7.1.1. Процессорный разъем

7.1.2. Периферийные интерфейсы

7.1.3. USB - Universal Serial Bus

7.1.4. IEEE 1394 FireWire

7.1.5. PCI Express

7.1.6. Видео интерфейсы

7.1.6.1. Интерфейс DVI

7.1.6.2. Интерфейс HDMI

7.1.6.3. Display Port

7.1.7. Микросхема BIOS

Материнская плата (MB – Mother Board) – основной компонент компьютера. При этом, максимальную функциональность конкретной материнской платы определяет чипсет используемый производителем при производстве.

Производитель может выпустить плату, которая будет не полностью реализовывать потенциал, заложенный в чипсет, или наоборот, дополнить функциональность чипсета за счет размещения на МВ дополнительных контролеров или устройств.

Конструктивно MB представляет собой печатную плату площадью 100-150 кв. см, на которой размещается большое число различных микросхем, разъемов и других элементов. В настоящее время самыми распространенными форм факторами системной платы является:

- ATX – размер 9,6 х 12 дюймов,

- Mini ATX (mATX) – размером 9,6 х 9,6 дюйма.

На материнской плате непосредственно расположены:

- разъем для подключения микропроцессора (современные разъемы: Socket 370, Socket 478, Socket LGA 775 для процессоров Intel и Socket A, Socket AM2 процессоров для AMD);

- набор системных микросхем (чипсет, chipset), обеспечивающих работу микропроцессора и других узлов машины;

- микросхема ПЗУ, содержащего программы базовой системы ввода-вывода (Basic input-output system – BIOS);

- микросхема энергонезависимой памяти (питается от автономного, расположенного на MB аккумулятора), по технологии изготовления называемая CMOS;

- микросхемы кэш-памяти 2-го уровня (если они отсутствуют на плате микропроцессора);

- разъемы (слоты) для подключения модулей оперативной памяти (в современных платах SDRAM, RD RAM, DDR, DDR II, DDR III);

- наборы микросхем и разъемы для системных, локальных и периферийных интерфейсов (COM, LPT, IDE, SATA, USB, PS/2, IEEE 1394, LAN и др.);

- микросхемы мультимедийных устройств (Audio, NET); и т. д.

В качестве примера на рис. 7.1 показано размещение основных компонентов на системной плате.

Рисунок 7.1 – Размещение чипов и интерфейсов на материнской плате ПК

7.1.1. Процессорный разъем

Основным слотом МВ является процессорный разъем, определяющий какой тип процессоров может быть установлен на данную МВ. В настоящее время используют следующие виды процессорных разъемов (socket-ов), по убыванию возраста.

Разъемы процессоров Intel

- Socket 7 – Intel Pentium, Pentium MMX, AMD K6;

- Slot 1 – Intel Pentium II, первые Pentium III, Celeron с частотой 233 МГц – 1.13 ГГц;

- Socket 370 – Pentium III с частотой 800 МГц – 1,4 ГГц, Celeron Cyrix III; VIA C3 (рис. 7.2);

- Socket 423 – процессоры Intel Pentium 4 и Celeron, основанные на ядре Willamette;

- Socket 478 – процессоры Intel Pentium 4 и Celeron, основанные на ядрах Northwood, Prescott и Willamette (рис. 7.3);

- Socket 479 – процессоры Intel Pentium M и Celeron M, основанные на ядрах Banias и Dothan;

- Socket 480 – процессоры Intel Pentium M, основанные на ядре Yonah;

- Socket T (LGA 775) – Intel Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium Extreme Edition, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron, Xeon серии 3000, Core 2 Quad на ядрах Northwood, Prescott, Conroe, Kentsfield, Allendale и Cedar Mill (рис. 7.4);

- Socket M – Intel Core Solo, Intel Core Duo и Intel Core 2 Duo;

- Socket B (LGA 1366) – новый разъем для будущих процессоров с интегрированным контроллером памяти и соединением Intel QuickPath (рис. 7.5);

- Socket H (LGA 715) – будущая замена Socket T (LGA 775) без интегрированного контроллера памяти и соединения Intel QuickPatch;

- Socket P – замена Socket 479 и Socket M. Выпущен 9 мая 2007 года.

