Конструктив и установка плат

Унификация и стандартизация компонентов PC распространяется на системные платы, предназначенные для установки в корпуса обычного исполнения. Неко­торые «фирменные» платы имеют специфические габаритные и присоедини­тельные размеры, и их можно устанавливать только в «родные» корпуса. Таким специфическим конструктивом отличаются, например, платы и корпуса компью­теров IBM PS/2, Acer, Compaq, Digital, Packard Bell и ряд других. К ним, естественно, некоторые последующие тезисы неприменимы. Здесь будут рас­смотрены конструктивы системных плат, предназначенных для установки в кор­пуса машин класса AT, Системные платы класса XT интереса уже почти не представляют, а использование корпуса XT для компьютера AT в принципе возможно, но вызывает массу неудобств и ограничений.

Традиционные платы Full AT (305х350 мм) и Baby AT (220х330 мм) для корпусов Desktop, Baby AT, Mini-, Midi- и Big Tower имеют фиксированное рас­положение слотов и разъема клавиатуры относительно задней кромки платы и унифицированную систему крепежных отверстий платы, что облегчает ремон­топригодность и модернизируемость системных блоков. Их примерный вид изо­бражен на рис. 2.1.

Рис. 2.1 Материнская плата АТ

Платы устанавливаются с помощью пластмассовых вставок, входящих в про­рези шасси. Эти вставки обеспечивают вертикальную и продольную (вдоль оси слотов расширения) фиксацию платы. Они позволяют выставить плату в пра­вильное положение относительно задней стенки корпуса, которое уточняется при установке в слоты плат расширения. В требуемом положении плата фик­сируется одним или несколькими винтами, завинчиваемыми в предварительно установленные в шасси резьбовые втулки. Эти же винты обеспечивают теоре­тически единственную точку соединения заземленного (через блок питания) корпуса компьютера с общим проводом источника питания.

Для того чтобы снять системную плату, из нее необходимо извлечь все карты расширения и отсоединить кабели подключения (по крайней мере, короткие). В корпусах типа Mini Tower необходимо снять (или в некоторых корпусах — выдвинуть) шасси, на котором закреплена системная плата. Отвинтив крепеж­ные винты, плату немного сдвигают влево, после чего ее можно снять с шасси.

Установка платы производится в обратном порядке, фиксирующие винты затя­гиваются после установки платы в корпус и установки какой-либо платы рас­ширения.

При установке платы следует избегать следующих ошибок сборки:

• Недостаточное количество точек крепления. Шасси и плата обычно имеют избыточное количество возможных точек установки вставок и резьбовых втулок, из которых не все могут совпадать друг с другом. Используемые точки крепления обязательно должны окружать зону слотов расширения со всех четырех сторон (углов). В противном случае при установке плат расширения висящий край системной платы отогнется, что может привести к ненадежному контакту и даже скрытому обрыву печатных проводников системной платы.
• Неправильное использование крепежных винтов. Диаметр крепежных отверстий на плате позволяет вставлять в них как пластмассовые вставки, так и металлические крепежные винты. Отверстия, предназначенные для винтов, обычно с обеих сторон платы имеют ободок печатной шины «земли», или, наоборот, их окружает, их окружает зона, свободная от печатных проводников. Около отверстий, предназначенных для пластмассового крепежа, близко к краю могут проходить тонкие печатные проводники. Если эти отверстия использовать для металлических винтов, возможно корот­кое замыкание проводников на корпус или даже их обрыв во время затягивания винтов. Если отверстие с близко расположенными провод­никами все-таки приходится использовать для винтов, то на них следует установить (приклеить) изолирующую шайбу.

· Использование слишком длинных винтов. При этом винт не удается за­тянуть до фиксации платы. Это чревато ненадежностью заземления об­щего провода, что может приводить к случайным сбоям в работе. Если винт не удается затянуть, а винта покороче нет, можно подложить шайбу (если заземляющий ободок есть на нижней стороне платы, шайба может быть и изоляционной).

