быстродействие. Разные микросхемы одной и той же серии зачастую обладают различным быстродействием. Специальные тестирующие приборы заставляют каждую микросхему работать в различных условиях (при разных давлениях, температурах и тактовых частотах), определяя значения параметров, при которых прекращается корректное функционирование микросхемы. Параллельно определяется максимальное быстродействие; после этого микросхемы сортируются по быстродействию и распределяются по приемникам: микросхемы с близкими параметрами попадают в один и тот же приемник. Например, микросхемы Pentium III 750, 866 и 1 000 МГц представляют собой одну и ту же микросхему, т.е. все они были напечатаны с одного и того же фотошаблона, кроме того, сделаны они из одной и той же заготовки, но в конце производственного цикла были отсортированы по быстродействию.

Поскольку в процессе производства, естественно, совершенствуется линия по сборке микросхем, процент версий с более высоким быстродействием возрастает. Это означает, что, если на подложке всего 150 микросхем, скорее всего, более 100 из них будут работать с тактовой частотой 1 000 МГц и только несколько не будут обладать таким быстродействием. Парадокс состоит в том, что Intel продает намного больше дешевых микросхем, маркированных частотами 933 и 866 МГц. Вероятно, это происходит потому, что процессоры, которые могли бы работать на частоте 1 000 МГц, на основе результатов тестирования автоматически направляются в приемник для процессоров, предназначенных для работы на частотах 933 или 866 МГц. Далее эти микросхемы соответствующим образом маркируются и продаются по более низкой цене. Пользователи, обнаружив, что многие из этих дешевых чипов фактически работают на гораздо более высокой тактовой частоте, чем указанная в маркировке, стали повышать частоту, на которой работает процессор.

• Корпуса процессоров

Корпус PGA

Корпус типа PGA до недавнего времени был самым распространенным. Он использовался начиная с 80-х годов для процессоров 286 и сегодня применяется для Pentium и Pentium Pro. На нижней части корпуса микросхемы имеется массив штырьков, расположенных в виде решетки. Корпус PGA вставляется в гнездо типа ZIF (Zero Insertion Force - нулевая сила вставки). Гнездо ZIF имеет рычаг для упрощения процедуры установки и удаления чипа.

Для большинства процессоров Pentium используется разновидность PGA - SPGA (Staggered Pin Grid Array - шахматная решетка массива штырьков), где штырьки на нижней стороне чипа расположены в шахматном порядке, а не в стандартном - по строкам и столбцам. Это было сделано для того, чтобы разместить штырьки ближе друг к другу и уменьшить занимаемую микросхемой площадь. Справа на рис. 5 показан корпус Pentium Pro, на котором штырьки расположены по двойному шаблону SPGA; рядом с ним - обычный корпус процессора Pentium 66. Обратите внимание, что на верхней половине корпуса Pentium Pro имеются дополнительные штырьки, которые расположены среди других строк и столбцов в шахматном порядке.

Рис. 5. Pentium 66 в корпусе PGA (слева) и Pentium Pro в корпусе SPGA,на котором штырьки расположены по двойному шаблону (справа)

Корпус FCPGA

В октябре 1999 года Intel анонсировала процессоры Pentium III с интегрированной кэш-памятью, которые подключались к гнезду Socket 370. В них использовался корпус FCPGA (Flip Chip Pin Grid Array). Скорее всего, именно этот корпус будет использоваться в последующих версиях процессоров Intel.

• Напряжение питания процессоров

В последнее время явно прослеживается тенденция к снижению напряжения питания процессоров. Наиболее очевидным следствием этого является снижение потребляемой мощности. Конечно, если потребляемая мощность меньше, то функционирование системы обходится дешевле; еще более важным является снижение потребляемой мощности для переносных систем, так как благодаря этому компьютер может работать намного дольше на одной и той же батарее. Именно значительное удлинение срока службы батареи, вызванное снижением потребляемой мощности, повлекло за собой множество усовершенствований, направленных на понижение напряжения питания процессора.

Еще одним преимуществом является то, что при пониженном напряжении, а следовательно, и при более низкой потребляемой мощности выделяется меньше тепла. Процессор и вентилятор можно размещать ближе к другим компонентам, т.е. упаковка системы может быть более плотной; кроме того, срок службы процессора возрастает. К преимуществам можно отнести и то, что процессор вместе с вентилятором потребляет меньшую мощность, а потому может работать быстрее.

Именно благодаря снижению напряжения удалось повысить тактовую частоту процессоров. До выпуска портативных компьютеров на базе Pentium и Pentium MMX в большинстве процессоров использовалось одно и то же напряжение и для процессора, и для схем вводавывода. Вначале большинство процессоров, а также схемы ввода-вывода работали при напряжении, равном 5 В, которое позже было снижено до 3,5 или 3,3 В (в целях уменьшения потребляемой мощности). Когда один и тот же уровень напряжения используется для процессора, его внешней шины и сигналов схем ввода-вывода, говорят, что такой процессор использует единственный, или унифицированный, уровень напряжения.

При создании процессора Pentium для переносных компьютеров компанией Intel был разработан способ, применяя который можно значительно уменьшить потребляемую мощность при сохранении совместимости с существующими наборами микросхем системной логики, микросхемами логики шины, микросхемами памяти и другими компонентами, рассчитанными на 3,3 В. Благодаря этому был создан компьютер с двумя уровнями напряжения, или с расщеплением уровня напряжения, в котором процессор использовал более низкое напряжение, а схемы ввода-вывода работали при напряжении 3,3 В. Это новшество стали называть технологией уменьшения напряжения (Voltage Reduction Technology - VRT); оно появилось в портативных вариантах процессора Pentium в 1996 году. Позже два уровня напряжения использовались также в процессорах для настольных систем; например, в Pentium MMX использовалось напряжение 2,8 В, а схемы ввода-вывода работали при напряжении 3,3 В. Теперь в большинстве современных процессоров как для переносных, так и для настольных компьютеров используются два уровня напряжения. В некоторых современных процессорах типа Mobile Pentium II используется напряжение 1,6 В, хотя все еще поддерживается совместимость с компонентами ввода-вывода, работающими при напряжении 3,3 В.