Разъемы процессоров фирмы AMD:

- Socket 7 – для ЦП AMD K6;

- Super Socket 7 – для ЦП AMD K6-2, AMD K6-III; Rise mP6;

- Socket A (Socket 462) – для семейства ЦП AMD K7: Athlon, Athlon XP, Sempron и Duron (рис. 7.6);

- Socket 563 – для семейства ЦП Athlon XP-M с низким потреблением энергии;

- Socket 754 – для процессоров AMD Athlon 64 нижнего уровня и процессоров Sempron с поддержкой только одноканального режима работы с памятью (рис. 7.7);

- Socket 939 – для процессоров AMD Athlon 64 и AMD Athlon FX с поддержкой двухканального режима работы с памятью (рис. 7.8);

- Socket AM2 – новый разъем для процессоров AMD.

- Socket AM2+ – замена для Socet AM2, прямая и обратная совместимость с сокетом AM2 для всех планируемых материнских плат и процессоров (рис. 7.9);

- Socket AM3 – перспективная замена для S-AM2+;

- Socket S1 – сокет для процессоров Mobile Sempron.

7.1.2. Периферийные интерфейсы

Системные платы поддерживают разные виды интерфейсов системных, локальных и периферийных шин. От состава поддерживаемых шин, количества слотов для этих шин, имеющихся на материнской плате, существенно зависит эффективность работы ПК в целом.

C МВ на внешнюю сторону ПК выводятся основные интерфейсные разъемы впоследствии используемые при подключении внешних устройств к ПК (рис. 7.10). Рассмотрим более подробно интерфейсные разъемы и периферийные шины наиболее часто используемые в ПК.

Рисунок 7.10 – Основные интерфейсные разъемы материнской платы

7.1.3. USB - Universal Serial Bus

USB (англ. Universal Serial Bus) – универсальная последовательная шина, предназначенная для подключения периферийных устройств. Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.

Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырех проводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приема и передачи данных, а два провода – для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания, USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания. К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств через цепочку концентраторов (они используют топологию «звезда»).

Спецификация USB 2.0 выпущенная в апреле 2000 года отличается от USB 1.1 введением режима Hi-speed. Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы:

- Low-speed, 10—1500 Кбит/c (используется для интерактивных устройств: клавиатуры, мыши, джойстики);

- Full-speed, 0,5—12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства);

- Hi-speed, 25—480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации).

Существует три типа USB-разъемов:

- разъем "тип A": обычно присутствует у ПК (рис. 7.11);

- разъем "тип B": обычно находится на самом USB-устройстве, если кабель съемный (рис. 7.11);

- разъем мини-USB: обычно используется цифровыми видеокамерами, внешними жесткими дисками и т.д. (рис. 7.12).

Рисунок 7.11 – USB "тип A" (слева) и USB "тип B" (справа)	Рисунок 7.12 – Разъемы мини-USB обычно встречаются на цифровых камерах и внешних жестких дисках

Перспективные модификации стандарта USB:

USB OTG (аббр. от On-The-Go) – дальнейшее расширение спецификации USB 2.0, предназначенное для легкого соединения периферийных USB-устройств друг с другом без необходимости подключения к ПК.

USB Wireless –технология USB (официальная спецификация доступна с мая 2005 года). Позволяет организовать беспроводную связь с высокой скоростью передачи информации (до 480 Мбит/с на расстоянии 3 м и до 110 Мбит/с на расстоянии 10 м).

USB 3.0 сохраняет полную совместимость с уже существующим оборудованием стандарта USB 2.0 и поддерживает скорость передачи до 5 Гбит/с.

7.1.4. IEEE 1394 FireWire

IEEE 1394 (FireWire, i-Link) – последовательная высокоскоростная шина (рис. 7.13 – 7.16), предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами.

Рисунок 7.13 – 6-контактный разъем с питанием	Рисунок 7.14 – Кабель FireWire с 6-контактной вилкой на одном конце и 4-контактной на другом
Рисунок 7.15 – 4-контактный разъем без питания – обычно используется на HD видеокамерах и ноутбуках	Рисунок 7.16 – Карта FireWire обеспечивающая два больших 6-контактных порта и один маленький 4-контактный

В цифровых камерах Sony интерфейс IEEE 1394 появился раньше принятия стандарта и под названием iLink. Интерфейс первоначально позиционировался для передачи видеопотоков, но пришелся по нраву и производителям внешних накопителей, обеспечивая высокую пропускную способность для современных высокоскоростных дисков. Сегодня многие системные платы, а также почти все современные модели ноутбуков поддерживают этот интерфейс.

