Автор: Михаил Рыбаков
Дата: март 2007

Чтобы справиться с апгрейдом компьютера, не потратив лишних денег и сил, необходимо представлять, как устроена его главная компонента - системная плата. Возможности наращивания функциональности и производительности ПК определяются расположенными на ней контроллерами и интерфейсами, а также поддерживаемыми стандартами. Напомним, какие устройства и разъемы присутствуют на системной плате и для чего они предназначены.

Материнская плата - не только место для установки процессора, памяти и графической карты с разъемами для подключения винчестеров и оптических накопителей. Это "интеллектуальный скелет" будущего ПК, от которого зависит, какую конфигурацию можно создать на его основе, а какие компоненты установить нельзя.

Начинающие пользователи часто смущаются изобилия системных плат с разными обозначениями. Чем различаются "сокеты" для процессоров? Какой чипсет лучше подойдет для выбранного типа CPU? В каких случаях можно повысить производительность за счет выбора более дорогой оперативной памяти? На эти и другие вопросы отвечают параметры плат, указываемые производителями.

Предлагаем достаточно простое введение в эту тему, которая позволит продолжить самообразование, и начнем наш рассказ с "посадочной площадки" для самого важного компонента ПК, к выбору типа которого относятся обычно с трепетом, - процессора.

Процессорный разъем
Перед выбором системной платы обычно следует определиться с CPU, который предполагается использовать, поскольку тип разъема для него, с одной стороны, согласован с формой, размерами и числом контактов, а с другой - подразумевает наличие конструктивных особенностей крепления системы охлаждения.

Современные платформы от Intel имеют процессорные крепления LGA775 либо Socket 478 (разъемы для серверных CPU Intel Xeon, ноутбуков и прочие с ограниченным распространением мы не рассматриваем). Причем первый из указанных вариантов практически вытеснил второй, т.к. новые процессоры Intel Core 2 Duo, Core 2 Extreme и Core 2 Quad выпускаются только для крепления LGA775. Тип LGA (Land Grid Array) отличается "обратным" конструктивным оформлением - ножки на разъеме, контакты на процессоре, в противоположность остальным типам (PGA, Pin Grid Array) - ножки на процессоре, контакты на разъеме. Такое решение позволяет увеличить напряжение питания процессора и повысить частоту системной шины до 1066 МГц и выше.


Разъемы для современных CPU от AMD носят названия Socket 939 и АМ2. Первый вариант наследует выходящему из употребления Socket 754, а второй, дающий возможность работать с более быстрой памятью DDR2, начинает, в свою очередь, доминировать и над ним.



BIOS
Термин BIOS (Basic Input/Output System) переводится как "начальная (базовая) система ввода-вывода". Иногда аббревиатуру неверно расшифровывают иначе - "начальная (базовая) встроенная операционная система" (Basic Integrated Operating System). Эта структура представляет собой программный код, который хранится в микросхеме, установленной на системной плате. Код используется ПК при начальном старте (при включении питания). Главная цель BIOS - подготовить компьютер таким образом, чтобы другие элементы операционных систем и иных программ могли запускаться с разных устройств (винчестеров, флоппи-дисков, оптических накопителей и т.д.). Варианты BIOS различаются по изготовителям (AMI, Award, Phenix) и функциональности, в т.ч. в зависимости от типа ПК, на которых используются.

При старте компьютера BIOS запускает тест проверки оборудования POST (Power-On Self Test) - набор диагностических процедур для жестких дисков, памяти, графической системы, чипсета и других видов оборудования. Затем в меню современной BIOS пользователь может установить порядок поиска устройств для старта ОС (boot), изменить дату и время, проконтролировать температуру процессора и других компонентов системы.

Некоторые производители (например, Gigabyte Technology) предлагают особую функцию BIOS на своих системных платах с ее копированием и последующим восстановлением в случае аварии.



Чипсет
Чипсет (на русский язык этот термин иногда переводят как "набор микросхем") представляет собой комплекс чипов, выполняющих за процессор работу по обмену данными и командами с другими компонентами системной платы. Он состоит из двух кристаллов - т.н. Северного и Южного мостов, которые получили название благодаря расположению на плате по отношению к CPU: первый выше (Север), второй - ниже (Юг). Так возникли географические аналогии.

Наиболее важный компонент чипсета - Северный мост. Он взаимодействует с "быстрыми" устройствами - такими, для которых критически важным параметром является пропускная способность каналов, например оперативной памятью. Вследствие этого соответствующую микросхему иногда именуют МСН (Memory Controller Hub, контроллер памяти). В современных платформах от Intel Северный мост управляет обменом данных и команд между CPU, с одной стороны, памятью и графическими подсистемами (AGP и PCI Express xl6) - с другой, и Южным мостом - с третьей. Иногда в этот чип интегрируют видеоакселератор. В таком случае к номеру серии чипсета добавляется буква G (Graphics), а название МСН преобразуется в MGCH (Memory and Graphics Controller Hub): например, Intel 945P и Intel 945G.

Поскольку процессоры и модули оперативной памяти работают на разной тактовой частоте, определенная серия микросхем Северного моста работает лишь с одним-двумя классами CPU и одним видом ОЗУ. Например, чипсет NVIDIA nForce2 поддерживает лишь AMD Duron, Athlon и Athlon XP, а также память DDR, a Intel 915G - процессоры Intel Pentium 4 и Celeron, работающие на тактовой частоте выше 1,3 ГГц, и память DDR или DDR2.