Интерфейсные разъемы подключения портов ввода/вывода, шин IDE и SCSI и прочие могут располагаться в различных местах системной платы. Из внеш­них разъемов, установленных на системной плате, однозначно определено толь­ко место разъема клавиатуры. Положение остальных разъемов стандартом не задано. Плату, у которой на задней кромке установлены внешние интерфейсные разъемы, можно без проблем установить только в «родной» корпус. В «чужих» корпусах с ними могут не совпасть отверстия на задней стенке. В самом непри­ятном случае они могут оказаться напротив ребер жесткости корпуса — здесь уже за напильник браться не захочется.

Стандарт АТХ на конструктив системной платы и корпуса PC оп­ределяет размеры плат 305х244 мм (Mini-АТХ — 284х208 мм) и существенно упрощает соединения, задавая достаточно удобное местоположение ключевых компонентов системной платы. Представление о расположении ее компонентов дает рис. 2.2.

Основные новшества компоновки АТХ:

• Все внешние разъемы (клавиатуры и встроенной периферии) располага­ются в два этажа и сгруппированы у правого края платы. Для них в АТХ-корпусе предусмотрено одно большое прямоугольное окно.
• Процессор может располагаться под блоком питания, и тогда его радиатор может обдуваться потоком воздуха внутреннего вентилятора блока пита­ния или дополнительным, устанавливаемым снаружи блока питания. Рас­стояние (по высоте) до блока питания позволяет менять процессор, не снимая системной платы.
• Разъемы адаптеров НГМД и IDE располагаются у правого переднего края платы, что позволяет хорошо разместить кабели в корпусе и сократить их длину, что немаловажно для режимов PIO Mode и UltraDMA порта IDE.
• Модули памяти устанавливаются в легкодоступном месте.
• В дополнение к традиционному набору питающих напряжений введен источник питания 3, 3/3, 6 В, позволяющий упразднить один из VRM на системной плате и существенно уменьшить мощность, рассеиваемую ос­тавшимися VRM.

Рис.2.2 Системная плата АТХ

· Для блока питания определен сигнал программно-управляемого отключе­ния питания, что является эффективной защитой от преждевременного выключения питания при незакрытых приложениях. Полное отключение питания обеспечивается выключателем блока питания, который теперь снова переместился на заднюю панель корпуса.

· Блок питания имеет «дежурный» маломощный источник +5V Standby для питания цепей управления потреблением и устройств, активных и в спящем режиме (например, факс-модема, способного по звонку «разбу­дить» машину).

· Питание подается через один 20-штырьковый разъем. Некоторые платы «переходного периода» имеют дополнительно и пару разъемов для пита­ния от традиционных блоков. При этом, конечно, теряется возможность программного отключения питания и снижения мощности, рассеиваемой VRM.

Из вышеперечисленного становится очевидным, что установка АТХ-плат в традиционный корпус с традиционным блоком питания (как, впрочем, и обрат­ная комбинация) весьма проблематична.

Единое окно для всех разъемов на задней стенке имеет неприятную обратную сторону — не всегда понятно, чем закрывать его неиспользуемое пространство. Металлический лист-заглушка с прорезями под имеющиеся разъемы, поставля­емый с системной платой АТХ, не всегда хорошо сочетается с конкретным АТХ-корпусом. Хорошо, если удается использовать сочетание «дежурных» заглушек, поставляемых с корпусом, с заглушками платы.

Для низкопрофильных корпусов (Slim Case) существует стандарт LPX (Low Profile). Платы LPX имеют всего один слот расширения, в который устанавли­вается специальная плата-переходник Riser Card, а в него уже устанавливаются платы адаптеров расширения. Таким образом, системная плата и платы расши­рения оказываются расположенными в параллельных горизонтальных плоскос­тях, что позволяет снизить высоту корпуса.

Новый стандарт NLX для низкопрофильных корпусов своими идеями (пре­следуемыми целями) напоминает АТХ. Стандарт задает размер платы, распо­ложение крепежа, Riser Card и внешних разъемов, расположение и допустимые высоты компонентов. В этом конструктиве периферия (IDE, гибкие диски, ком­поненты лицевой панели) подключается к разъемам, установленным на Riser Card. Таким образом удается разгрузить системную плату, но, в отличие от прежних низкопрофильных конструктивов, Riser Card теперь является необхо­димым компонентом. Изменился и способ стыковки: если раньше Riser встав­ляли в слот системной платы, то теперь наоборот: системная плата справа имеет краевой разъем с 340 контактами (по 170 печатных контактов с каждой сторо­ны). Этот разъем вставляется в слот Riser Card и несет сигналы всех системных шин расширения и многих периферийных интерфейсов. Так что в стандарте NLX внешние связи системной платы задаются очень жестко — это расплата за высокие технологии в малых габаритах.