Процессоры Pentium Pro, Celeron и Pentium II/III/IV автоматически устанавливают величину напряжения питания, управляя встроенным в системную плату преобразователем напряжения через контакты Voltage ID (VID).

• Перегрев и охлаждение

В компьютерах с быстродействующими процессорами могут возникать серьезные проблемы, связанные с перегревом микросхем. Более быстродействующие процессоры потребляют большую мощность и соответственно выделяют больше тепла. Для отвода тепла необходимо принимать дополнительные меры, поскольку встроенного вентилятора может оказаться недостаточно.

Для охлаждения процессора нужно приобрести дополнительный теплоотвод (радиатор). В некоторых случаях может потребоваться нестандартный теплоотвод с большей площадью поверхности (с удлиненными ребрами).

Теплоотводы бывают пассивными и активными. Пассивные теплоотводы являются простыми радиаторами, а активные содержат небольшой вентилятор, требующий дополнительного питания.

Теплоотводы могут быть прижатыми к микросхеме или приклеенными к ее корпусу. В первом случае для улучшения теплового контакта между радиатором и корпусом микросхемы их поверхности следует смазать теплопроводящей пастой. Она заполнит воздушный зазор, обеспечив лучшую передачу тепла. На рис. 6 показаны способы соединения теплоотвода и процессора. Эффективность теплоотводов определяется отношением температуры радиатора к рассеиваемой мощности. Чем меньше это отношение, тем эффективность рассеивания тепла выше. Для увеличения эффективности радиатора в него встраивают вентиляторы. Такие теплоотводы называются активными (рис. 7). Разъем питания вентилятора похож на обычный разъем питания накопителя, но в последнее время выпускаются радиаторы с вентилятором, который подключается к системной плате.

Активные теплоотводы со встроенным вентилятором выпускаются для быстродействующих процессоров, однако в случае отказа такого теплоотвода процессор быстро перегревается. Вентиляторы обычно подключаются к разъему питания дисковода или специальному разъему питания 12 В для вентилятора на системной плате. Однако нередко эти вентиляторы представляют собой дешевые устройства на подшипниках с гарантией работы всего на один год. Когда подшипники изнашиваются, вентилятор начинает издавать скрежет и останавливается, что приводит к перегреву процессора и выходу его из строя.

Рис.6. Пассивные теплоотводы прикрепляются к процессору несколькими способами

Рис. 7. Активные теплоотводы

Надежность пассивных теплоотводов стопроцентная, поскольку они не имеют никаких механических компонентов, выходящих из строя. В большинстве случаев они представляют собой алюминиевый радиатор, который рассеивает тепло через конвекцию. Однако пассивные радиаторы не охлаждают процессор в достаточной степени, если через их пластины не протекает поток воздуха, обычно создаваемый вентилятором блока питания или дополнительным вентилятором, установленным в корпусе. Если корпус и блок питания разработаны с учетом распределения температур, то можно использовать менее дорогой пассивный теплоотвод вместо активного.

Для эффективной работы радиатора необходимо обеспечить надежный контакт с корпусом процессора. Даже небольшая воздушная прослойка между процессором и радиатором приведет к перегреву процессора и выходу его из строя. Для надежности соединения теплоотводных элементов иногда используются специальные крепежные материалы, например теплопроводный клей. Один из примеров крепления радиатора показан на рис. 8.

В большинстве новых систем используется улучшенный формфактор системной платы, называемый ATX. В системах с системной платой и корпусом этого типа улучшено охлаждение процессора: он установлен близко от источника питания, а вентилятор источника питания в большинстве систем ATX установлен так, что обдувает процессор. И потому в таких системах можно использовать пассивный теплоотвод (т.е. обойтись без вентилятора процессора).

Рис. 8. Крепление радиатора с помощью теплопроводной клейкой пластины

Вопросы для самоконтроля

1. Назначение центрального компьютера

2. Характеристики центрального процессора

3. Основные элементы центрального процессора

Ссылки на дополнительные материалы (печатные и электронные ресурсы)

Гребенюк Е.И., Гребенюк Н.А. Технические средства информатизации издательский дом «Академия»-Москва, 2007 /стр.42-47/

Тема 1.3 Типы и логическое устройство системных плат

Системные платы: основные компоненты, типоразмеры. Архитектура шины. Функциональное назначение шины. Шина ISA,PCI, AGP, USB, SCSI, IEEE 1397. Набор микросхем системной платы. Система прерываний и конфигурация системной платы. Параллельные и последовательные порты. Обзор современных моделей.

Студент должен знать:

• основные компоненты и типоразмеры системной платы;

• назначение, типы и виды шин;

• назначение и основные характеристики системной платы;

• логическое устройство системных плат;

Студент должен уметь:

• конфигурировать системные платы;

• определять основные характеристики системной платы;

Цели занятия:

- ознакомить студентов с основными компонентами системных плат.

- изучить форм-факторы материнских плат.

- воспитание информационной культуры учащихся, внимательности, аккуратности, дисциплинированности, усидчивости.

- развитие познавательных интересов, навыков самоконтроля, умения конспектировать.

Ход занятия:

Теоретическая часть.

Формфакторы системных плат

Важнейшим узлом компьютера является системная плата (system board), иногда называемая материнской (motherboard), основной или главной платой (main board).

Существует несколько наиболее распространенных формфакторов, учитываемых при разработке системных плат. Формфактор (form factor) представляет собой физические параметры платы и определяет тип корпуса, в котором она может быть установлена. Формфакторы системных плат могут быть стандартными (т.е. взаимозаменяемыми) или нестандартными. Нестандартные формфакторы, к сожалению, являются препятствием для модернизации компьютера, поэтому от их использования лучше отказаться.

За последние несколько лет произошел переход от системных плат оригинального формфактора Baby-AT, который использовался в первых компьютерах IBM PC и XT, к платам формфактора ATX и NLX, используемым в большинстве полноразмерных настольных и вертикальных систем. Существует несколько вариантов формфактора ATX, в число которых входят Micro-ATX (который представляет собой уменьшенную версию формфактора ATX, используемого в системах малых размеров) и Flex-ATX (еще более уменьшенный вариант, предназначенный для домашних компьютеров низшего ценового уровня). Формфактор NLX предназначен для корпоративных настольных систем; WTX, в свою очередь, разрабатывался для рабочих станций и серверов со средним режимом работы, но широкого распространения не получил. Современные формфакторы и область их применения приведены в табл. 1.