Преимущества IEEE 1394:

- различная высокая скорость передачи данных – 100, 200 и 400 Мбит/с (800, 1600 Мбит/с IEEE 1394b) длина кабеля до 4,5 м;

- гибкая топология – равноправие устройств, допускающее различные конфигурации (возможность взаимодействия устройств без компьютера);

- высокая скорость – возможность обработки мультимедиа-сигнала в реальном времени;

- наличие питания прямо на шине (маломощные устройства могут обходиться без собственных блоков питания). До полутора ампер и напряжение от 8 до 40 В;

- подключение до 63 устройств.

Шина IEEE 1394 может использоваться с:

- компьютерами;

- аудио и видео мультимедийными устройствами;

- принтерами и сканерами;

- жесткими дисками, массивами RAID;

- цифровыми видеокамерами и видеомагнитофонами.

Перспективные модификации стандарта IEEE 1394:

В 2002 году появляется стандарт b c новыми скоростями: S800 – 800 Мбит/с и S1600 – 1600 Мбит/с. Также увеличивается максимальная длина кабеля до 50-70 м, а при использовании высококачественных оптико-волоконных кабелей до 100 м. Соответствующие устройства обозначаются FireWire 800 или FireWire 1600, в зависимости от максимальной скорости.

Изменились используемые кабели и разъемы. Для достижения максимальных скоростей на максимальных расстояниях предусмотрено использование оптики, пластмассовой – для длины до 50 м, и стеклянной – для длин до 100 м.

Несмотря на изменение разъемов, стандарты остались совместимы, чего можно добиться, используя переходники.

12 декабря 2007 года была представлена спецификация S3200 c максимальной скоростью – 3,2 Гбит/с.

7.1.5. PCI Express

PCI Express (или PCIe или PCI-E) – компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.

Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel. Официально первая базовая спецификация PCI Express представлена в июле 2002 г.

В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда, устройства PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором. Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое lane. Это существенно отличет PCI Express от технологии PCI, в которой все устройства подключаются к общей 32-разрядной параллельной однонаправленной шине.

Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link, и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) двунаправленных последовательных соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x.

Использование подобного подхода имеет следующие преимущества:

- карта PCI Express помещается и корректно работает в любом слоте той же или большей пропускной способности (например, карта x1 будет работать в слотах x4 и x16);

- слот большего физического размера может использовать не все lane'ы (например, к слоту 16x можно подвести линии передачи информации, соответствующие 1x или 8x, и все это будет нормально функционировать; однако, при этом необходимо подключить все линии «питание» и «земля», необходимые для слота 16x).

Пропускная способность соединения lane составляет 2,5 Гбит/с. Для расчета пропускной способности соединения link необходимо учесть то, что в каждом соединении передача дуплексная, а также учесть применение кодирования 8B/10B (8 бит в 10).

Кроме того, шиной PCI Express поддерживается:

- горячая замена карт;

- гарантированная полоса пропускания (QoS);

- управление энергопотреблением;

- контроль целостности передаваемых данных.

Перспективные модификации стандарта PCI Express.

Группа PCI-SIG выпустила 15 января 2007 года спецификацию PCI Express 2.0. Основные нововведения в PCI Express 2.0:

- увеличенная пропускная способность – спецификация PCI Express 2.0 определяет максимальную пропускную способность одного соединения lane как 5 Гбит/с, при этом сохранена совместимость с PCI Express 1.1 таким образом, что плата расширения, поддерживающая стандарт PCI-E 1.1 может работать, будучи установленной в слот PCI-E 2.0;

- динамическое управление скоростью – для управления скоростью работы связи;

- службы управления доступом – опциональные возможности управления транзакциями точка-точка;

- переопределение предела по мощности – для переопределения лимита мощности слота при присоединении устройств, потребляющих большую мощность.

7 февраля 2007 года группа PCI-SIG выпустила спецификацию внешней кабельной системы PCI-E. Новая спецификация позволяет использовать кабели длиной до 10 м, работающие с пропускной способностью 2,5 Гбит/с.

К 2010 году ожидаются спецификации версии PCI Express 3.0, которая будет обладать пропускной способностью 8 ГT/с (Гигатранзакций/с). Этого удалось достигнуть благодаря более агрессивной схеме кодирования 128B/130B, когда 128 бит данных пересылаемых по шине кодируются 130 битами.

PCI Express 4.0. PCI Special Interest Group (PCI SIG) планирует стандартизацию PCI Express 4.0 до 2015 года. Он будет иметь пропускную способность 16 ГT/с или более, т.е. будет в два раза быстрее PCI-E 3.0.