BIOS

Базовая система ввода/вывода BIOS является ключевым элементом системной платы, без которого все ее замечательные компоненты представляют собой лишь набор дорогих «железок». BIOS, пользуясь средствами, предоставляемыми чип-сетом, управляет всеми компонентами и ресурсами системной платы. Из этого следует, что используемая версия BIOS очень сильно привязана к чипсету, и, кроме того, она должна знать особенности применяемых компонентов (процес­сор, память, интегрированные контроллеры). Код BIOS хранится в микросхеме энергонезависимой постоянной (ROM BIOS) или флэш-памяти (Flash BIOS). С точки зрения регулярной работы, тип носителя BIOS принципиального зна­чения не имеет. С точки зрения модифицируемости, флэш-память имеет явное преимущество — возможность модернизации прямо в компьютере, иногда, прав­да, оборачивающееся недостатком. Определить, какой носитель BIOS исполь­зуется на данной системной плате можно, сняв наклейку с микросхемы (на ней обычно напечатаны выходные данные BIOS) и прочитав обозначение:

• 28Fxxx — флэш-память 12 В;
• 29Сххх — флэш-память 5 В;
• 29LVxxx — флэш-память 3 В (редкий вариант);
• 28Сххх — EEPROM, близкая по свойствам к флэш-памяти;
• 27Сххх — EPROM, записываемая на программаторе и стираемая ультра­фиолетом (если есть стеклянное окошко);
• РН29ЕЕ010 — ROM фирмы SST, перезаписывается аналогично флэш-па­мяти;
• 29ЕЕ011 — флэш-память 5 В фирмы Winbond;
• 29С010 — флэш-память 5 В фирмы Atmel.

Причин взяться за модернизацию BIOS может быть несколько, например:

• Некорректная работа в некоторых режимах (например, самопроизвольный переход в энергосберегающий режим, выражающийся в остановках вин­честера, гашении экрана или внезапном резком снижении производитель­ности вроде бы нормально функционирующего компьютера). По мере выявления ошибок производитель выпускает новые версии BIOS (воз­можно, и с новыми ошибками).
• Несогласованность драйверов BIOS с требованиями новых версий ОС.
• Получение новых функциональных возможностей, повышение производи­тельности.
• Желание иметь самую свежую версию (для любителей экспериментиро­вать на себе).
• Стереть конфигурационную информацию в NVRAM (включая и ESCD), если для этой цели нет переключателя или опции в BIOS Setup. Утилита перепрограммирования флэш-памяти выполняет это действие автомати­чески или предлагает его выполнить из своего меню.

Новую версию BIOS лучше всего получать от изготовителя системной пла­ты, большая коллекция версий и утилит доступна в сети Интернет по адресу https://www.sysdoc.pair.com. Фирмы-разработчики BIOS (например, AMI, Award) новые версии BIOS для конечных пользователей не поставляют. Свои новые продукты с инструментальными средствами они поставляют разработчику сис­темной платы, который производит окончательную «подгонку» BIOS под кон­кретную модель платы, особенности которой он знает лучше всех. В первом приближении BIOS различных системных плат с одинаковыми или близкими чипсетами могут оказаться (или показаться) совместимыми — по крайней мере, при включении выводится заставка, проходит POST и даже загрузка. Однако при более тщательном тестировании может оказаться, например, что невозмож­но обратиться к дискам (гибким или жесткими), не работают порты, доступна не вся память и т. п. Хорошо, если при этом удастся загрузить утилиту пере­программирования BIOS, чтобы вернуться к старой (предварительно сохранен­ной!) версии.