Несмотря на широкое распространение плат Baby-AT, полноразмерной AT и LPX, им на смену пришли системные платы более современных формфакторов, которые фактически являются промышленным стандартом, гарантирующим совместимость каждого типа плат. Это означает, что системная плата ATX может быть заменена другой платой того же типа, вместо системной платы NLX может быть использована другая плата NLX и т.д. Благодаря дополнительным функциональным возможностям современных системных плат, компьютерная индустрия смогла быстро перейти к новым формфакторам. Поэтому я настоятельно рекомендую приобретать системы, созданные на основе одного из современных формфакторов. Системные платы, параметры которых не вписываются в какой-либо из формфакторов промышленного стандарта, относятся к платам независимых конструкций. Покупать компьютеры с нестандартными системными платами следует только в случае особых обстоятельств.

Ремонт и модернизация таких систем достаточно дороги, что связано, в первую очередь, с невозможностью замены системных плат, корпусов или источников питания другими моделями. Системы независимых формфакторов иногда называются "одноразовыми" PC, что становится очевидным, когда приходит время их модернизации или ремонта после окончания гарантийного срока.

Формфактор

Область применения

ATX

Стандартные настольные компьютеры в корпусах mini-tower и full-tower; наиболее приемлемая конструкция как для новичков, так и для опытных пользователей, серверов и младших моделей рабочих станций, а также домашних систем более высокого уровня. Платы ATX поддерживают до семи разъемов расширения

Mini-ATX

Уменьшенная версия ATX, которая используется там же, где и плата ATX. Многие из так называемых системных плат ATX в действительности являются платами Mini-ATX. Системные платы Mini-ATX поддерживают до шести расширительных гнезд

Micro-ATX

Настольные компьютеры или вертикальные системы mini-tower среднего уровня

Flex-ATX

Недорогие или менее производительные настольные или вертикальные системы mini-tower, используемые в самых разнообразных целях

NLX

Корпоративные настольные или вертикальные системы mini-tower, отличающиеся простотой и удобством обслуживания

WTX

Рабочие станции среднего и высшего уровней, серверы (в настоящее время не используется)

ATX

Конструкция ATX была разработана сравнительно недавно. В ней сочетаются наилучшие черты стандартов Baby-AT и LPX и заложены многие дополнительные усовершенствования. По существу, ATX - это "лежащая на боку" плата Baby-AT с измененным разъемом и местоположением источника питания. Главное, что необходимо запомнить, - конструкция ATX физически не совместима ни с Baby-AT, ни с LPX. Другими словами, для системной платы ATX нужен особый корпус и источник питания. В настоящее время ATX является наиболее распространенным формфактором системных плат, рекомендуемым для большинства новых систем.

Конструкция ATX позволила усовершенствовать стандарты Baby-AT и LPX.

Наличие встроенной двойной панели разъемов ввода-вывода. На тыльной стороне системной платы есть область с разъемами ввода-вывода шириной 6,25 и высотой 1,75 дюйма. Это позволяет расположить внешние разъемы непосредственно на плате и исключает необходимость использования кабелей, соединяющих внутренние разъемы и заднюю панель корпуса, как в конструкции Baby-AT.

Наличие одноключевого внутреннего разъема источника питания. Это упрощает замену разъемов на источнике питания типа Baby-AT. Спецификация ATX содержит одноключевой разъем источника питания, который легко вставляется и который невозможно установить неправильно. Этот разъем имеет контакты для подвода к системной плате напряжения 3,3 В, а это означает, что для ATX не нужны встроенные преобразователи напряжения, которые часто выходят из строя. В спецификацию ATX были включены два дополнительных разъема питания, получивших название вспомогательных силовых разъемов (3,3 и 5 В), а также разъем ATX12V, используемый в системах, потребляющих большее количество электроэнергии, чем предусмотрено оригинальной спецификацией.

Перемещение процессора и модулей памяти. Изменены места расположения этих устройств: теперь они не мешают платам расширения, и их легко заменить новыми, не вынимая при этом ни одного из установленных адаптеров. Процессор и модули памяти расположены рядом с источником питания и обдуваются одним вентилятором, что позволяет обойтись без специального вентилятора для процессора, который не всегда эффективен и часто подвержен поломкам. Есть также место и для большого пассивного теплоотвода. Высота свободного пространства, предназначенного для установки процессора и теплоотвода, достигает примерно 70 мм (2,8 дюйма).

Более удачное расположение внутренних разъемов ввода-вывода. Эти разъемы для накопителей на гибких и жестких дисках смещены и находятся не под разъемами расширения или самими накопителями, а рядом с ними. Поэтому можно уменьшить длину внутренних кабелей к накопителям, а для доступа к разъемам не нужно убирать одну из плат или накопитель.

Улучшенное охлаждение. Процессор и оперативная память сконструированы и расположены таким образом, чтобы максимально улучшить охлаждение системы в целом. При этом необходимость в отдельном вентиляторе для охлаждения корпуса или процессора снижается (правда, не настолько, чтобы отказаться от него совсем). Дополнительное охлаждение все еще является насущной потребностью большей части быстродействующих систем. Одна из особенностей оригинальной спецификации ATX заключалась в том, что вентилятор блока питания направляет поток воздуха внутрь корпуса. Обратный поток или схема нагнетания воздуха приводит к повышению давления в корпусе, что препятствует проникновению грязи и пыли. Тем не менее направление потока воздуха в спецификации ATX было пересмотрено и предпочтение отдано вентилятору, работающему на выдувание, что приводит к понижению давления воздуха в корпусе. В целом схема нагнетания воздуха менее эффективна для охлаждения системы. И так как существующая спецификация допускает практически любую схему воздухообмена, большинство производителей поставляют блоки питания ATX в комплекте с вентиляторами, отсасывающими воздух из системы или, говоря иначе, с конструкцией отрицательного давления.