7.1.6. Видео интерфейсы

7.1.6.1. Интерфейс DVI

Digital Visual Interface, сокр. DVI (англ. цифровой видеоинтерфейс) – разъем (рис. 7.19, 7.21), предназначенный для передачи видеоизображения на цифровые устройства отображения, такие как жидкокристаллические мониторы и проекторы. Разработан консорциумом Digital Display Working Group. Предыдущие стандарты видео разъемов, например, VGA (рис. 7.17 – 7.18) – были аналоговые и предназначены для мониторов на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ). Они передают сигнал построчно, при этом изменение напряжения означает изменение яркости.

Виды DVI:

- DVI-A – только аналоговая передача;

- DVI-I – аналоговая и цифровая передача;

- DVI-D – только цифровая передача.

Примечание. Видеокарты с DVI-A не поддерживают стандартные мониторы с DVI-D.

7.1.6.2. Интерфейс HDMI

High-Definition Multimedia Interface (HDMI) – мультимедийный интерфейс высокой четкости (рис. 7.22 – 7.24), позволяет передавать цифровые видеоданные высокого разрешения и многоканальные цифровые аудио-сигналы с защитой от копирования (HDCP).

Разъем HDMI обеспечивает цифровое DVI-соединение нескольких устройств с помощью соответствующих кабелей. Основное различие между HDMI и DVI состоит в том, что разъем HDMI меньше по размеру, интерфейс оснащен технологией защиты от копирования HDCP (High Bandwidth Digital Copy Protection), а также поддерживает передачу многоканальных цифровых аудио-сигналов. Является современной (на 2008 год) заменой аналоговых стандартов подключения.

Характеристики:

- HDMI имеет пропускную способность в пределах от 4,9 до 10,2 Гбит/с.

- длина кабеля – рекомендуется 1,5 м, возможно до 15 м.

Перспективы развития интерфейса HDMI. В перспективе для передачи видеосигналов будут использоваться только интерфейсы HDMI и IEEE 1394 (FireWire). HDMI – для передачи несжатых данных между телевизором, аудиосистемой, DVD-проигрывателем. Связь всех остальных звеньев осуществляется посредством IEEE 1394, через который будет передаваться сжатый сигнал, например, MPEG-2.

7.1.6.3. Display Port

Display Port – это новый стандарт сигнального интерфейса для цифровых дисплеев (рис. 7.25). Принят VESA (Video Electronics Standart Association) в мае 2006, текущая версия 1.1 – принята 2 апреля 2007. DisplayPort предполагается к использованию в качестве наиболее современного интерфейса соединения аудио и видеоаппаратуры, в первую очередь для соединения компьютера с дисплеем, или компьютера и систем домашнего кинотеатра. Поддерживает HDCP версии 1.3 и имеет пропускную способность вдвое большую, чем Dual-Link DVI, низкий вольтаж питания и низкие посторонние наводки, размеры разъема примерно равны USB.

Рисунок 7.25 – Разъем DisplayPort

Технология, реализованная в Display Port, позволит передавать одновременно как графические, так и аудио сигналы. Его отличие от HDMI – более широкий канал для передачи данных (10,8 Гбит/с вместо 5 Гбит/с), что обеспечит более высокие разрешения. Максимальная длина кабеля DisplayPort в три раза больше, чем у HDMI – 15 м против 5 м. Вместо защиты от копирования HDCP, будет реализована технология шифрования DPCP (DisplayPort Content Protection) с 128-битным ключом.

7.1.7. Микросхема BIOS

На системной плате располагается микросхема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), содержащая программы BIOS, необходимые для управления многими компонентами компьютера. BIOS доступна постоянно, независимо от работоспособности внешних компонентов. В BIOS находится программа, которая называется System Setup – именно с ее помощью пользователь управляет самыми глубокими настройками системы.

В современных материнских платах используются, как правило, микросхемы Flash BIOS (располагающейся в CMOS-памяти), в которые могут перезаписываться при помощи специальных средств, что облегчает модернизацию этих программ при появлении новых устройств, которым нужно обеспечить поддержку (например, новых типов микросхем оперативной памяти).

CMOS-память питается от своего локального аккумулятора (батарейки) и поэтому является энергонезависимой (сохраняет информацию при отключении компьютера от сети). Память хранит информацию о параметрах многих устройств, входящих в ПК.