Утилиты перезаписи флэш-памяти привязаны к поддерживаемым типам микросхем энергонезависимой памяти, системным платам (чипсетам) и произ­водителям (иногда и версиям) BIOS. Обычно не удается штатным способом (в компьютере) переписать BIOS со сменой производителя (Award, AMI, Pho­enix). Как вариант возможна замена (хотя бы временная) микросхемы BIOS на снятую с аналогичной системной платы, но если микросхема припаяна, а не установлена в кроватку, процедура замены сильно осложняется. Смело зани­маться перепрограммированием BIOS можно, только когда вы имеете доступ к программатору и микросхема BIOS установлена в кроватке.

Если новая версия BIOS не позволяет загрузить компьютер, ряд системных плат позволяет включить режим восстановления (Boot Block Recovery). Для этого на плате должен быть специальный переключатель или джампер. В режиме восстановления работает только дисковод, в который необходимо установить специальную дискету с файлом-образом ROM BIOS. При этом «сообщения» пользователю могут сводиться к подмигиванию индикатором дисковода и гуд­кам динамика. Язык этих сообщений должен приводиться в описании системной платы. Иногда режим восстановления включается автоматически (если Boot Block получает управление в начале POST всегда, он может оценить коррект­ность содержимого основного блока ПЗУ и при необходимости включить режим восстановления).

Если же после неудачного перепрограммирования режим восстановления не спасает (или отсутствует), а доступного программатора нет, то есть хотя и рис­кованный, но возможный вариант «горячей замены» ROM BIOS. Для этого из аналогичной работоспособной системной платы извлекают микросхему BIOS, устанавливают ее вместо испорченной, включают и загружают компьютер как для режима перезаписи BIOS. При этом в Setup должно быть разрешено при­менение теневой памяти для области системной BIOS. Далее, не выключая питания (опасно, но в безвыходном положении можно рискнуть) заменяют мик­росхему на неверно записанную и выполняют процедуру перезаписи. Компь­ютер продолжает работать, поскольку код BIOS исполняется из теневой области ОЗУ. Файл-образ для перезаписи может быть получен как копия «спаситель­ной» микросхемы, сделанная той же программирующей утилитой.

Говоря о недостатках флэш-BIOS, имеется в виду опасность потери рабо­тоспособности системной платы не только из-за неосмотрительных действий пользователя, модернизирующего BIOS, но и новое «поле деятельности» для вирусов. Стереть BIOS, зная работу чипсета и конкретной микросхемы памяти, можно даже отладчиком DEBUG. Парольная (программная) защита перезаписи может быть взломана, а надежная аппаратная защита (необходимостью подачи высокого напряжения для стирания и програм­мирования, а также сигнал защиты записи) имеется далеко не у всех микросхем энергонезависимой памяти и системных плат.

Чипсет

Как уже упоминалось выше, чипсет является связующим звеном между всеми компонентами системной платы. Центральную роль в архитектуре играет, конечно же, процессор. К его локальной шине (Host Bus) адреса и данных подключаются модули (микросхемы) вторичного кэша. Основная динамическая память имеет собственную мультиплексированную шину адреса и шину данных, обычно изолированную от локальной шины процессора. На этом «этаже» архитектуры чипсет решает следующие задачи:

• Обслуживание управляющих и конфигурационных сигналов процессора.
• Мультиплексирование адреса и формирование управляющих сигналов динамической памяти, связь шины данных памяти с локальной шиной. Сложности и хитрости, направленные на повышение производительности.
• Формирование управляющих сигналов вторичного кэша, сравнение его тегов текущим адресом обращения на локальной шине.
• Обеспечение когерентности (согласованности) данных в обоих уровнях кэш-памяти и основной памяти при обращении как со стороны процессора (процессоров), так и от контроллеров шины PCI.
• Связь мультиплексированной шины адреса и данных шины PCI с локальной шиной процессора и шиной динамической памяти.
• Формирование управляющих сигналов шины PCI, арбитраж контроллеров шины.

• Типы и частоты поддерживаемых процессоров.
• Политику записи, возможности применения различных микросхем и ско­ростные характеристики вторичного кэша, возможный размер кэша и кэшируемой области основной памяти.
• Типы, объемы и максимальное количество модулей динамической памяти, возможность чередования банков, скоростные характеристики обмена.
• Поддерживаемые частоты шины PCI, возможное количество контролле­ров шины, способы буферизации.