Снижение стоимости. Конструкция ATX не требует наличия гнезд кабелей к разъемам внешних портов, встречающихся на системных платах Baby-AT, дополнительного вентилятора для процессора и 3,3-вольтного стабилизатора на системной плате. В этой конструкции используется один-единственный разъем питания. Кроме того, вы можете укоротить внутренние кабели дисковых накопителей. Все это существенно уменьшает стоимость не только системной платы, но и всего компьютера, включая корпус и источник питания.

На рис. 1 показано, как выглядит новая конструкция системы ATX в настольном исполнении со снятой верхней крышкой или в вертикальном с удаленной боковой панелью. Обратите внимание: системная плата практически не закрывается отсеками для установки дисководов, что обеспечивает свободный доступ к различным компонентам системы (таким, как процессор, модули памяти, внутренние разъемы дисководов) и не мешает доступу к разъемам шины. Кроме того, процессор расположен рядом с блоком питания.

Системная плата ATX, по сути, представляет собой конструкцию Baby-AT, перевернутую на бок. Разъемы расширения параллельны более короткой стороне и не мешают гнездам процессора, памяти и разъемам ввода-вывода. Кроме полноразмерной схемы ATX, компания Intel описала конструкцию mini-ATX, которая размещается в таком же корпусе. Полноразмерная плата ATX имеет размеры 305,244 мм (12,9.6 дюймов), а плата mini-ATX - 284,208 мм (11.2,8.2 дюймов).

Рис. 1. Системная плата ATX, установленная в корпусе, располагается таким образом, что гнездо процессора находится рядом с вентилятором блока питания (и с вентилятором, встроенным в корпус, если таковой существует)

Несмотря на то что отверстия в корпусе располагаются так же, как и в Baby-AT, конструкции ATX и Baby-AT несовместимы. Для источников питания необходим сменный разъем, но основная конструкция источника питания ATX аналогична конструкции стандартного источника питания Slimline.

Не снимая кожух компьютера, можно определить, имеет ли установленная в нем плата формфактор ATX. Обратите внимание на заднюю панель системного блока. ATX имеет две отличительные черты. Во-первых, все разъемы плат расширения подключены непосредственно к системной плате; нет никаких выносных плат, как у LPX или NLX. Разъемы перпендикулярны к плоскости системной платы. Во-вторых, платы ATX имеют уникальную платформу удвоенной высоты для всех встроенных разъемов на системной плате (рис. 2).

. Рис. 2. Типичное расположение разъемов на плате ATX (вид сзади):

A - клавиатура или мышь PS/2,

B - клавиатура или мышь PS/2,

C - порт USB 1,

D - порт USB 0,

E - последовательный порт A,

F - параллельный порт,

G - последовательный порт B,

H - порт MIDI или игровой (необязательный),

I - линейный выход (необязательный),

J - линейный вход (необязательный),

K - микрофонный вход (необязательный)

Формфактор системной платы micro-ATX был впервые представлен компанией Intel в декабре 1997 года как вариант уменьшенной платы ATX, предназначенный для небольших и недорогих систем. Уменьшение формфактора стандартной платы ATX привело к уменьшению размеров корпуса, системной платы и блока питания и в конечном счете к снижению стоимости системы в целом. Кроме того, формфактор micro-ATX совместим с формфактором ATX, что позволяет использовать системную плату micro-ATX в полноразмерном корпусе ATX. Но вставить полноразмерную плату ATX в корпус micro-ATX, как вы понимаете, нельзя. В начале 1999 года этот формфактор стремительно захватил рынок недорогих компьютерных систем. В настоящее время системы mini-tower доминируют на рынке дешевых PC, несмотря на то что их небольшие размеры и узкий корпус серьезно ограничивают возможную модернизацию.

Системные платы формфакторов micro-ATX и ATX имеют следующие основные различия:

• уменьшенная ширина (244 мм (9,6 дюйма) вместо 305 мм (12 дюймов) или 284 мм (11,2 дюйма));

• уменьшенное число разъемов;

• уменьшенный блок питания (формфактора SFX).

Максимальные размеры системной платы micro-ATX достигают всего лишь 9.6,9.6 дюймов (244,244 мм) по сравнению с полноразмерной платой ATX (12,9.6 дюймов, или 300,244 мм) либо mini-ATX (11.2,8.2 дюймов, или 284,208 мм). Размеры системной платы могут быть уменьшены, если расположение ее крепежных отверстий и разъемов будет соответствовать промышленному стандарту. Уменьшенное количество разъемов не составит проблемы для обычного пользователя домашнего или офисного компьютера, так как некоторая часть системных компонентов, к числу которых относятся, например, звуковая и графическая платы, часто встраивается в системную плату. Высокая интеграция компонентов уменьшает стоимость системной платы и соответственно всей системы. Внешние разъемы USB, 10/100 Ethernet, иногда SCSI или 1394 (FireWire) также могут содержать дополнительные слоты расширения.

В системах micro-ATX благодаря соответствию разъемов с успехом использовался стандартный блок питания ATX. Но, несмотря на это, специально для таких систем был разработан уменьшенный формфактор блока питания, получивший название SFX. Уменьшение размеров блока питания, в свою очередь, позволяет улучшить компоновку элементов и соответственно уменьшить в целом размеры системы и потребляемую ею мощность. Но при использовании блока питания SFX можно столкнуться с недостатком выходной мощностидля более быстрых или полностью сконфигурированных систем. Потребляемая мощность современных систем существенно выросла, поэтому шасси большей части систем micro-ATX разработано под стандартный блок питания ATX.

Совместимость плат micro-ATX с ATX означает следующее:

• использование одного и того же 20-контактного разъема питания;

• стандартное расположение разъемов ввода-вывода;

• одинаковое расположение крепежных винтов.

Сходство геометрических параметров позволяет установить системную плату micro-ATX как в корпус ATX, содержащий стандартный блок питания, так и в уменьшенный корпус micro-ATX, использующий меньший по размерам блок питания SFX.

Общие размеры системы micro-ATX достаточно малы. Типичная система, созданная на основе платы указанного формфактора, имеет следующие размеры: высота 304,8 или 355,6 мм (12 или 14 дюймов), ширина 177,8 мм (7 дюймов), длина 304,8 мм (12 дюймов), что соответствует корпусу класса micro-tower или desktop. Типичная системная плата micro-ATX показана на рис. 3.