Следующий этаж архитектуры — устройства, подключенные к шине PCI. Эта шина является центральной в современных системных платах, и все интерфейсные адаптеры, а также системные средства ввода/вывода в конечном счете общаются с ядром системы (процессором и памятью) через шину PCI. Кроме плат расширения, устанавливаемых в слоты шины PCI, ее абонентом является и мост PIIX — практически неотъемлемая часть современных плат.

Современный чипсет представляет собой многофункциональное устройство, на которое возлагаются следующие функции:

• Организация моста между шинами PCI и (E)ISA с согласованием частот синхронизации этих шин.
• Реализация высокопроизводительного, обычно двухканального интерфей­са АТА (IDE), подключенного к шине PCI.

• Реализация стандартных системных средств ввода/вывода — двух контроллеров прерываний, двух контроллеров прямого доступа к памяти, трехканального системного счетчика-таймера, канала управления динамиком, логики немаскируемого прерывания.
• Коммутация линий запросов прерывания шин PCI и ISA, а также встроенной периферии на линии запросов контроллеров прерываний, управление их чувствительностью (по перепаду или уровню), обслуживание прерывания от сопроцессора.
• Коммутация каналов прямого доступа к памяти.
• Поддержка режимов энергосбережения — обработка SMM, программирование событий управления потреблением, управление частотой процессора, переключение режимов.
• Реализация моста с внутренней шиной Х-Bus, используемой для подключения микросхем контроллера клавиатуры, BIOS, CMOS RTC, контроллеров гибких дисков и интерфейсных портов.
• Реализация контроллера USB.
• Реализация порта IEE-1394/

Чипсеты ориентируются на разные применения системных плат, и функции, необходимые для сервера, могут оказаться излишествами для офисного компь­ютера, а за излишества всегда приходится платить. Поэтому нельзя чипсеты выстроить по порядку от худшего к лучшему, они позиционируются в много­мерном пространстве противоречивых требований.

2.4. Шины расширения ввода/вывода

Стандартизованные шины расширения ввода/вывода обеспечивают основу функциональной расширяемости PC-совместимого персонального компьютера, кото­рый с самого рождения не замыкался на выполнении сугубо вычислительных задач. Хотя многие компоненты, ранее размещаемые на платах расширения, пос­тепенно переселяются на системную плату, для настольных компьютеров набор шин расширения ввода/вывода имеет важное значение.

К шинам расширения ввода/вывода, реализованным в виде слотов на сис­темной плате, относятся следующие:

• ISA-8 и ISA-16 — традиционные универсальные слоты подключения пе­риферийных адаптеров, не требующих высоких скоростей обмена (раньше была единственной шиной расширения).
• EISA — дорогая (по стоимости и системной платы, и плат расширения) 32-битная шина средней производительности, применяемая в основном для подключения контроллеров дисков и адаптеров локальных сетей в серверах. В настоящее время вытесняется шиной PCI, хотя и применяется в серверных платформах, где необходимо установить множество дополни­тельных плат расширения (системную плату, у которой слотов PCI больше, чем 4, найти довольно трудно, а для шины EISA 6-8 слотов — явление обычное).
• МСА — шина компьютеров PS/2, до сих пор применяемая и в некоторых серверных платформах. Производительность средняя. Адаптеры для шины МСА распространены не широко.
• VLB — быстродействующее 32- (64-) битное расширение (локальная ши­на процессора), используемое в паре со слотом ISA/EISA, применявшееся в среднем поколении системных плат компьютеров на процессоре 486. Используется для подключения контроллеров дисков, графических адап­теров и контроллеров локальных сетей. С процессорами пятого поколения и старше не применяется.
• PCI — самая распространенная высокопроизводительная 32/64-битная ши­на, применяемая в компьютерах на процессорах 486 и старше. Используется для подключения адаптеров дисков, контроллеров SCSI, графических, видео-, коммуникационных и других адаптеров. На системной плате чаще всего устанавливают 3 или 4 слота PCI. Слот PCI иногда имеет дополнительный маленький слот расширения Media BUS, на который выведены сигналы шины ISA (это позволяет на платы PCI устанавливать и дешевые ISA-устройства, например звуковой канал).
• PCI Express – основная особенность новой шины PCI Express заключается в том, что это не традиционная параллельная, а последовательная шина, работающая по принципу «точка-точка» (peer-to-peer). На физическом уровне шина образована двумя парами проводников: одна пара служит для передачи данных, а вторая — для их приема.
• PC Card, он же PCMCIA — слот расширения блокнотных компьютеров, который, в принципе, может присутствовать и в компьютерах настольного исполнения (встречать на практике не доводилось). Предназначен для обеспечения еще одного уровня совместимости блокнотных и настольных PC.

Кроме шин, реализованных щелевыми разъемами-слотами, имеется ряд шин, в которых устройства соединяются кабелями. К ним относятся следующие:

• SCSI — интерфейсная шина системного уровня, предназначенная для подключения широкого спектра внутренних и внешних периферийных устройств, требующих высокой производительности обмена данными. Системная плата со встроенным SCSI-адаптером имеет разъем одного из типов, принятых для этого интерфейса, который со внутренними и внеш­ними устройствами соединяется обычно ленточным кабелем-шлейфом.
• USB — последовательная шина среднего быстродействия для подклю­чения разнообразных внешних устройств, включая принтеры, сканеры, диски (разные), цифровые акустические системы и многие другие. Сис­темная плата может иметь два порта USB, выведенных на 4-штырьковые разъемы. Внешние разъемы устанавливаются на задней или лицевой пане­ли корпуса компьютера.
• FireWire (он же IEEE1394) — высокопроизводительная последовательная шина подключения внешних устройств, предназначенная в основном для подключения видеоаппаратуры. С помощью этой же шины возможно и объединение нескольких компьютеров в локальную сеть. Системные платы с этой шиной пока еще редкость.

Карты расширения (интерфейсные карты) устанавливаются в соответствующие слоты системной платы. Их количество и состав на различных платах варьируется. На этом рисунке, конечно, присутствие всех типов шин показано условно — реально на системных платах присутствует не более двух-трех типов слотов. Распространенные сочетания: ISA+PCI, ISA+VLB, EISA+PCI, EISA+VLB. Шина МСА обычно держится особняком. Слот «Media BUS», дополняющий слот PCI сигналами шины ISA, применяется, пожалуй, только фирмой ASUSTek.

У адаптеров для шины PCI, в отличие от ISA/EISA и VLB, компоненты расположены на левой стороне печатной платы. Для экономии площади печат­ной платы часто используют так называемый разделяемый слот (Shared Slot). На самом деле это разделяемое окно на задней стенке корпуса, которое может использоваться либо картой ISA, либо картой PCI. Таким образом, максимальное суммарное количество установленных адаптеров ISA и PCI оказывается на единицу меньшим, чем видимое количество слотов на системной плате.

Для низкопрофильных корпусов системные платы имеют всего один слот расширения, в который устанавливается специальная плата-переходник Riser Card. Этот переходник по присоединению обычно специфичен для каждой модели системной платы (а иногда и корпуса), поскольку на его краевой разъем заво­дятся линии нескольких системных шин (например, ISA+PCI, ISA+VLB). Если Riser Card имеет слоты только шины ISA, он обычно вставляется в стандартный слот ISA-16, что позволяет установить во многие модели корпусов Slim боль­шинство стандартных плат формата Baby-AT. С точки зрения наводок и пара­зитных емкостей лучше все-таки использовать специальные платы с одним разъемом, чтобы не перегружать шину лишними неиспользуемыми проводниками и разъемами.

Конфигурирование шин расширения предполагает, в основном, настройку их временных параметров.

• Для шины VLB применяется перемычка, управляющая делителем частоты сигнала синхронизации в зависимости от того, превышает ли системная частота значение 33, 3 МГц.
• Для шины PCI частота синхронизации определяется частотой системной шины процессора. Кроме того, в BIOS Setup для этой шины могут определяться некоторые ее возможные режимы (см. ниже).
• Для шины ISA кроме частоты (которая должна быть порядка 8 МГц) задают время восстановления для 8- и 16-битных обращений к памяти и вводу выводу. Неустойчивая работа адаптеров может потребовать замедления шины ISA, но в настоящее время понижение ее производительности не сильно отражается на производительности компьютера в целом.
• Для шин ISA и PCI иногда опциями BIOS Setup приходится распределять системные ресурсы.