Рис. 3. Системная плата формфактора micro-ATX

Flex-ATX

В марте 1999 года Intel опубликовала дополнение к спецификации micro-ATX, названное flex-ATX. В этом дополнении описывались системные платы еще меньшего размера, чем ATX, которые позволяют производителям создавать небольшие и недорогие системы. Формфактор flex-ATX определяет системную плату, которая является наименьшей из семейства ATX. Размеры этой платы всего лишь 229,191 мм (9.0,7.5 дюймов). В отличие от плат с формфактором micro-ATX, платы flex-ATX имеют меньший размер и поддерживают процессоры, для установки которых используются гнезда типа Socket - Socket 7 или Socket A для процессоров AMD, Socket 370 версии PPGA (Plastic Pin Grid Array) и FCPGA (Flip Chip PGA) для Intel Celeron и Pentium III, а также новое гнездо Socket 423 для Pentium 4. Плата flex-ATX не поддерживает разъемов Slot 1, Slot 2 или Slot A, которые служат для установки процессоров Pentium II/III и Athlon. Как вы знаете, в своих последних разработках компании Intel и AMD используют процессоры исключительно конструкции Socket, поэтому их несовместимость с процессорами других типов большой роли не играет.

Системные платы flex-ATX отличаются, как было уже сказано, меньшими размерами и поддержкой процессоров конструкции Socket. В остальном же платы flex-ATX обратно совместимы со стандартной платой ATX, так как используют единое расположение крепежных отверстий, а также одинаковую спецификацию разъемов питания и ввода-вывода.

В большинстве систем flex-ATX чаще всего используются блоки питания наименьшего формфактора SFX, представленного в спецификации micro-ATX. В то же время, если позволяют размеры корпуса, может использоваться и стандартный блок питания ATX.

ATX Riser

В декабре 1999 года Intel представила очередную модификацию системных плат семейства ATX. Эта конструкция включает в себя дополнительный 22-контактный (2,11) разъем, расположенный в одном из слотов PCI системной платы, в котором размещается вертикальная плата, содержащая, в свою очередь, два или три разъема. Эта плата позволяет установить две или три дополнительные платы PCI. Следует заметить, что данная конструкция не поддерживает AGP.

При добавлении 22-контактного разъема расширения к одному из слотов PCI, в системной плате генерируются дополнительные сигналы, необходимые для поддержки платы ATX Riser, содержащей два или три разъема. В эти разъемы могут быть подключены платы PCI стандартной длины. Следует заметить, что системная плата может использоваться как с платой ATX Riser, так и без нее. Однако если плата ATX Riser установлена, то оставшиеся разъемы PCI системной платы не используются; следовательно, для подключения плат расширения придется сделать выбор между системной платой и ATX Riser. Плата ATX Riser предназначена исключительно для плат PCI (отсутствует поддержка плат AGP или ISA). На рис. 4 показана системная плата ATX с установленной платой ATX Riser.

Разъем расширения с 22 контактами обычно устанавливается в шестой разъем шины PCI (второй с правой стороны). Нумерация разъемов, как правило, начинается с седьмого разъема, наиболее близкого к процессору, и выполняется справа налево.

Разъем PCI платы ATX Riser представляет собой стандартный разъем PCI с идентичными сигналами.

Системы, использующие плату ATX Riser, принадлежат в основном к низкопрофильным конструкциям. Поэтому платы PCI и AGP, имеющие стандартную длину, нельзя установить в свободные разъемы системной платы. Стандарт ATX Riser первоначально разрабатывался для младших моделей системных плат, интегрированных со звуковыми, графическими и сетевыми микросхемами. Несмотря на это, указанный стандарт используется во многих серверах стоечного исполнения. Это связано с тем, что в ATX Riser большая часть требуемых компонентов уже встроена в системную плату. Фактически плата ATX Riser чаще используется в серверах стоечного исполнения, чем в настольных системах Slimline.

Тем не менее платы ATX Riser, совместимые с ними корпуса и системные платы различных производителей позволяют пользователям сконструировать собственную систему Slimline ATX.

Рис. 4. Плата ATX Riser в системной плате формфактора micro-ATX

NLX

NLX представляет собой низкопрофильный формфактор, предназначенный для замены ранее используемой нестандартной конструкции LPX. Многочисленные усовершенствования, отличающие формфактор NLX от конструкции LPX, позволяют в полной мере использовать самые последние технологии в области системных плат. NLX - это улучшенная и, что самое главное, полностью стандартизированная версия независимой конструкции LPX.

Применение системных плат LPX ограничено физическими размерами современных процессоров и соответствующих им теплоотводов, а также новыми типами шин (например, AGP). Эти проблемы были учтены при разработке формфактора NLX (рис. 5). Конструкция системной платы NLX также позволяет разместить сдвоенный процессор Pentium III, установленный в разъемы Slot 1.

В формфакторе LPX дополнительная вертикальная плата подключается к системной плате. Основная особенность системы NLX состоит в том, что, в отличие от LPX, системная плата подключается к разъему вертикально расположенной дополнительной платы. Подобная конструкция позволяет извлечь системную плату без отключения вертикальной платы или подключенных к ней адаптеров. Кроме того, системная плата NLX не содержит каких-либо внутренних кабелей или подключенных к ней разъемов. Устройства, обычно подключаемые к системной плате (кабели дисковода, блоки питания, индикаторные лампы лицевой панели, разъемы выключателей и т.п.) подключены вместо этого к дополнительной вертикальной плате (рис. 6).

Используя то, что основные разъемы находятся на дополнительной плате, можно снять верхнюю крышку корпуса компьютера и без особых усилий извлечь системную плату, не отключив при этом ни одного кабеля или разъема. Это позволяет невероятно быстро заменить системную плату; фактически на замену системной платы NLX у меня уходит не более 30 секунд!

Рис. 5. Системная плата формфактора NLX

Рис. 6. Внешний вид выносной платы формфактора NLX

WTX

Формфактор систем и системных плат WTX разрабатывался для рабочих станций среднего уровня. WTX по своим параметрам ненамного отставал от ATX и определял размер/форму системной платы, а также интерфейс платы и корпуса, разработанный в соответствии с особенностями формфактора.

Некоторые из представленных систем формфактора WTX разрабатывались в качестве серверов. На рис. 7 показана типичная система WTX со снятой крышкой. Обратите внимание, что свободный доступ к внутренним компонентам системы обеспечивается за счет выдвижения сборочных модулей и возможности открывать боковые панели.

Системные платы WTX, максимальная ширина которых достигает 14 дюймов (356 мм), а максимальная длина 16,75 дюйма (425 мм), гораздо больше плат ATX. Минимальные размеры платы не ограничены, поэтому производители могут уменьшать размеры плат в соответствии с монтажными критериями.

Официальные требования по установке и расположению системной платы WTX не определены, что позволяет обеспечить необходимую гибкость конструкции. Точное расположение и размер крепежных отверстий также не указывается; вместо этого системная плата WTX устанавливается на стандартной монтажной плате, которая должна быть поставлена в комплекте с системной платой. Конструкция корпуса WTX позволяет установить монтажную плату с присоединенной к ней системной платой.

Рис. 7. Область разъемов системной платы формфактора NLX

Рис. 8. Корпус WTX упрощает доступ к компонентам системы

Системные платы оригинальной разработки

Системные платы, которые не обладают одним из стандартных формфакторов (полноразмерный AT, Baby-AT, ATX, mini-ATX, micro-ATX или NLX), называются системными платами оригинальной разработки. Не рекомендуется покупать компьютер с системными платами нестандартных конструкций, поскольку в них не предусмотрено условие замены системной платы, источника питания или корпуса, что значительно ограничивает возможности модернизации. Компьютеры с такими платами также трудно ремонтировать. Проблема состоит в том, что комплектующие для замены можно достать только у изготовителя системы и они обычно во много раз дороже стандартных. По истечении срока гарантии систему с такой платой не стоит восстанавливать. Если системная плата выйдет из строя, дешевле купить новую стандартную систему целиком, поскольку такая плата в пять раз дороже новой стандартной системной платы. Кроме того, новая системная плата со стандартным формфактором, скорее всего, будет обладать более высоким быстродействием, чем заменяемая.

Объединительные платы

Системные платы в полном комплекте установлены не во всех компьютерах. В некоторых системах компоненты, обычно расположенные на системной плате, устанавливаются в плату расширения. В таких компьютерах главная плата с разъемами называется объединительной платой, а компьютеры, использующие такую конструкцию, - компьютерами с объединительной платой.

Существует два основных типа систем с объединительными платами: пассивные и активные.

Пассивные объединительные платы вообще не содержат никакой электроники, кроме разве что разъемов шины и нескольких буферов и драйверных схем. Все остальные схемы обычных системных плат размещены на платах расширения. Есть пассивные системы, в которых вся системная электроника находится на единственной плате расширения. Практически это настоящая системная плата, но она должна быть вставлена в разъем на пассивной объединительной плате. Такая конструкция была разработана для того, чтобы как можно более упростить модернизацию системы и замену в ней любых плат. Но из-за высокой стоимости системных плат нужного типа подобные конструкции крайне редко встречаются в персональных компьютерах. А вот в промышленных системах пассивные объединительные платы весьма популярны. И еще их можно встретить в некоторых мощных серверах.

Активные объединительные платы включают схемы управления шиной и множество других компонентов. Большинство таких плат содержат всю электронику обычной системной платы, кроме процессорного комплекса. Процессорным комплексом называют ту часть схемы платы, которая включает сам процессор и непосредственно связанные с ним компоненты - тактовый генератор, кэш и т.д. Если процессорный комплекс расположен на отдельной плате, то упрощается операция замены процессора более новым. В такой системе достаточно заменить только эту плату, а системную плату менять не обязательно. Получается, что у вас как бы модульная системная плата с заменяемым процессорным комплексом. Большинство современных компьютеров с объединительной платой используют именно активную плату с отдельным процессорным комплексом. Компании Compaq и IBM используют такую конструкцию в своих самых мощных системах серверного класса. Активные объединительные платы позволяют легко и с наименьшими затратами модернизировать систему, поскольку плата процессорного комплекса гораздо дешевле системной. К сожалению, интерфейс процессорных комплексов до сих пор не стандартизирован, поэтому такие платы рекомендуется покупать только у производителя системы.

Компоненты системной платы

В современную системную плату встроены такие компоненты, как гнезда процессоров, разъемы и микросхемы. Самые современные системные платы содержат следующие компоненты:

• гнездо для процессора;

• набор микросхем системной логики (компоненты North/South Bridge или Hub);

• микросхема Super I/O;

• базовая система ввода-вывода (ROM BIOS);

• гнезда модулей памяти SIMM/DIMM/RIMM;

• разъемы шин ISA/PCI/AGP;

• разъем AMR (Audio Modem Riser);

• разъем CNR (Communications and Networking Riser);

• преобразователь напряжения для центрального процессора;

• батарея.

Некоторые системные платы также включают интегрированные аудио- и видеоадаптеры, сетевой и SCSI-интерфейсы, а также другие элементы, в зависимости от типа системной платы.

Гнезда для процессоров

Процессоры можно устанавливать в гнезда типа Socket или Slot.

Были разработаны стандарты для гнезд типа Socket, в которые можно установить различные модели конкретного процессора. Каждый тип гнезда Socket или Slot имеет свой номер. Любая системная плата содержит гнездо типа Socket или типа Slot; по номеру можно точно определить, какие типы процессоров могут быть установлены в данное гнездо.

Изначально, процессоры всех типов устанавливались в гнезда (или впаивались непосредственно в системную плату). С появлением Pentium II и первых версий процессоров Athlon, компании Intel и AMD перешли к другой конструкции, разработанной вследствие того, что в процессоры была включена встроенная кэш-память второго уровня, приобретаемая в виде отдельных микросхем памяти Static RAM (SRAM) у сторонних производителей. Таким образом, процессор содержал в себе уже несколько различных микросхем, установленных на дочерней плате, которая, в свою очередь, была подключена в разъем системной платы. Основным недостатком этой весьма неплохой конструкции являются дополнительные расходы, связанные с приобретением микросхем кэш-памяти, дочерней платы, разъема, корпуса или упаковки, механизмов поддержки и подставок для установки процессора и теплоотвода.

С появлением второго поколения процессоров Celeron компания Intel начала интегрировать кэш-память второго уровня непосредственно в кристалл процессора, не добавляя в схему процессора каких-либо дополнительных микросхем. Второе поколение процессоров Pentium III (кодовое имя Coppermine), процессоры K6-3, Duron (кодовое имя Spitfire) и второе поколение процессоров Athlon (кодовое имя Thunderbird) компании AMD (ранние версии процессора Thunderbird Athlon имеют конфигурацию Slot A) также содержат встроенную кэш-память второго уровня. Появление встроенного кэша позволило вернуться к однокристальной конструкции процессора, а следовательно, отказаться от его установки на отдельной плате. В результате интеграции кэш-памяти второго уровня производители вернулись к конструкции Socket, которая сохранится, вероятно, в обозримом будущем. В настоящее время конструкция процессоров Socket используется практически во всех современных моделях.

Кроме того, интеграция кэш-памяти позволила повысить рабочую частоту кэша второго уровня с половины или одной трети до полной тактовой частоты процессора. Характерной особенностью процессора Itanium является корпус, содержащий кэш-память третьего уровня, также устанавливаемый в гнездо системной платы.

Наборы микросхем системной логики

Современные системные платы невозможно представить без микросхем системной логики. Набор микросхем подобен системной плате. Другими словами, две любые платы с одинаковым набором микросхем функционально идентичны. Набор микросхем системной логики включает в себя интерфейс шины процессора (которая называется также Front-Side Bus или FSB), контроллеры памяти, контроллеры шины, контроллеры ввода-вывода и т.п. Все схемы системной платы также содержатся в наборе микросхем. Если сравнивать процессор компьютера с двигателем автомобиля, то аналогом набора микросхем является, скорее всего, шасси. Оно представляет собой металлический каркас, служащий для установки двигателя и выполняющий роль промежуточного звена между двигателем и внешним миром. Набор микросхем - это рама, подвеска, рулевой механизм, колеса и шины, коробка передач, карданный вал, дифференциал и тормоза. Шасси автомобиля представляет собой механизм, преобразующий энергию двигателя в поступательное движение транспортного средства. Набор микросхем, в свою очередь, является соединением процессора с различными компонентами компьютера. Процессор не может взаимодействовать с памятью, платами адаптера и различными устройствами без помощи наборов микросхем. Если воспользоваться медицинской терминологией и сравнить процессор с головным мозгом, то набор микросхем системной логики по праву займет место позвоночника и центральной нервной системы.

Набор микросхем управляет интерфейсом или соединениями процессора с различными компонентами компьютера. Поэтому он определяет в конечном счете тип и быстродействие используемого процессора, рабочую частоту шины, скорость, тип и объем памяти. В сущности, набор микросхем относится к числу наиболее важных компонентов системы, даже, наверное, более важных, чем процессор. Мне приходилось видеть системы с мощными процессорами, которые проигрывали в быстродействии системам, содержащим процессоры меньшей частоты, но более функциональные наборы микросхем. Во время соревнований опытный гонщик часто побеждает не за счет высокой скорости, а за счет умелого маневрирования.

Наборы микросхем системной логики компании Intel

В 1993 году Intel одновременно с первым процессором Pentium представила набор микросхем системной логики 430LX, а также полностью законченную системную плату. Это вызвало огорчения не только производителей наборов микросхем, но и компаний, занимающихся сборкой системных плат. Мало того что Intel была основным поставщиком компонентов, необходимых для формирования системных плат (процессоры и наборы микросхем системной логики), но она занялась производством и продажей готовых системных плат!

В наши дни, наряду с разработкой процессоров, Intel продолжает заниматься созданием наборов микросхем системной логики и системных плат, т.е. представление и выпуск нового продукта происходит практически одновременно. Подобный подход позволяет избавиться от свойственных началу компьютерной эпохи задержек, которые возникают между созданием новых процессоров и появлением системных плат, где они могут быть использованы. С точки зрения потребителя, это означает, в первую очередь, возможность скорейшего использования новой системы.

Во многих недорогих системах, продаваемых в розницу и созданных на основе формфактора micro-ATX, используются системные платы других производителей, что позволяет удерживать цены на постоянном уровне. Несмотря на то что многие компании производят Intel-совместимые системные платы, используемые для модернизации систем или локальных компьютерных сборок, Intel все еще занимает доминирующее положение среди основных поставщиков OEM на рынке систем средней и высшей ценовых категорий.

По номеру на большей микросхеме системной платы можно идентифицировать набор микросхем системной логики. Например, в системах на базе процессоров Pentium II/III широко используется набор микросхем системной логики 440BX, который состоит из двух компонентов: 82443BX North Bridge и 82371EX South Bridge. Набор микросхем 850 поддерживает Pentium 4 и состоит из двух основных частей: 82850 Memory Controller Hub (MCH) и 82801BA I/O Controller Hub (ICH2). Прочитав логотип компании (Intel или какой-либо другой), а также номера компонентов и комбинации символов микросхем системной платы, можно легко идентифицировать набор микросхем, используемый в конкретной системе. При создании наборов микросхем Intel использует два различных типа архитектуры: North/South Bridge и более современную hub-архитектуру, которая используется во всех последних наборах микросхем системной логики серии 800.

Наборы микросхем для процессоров AMD Athlon/Duron

Выпустив на рынок процессоры Athlon/Duron, компания AMD пошла на рискованный шаг: для них не существовало наборов микросхем системной логики, а кроме того, они были несовместимы с существующими разъемами Intel для процессоров Pentium II/III и Celeron. Вместо "подгонки" к существующим стандартам Intel компания AMD разработала собственный набор микросхем и на его базе системные платы для процессоров Athlon/Duron.

Этот набор микросхем получил название AMD 750 (кодовое название Irongate) и поддерживает процессоры Socket/Slot A. Он состоит из микросхем 751 System Controller (компонент North Bridge) и 756 Peripheral Bus Controller (компонент South Bridge). Не так давно AMD представила набор микросхем AMD-760 для процессоров Athlon/Duron, который является первым основным набором микросхем системной логики, поддерживающим память DDR SDRAM. Он состоит из двух микросхем: AMD-761 System Bus Controller (компонент North Bridge) и AMD-766 Peripheral Bus Controller (компонент South Bridge). Ряд компаний, в число которых вошли VIA Technologies и SiS, создали несколько наборов микросхем, разработанных специально для процессоров AMD типа Socket/Slot A. Это дало возможность компаниям производителям разработать несколько типов системных плат, поддерживающих указанные микросхемы и процессоры Athlon/Duron, что позволило, в свою очередь, отхватить изрядную долю рынка у компании Intel.

Архитектура North/South Bridge

Большинство ранних версий наборов микросхем Intel (и практически все наборы микросхем других производителей) созданы на основе многоуровневой архитектуры и содержат компоненты North Bridge и South Bridge, а также микросхему Super I/O.

North Bridge. Этот компонент представляет собой соединение быстродействующей шины процессора (400/266/200/133/100/66 МГц) с более медленными шинами AGP (533/266/133/66 МГц) и PCI (33 МГц)

South Bridge. Этот компонент является мостом между шиной PCI (66/33 МГц) и более медленной шиной ISA (8 МГц)

Super I/O. Это отдельная микросхема, подсоединенная к шине ISA, которая фактически не является частью набора микросхем и зачастую поставляется сторонним производителем, например National Semiconductor или Standard Microsystems Corp. (SMSC). Микросхема Super I/O содержит обычно используемые периферийные элементы, объединенные в одну микросхему

Наборы микросхем, созданные за последние годы, позволяют поддерживать различные типы процессоров, скорости шин и схемы периферийных соединений.

North Bridge иногда называют контроллером PAC (PCI/AGP Controller). В сущности, он является основным компонентом системной платы и единственной, за исключением процессора, схемой, работающей на полной частоте системной платы (шины процессора). В современных наборах микросхем используется однокристальная микросхема North Bridge; в более ранних версиях находилось до трех отдельных микросхем, составляющих полную схему North Bridge.

South Bridge - компонент в наборе микросхем системной логики с более низким быстродействием; он всегда находился на отдельной микросхеме. Одна и та же микросхема South Bridge может использоваться в различных наборах микросхем системной логики. South Bridge подключается к шине PCI (33 МГц) и содержит интерфейс шины ISA (8 МГц). Кроме того, обычно он содержит две схемы, реализующие интерфейс контроллера жесткого диска IDE и интерфейс USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина), а также схемы, реализующие функции памяти CMOS и часов. South Bridge содержит также все компоненты, необходимые для шины ISA, включая контроллер прямого доступа к памяти и контроллер прерываний.

Микросхема Super I/O, которая является третьим компонентом системной платы, соединена с шиной ISA (8 МГц) и содержит все стандартные периферийные устройства, встроенные в системную плату. Например, большая часть микросхем Super I/O поддерживает параллельный порт, два последовательных порта, контроллер гибких дисков, интерфейс клавиатура/мышь. К числу дополнительных компонентов могут быть отнесены CMOS RAM/Clock, контроллеры IDE, а также интерфейс игрового порта. Системы, содержащие порты IEEE1394 и SCSI, используют для портов этого типа отдельные микросхемы.

Hub-архитектура

В новой серии 800 набора микросхем используется hub-архитектура, в которой компонент North Bridge получил название Memory Controller Hub (MCH), а компонент South Bridge - I/O Controller Hub (ICH). В результате соединения компонентов посредством шины PCI образуется стандартная конструкция North/South Bridge. В hub-архитектуре соединение компонентов выполняется с помощью выделенного hub-интерфейса, скорость которого вдвое выше скорости шины PCI. Hub-архитектура обладает некоторыми определенными преимуществамипо отношению к традиционной конструкции North/South Bridge.

Увеличенная пропускная способность. Hub-интерфейс представляет собой 8-разрядный интерфейс 4X (четырехтактный) с тактовой частотой 66 МГц (4 Ч 66 МГц Ч 1 байт = 266 Мбайт/с), имеющий удвоенную по отношению к PCI пропускную способность (33 МГц Ч 32 байт = 133 Мбайт/с).

Уменьшенная загрузка PCI. Hub-интерфейс не зависит от PCI и не участвует в перераспределении или захвате полосы пропускания шины PCI при выполнении трафика набора микросхем или Super I/O. Это повышает эффективность всех остальных устройств, подсоединенных к шине PCI, которая не участвует в выполнении групповых операций.

Уменьшение монтажной схемы. Несмотря на удвоенную по сравнению с PCI пропускную способность, hub-интерфейс имеет ширину, равную 8 разрядам, и требует для соединения с системной платой всего лишь 15 сигналов. Шине PCI, например, для выполнения подобной операции требуется не менее 64 сигналов, что приводит к повышению генерации электромагнитных помех, ухудшению сигнала, появлению "шума" и в конечном итоге к увеличению себестоимости плат.

Разъемы системной платы

В современных системных платах существует множество различных разъемов. На рис. 9 показано расположение разъемов типичной системной платы Intel DB850GB.

Рис. 9. Расположение разъемов на типичной системной плате Intel DB850GB:

A - Communications and Network Riser (CNR),

B - вспомогательный линейный вход типа ATAPI,

C - аудиовход CD-ROM (необязательно),

D - аудиовход CD-ROM традиционного двухмиллиметрового типа (необязательно),

E - разъем расширения AGP Pro (необязательно),

F - силовой разъем ATX 12V,

G - разъемы расширения 32-разрядной шины PCI,

H - разъем AGP,

I - PC/PCI,

J - SCSI LED,

K - вентилятор корпуса (Fan 1),

L - активизация при доступе из локальной сети (LAN),

M - активизация по входящему звонку,

N - вспомогательная лицевая панель LED,

О - лицевая панель USB,

P - лицевая панель,

Q - первичный и вторичный каналы IDE,

R - разъем для подключения дисковода,

S - дополнительный силовой разъем,

T - основной силовой разъем,

V - вентилятор RIMM (Fan 2),

V - регулятор напряжения процессора (Fan 4),

W - Socket 423 (для процессора Pentium 4),

X - теплоотвод процессора (Fan 3),

Y - разъемы RIMM