Сегодняшние процессоры от AMD включают в себя встроенный контроллер памяти. Поэтому в системных платах, предназначенных для этого типа CPU, Северный мост отсутствует, а управление графической подсистемой осуществляет "усиленный" вариант Южного моста, который компания NVIDIA называет иногда процессором медиакоммуникаций (Media Communications Processor, MCP).


Южный мост (Southbridge) чипсета иногда называют концентратором контроллеров ввода-вывода (I/O Controller Hub, ICH). Он управляет взаимодействием с "медленными" устройствами системной платы и накопителями. Следует обратить внимание, что процессор не имеет прямого доступа к ICH - эта связь реализована при посредстве Северного моста. Первоначально для связи мостов использовалась шина PCI, но современные чипсеты пользуются более высокоскоростными каналами, спецификации которых не столь важны, т.к. для других соединений они не используются.

Чип ICH обменивается данными с шинами ISA и PCI, выполняет функции контроллеров прерываний (Interrupt Controller), прямого доступа к памяти (DMA Controller) и IDE (Integrated Device Electronics) с обслуживанием как РАТА-, так и SATA-устройств. Она же выполняет функции LPC-моста (Low-Pin Count Bridge), предназначенного для "медленных" устройств с небольшим числом каналов ввода-вывода: микросхем BIOS, портов PS/2 (клавиатура и мышь), LPT и СОМ, контроллера флоппи-дисковода. Напомним, что спецификации LPC были разработаны компанией Intel еще в 1998 г. как альтернатива распространенной ранее шине ISA (Industry Standard Architecture).

Нужно заметить, что, кроме контроллера PCI, в составе микросхемы имеется и другой, предназначенный для управления обменом по более современной шине, PCI Express.

Помимо упомянутого выше, Южный мост поддерживает связь со встроенными аудиокодеком, адаптерами локальной сети и беспроводного доступа Wi-Fi, контроллерами RAID, USB и Fire Wire, часами реального времени (Real Time Clock) и используется для управления энергосбережением (функция Advanced Power Management). В нем имеется интерфейс SMBus (System Management Bus), который можно использовать для контроля температуры и энергопотребления системной платы и ее компонентов, а также управления работой кулеров.

Слоты для модулей памяти
В современные системные платы можно устанавливать модули динамической оперативной памяти (Dynamic Random Access Memory, DRAM) двух типов - DDR и DDR2. По размерам они одинаковы, но отличаются расположением "ключа" (выемки) на кромке с контактными проводниками. Память DDR работает на тактовой частоте 400, 333, 266 или 200 МГц, что, естественно, сегодня ограничивает производительность системы в целом. Модули DDR2 работают на 800, 667 или 533 МГц, т.е. обеспечивают двукратный прирост в быстродействии.

Виртуально ОЗУ организовано в виде блоков, или банков, каждый из которых представляет собой одну "линейку" физической памяти в соответствующем слоте. Системная плата может обладать двумя или четырьмя банками, причем работу с ними всегда можно организовать в двух-канальном режиме с параллельным обращением к паре модулей DRAM. Для этого желательно, чтобы четные (0, 2) или нечетные (1, 3) банки были представлены памятью одинакового типа, скорости и объема. Производительность ПК при этом опять-таки повышается.

Из-за ограничения размеров адресного пространства 32-разрядных процессоров теоретический максимум оперативной памяти для существующих CPU от Intel для ПК составляет 4 Гбайт. Правда, впоследствии с появлением технологии 64-битных расширений ЕМ64Т (Extended Memory 64 Technology) удалось обеспечить поддержку до одного терабайта ОЗУ. А вот для 64-разрядных AMD Athlon этого предела не существует изначально, поэтому появляются системные платформы для AMD с поддержкой 16 Гбайт DRAM и более.



Разъемы питания
Электроэнергия подводится к современным системным платам разъемами двух типов - 20- и 24-контактными. Эту разницу нужно учитывать при апгрейде старой системы.

Дополнительные проблемы в совместимости возникают из-за того, что системные платы для новых процессоров от Intel нуждаются в большей мощности питания процессора. Из-за этого четырехконтактной группы оказывается недостаточно и используется вторая "четверка". Разумеется, подобный восьмипроводной "хвост" и соответствующий коннектор должны присутствовать в блоке питания.

Разъемы расширения
Для установки дополнительного аппаратного обеспечения в ПК существуют разъемы расширения - слоты для дополнительных устройств, выполненных в виде электронных печатных плат (видео- и аудиокарт, адаптеров проводных и беспроводных сетей, плат видеозахвата и т.д.). Сегодняшние системные платы обладают слотами на основе шины PCI и PCI Express (ранее распространенные ISA - Industry Standard Architecture - нынче практически вышли из употребления). Термин PCI (Peripheral Component Interconnect) был введен в 1991 г. компанией Intel для реализации новых скоростных характеристик процессоров Intel Pentium и Intel Pentium Pro, а первая аппаратная реализация нового типа слотов расширения появилась годом позже.

Устройства, вставляемые в разъемы PCI, конфигурируются системой автоматически (т.е. шина поддерживает стандарт Plug-n-Play). Благодаря этому с пользователя снимается забота об определении параметров платы расширения и установке прерываний, каналов DMA и т.д. Шина работает на тактовой частоте 33 МГц - это в четыре раза быстрее, чем у предыдущего стандарта ISA.

Слоты PCI Express сильно отличаются от архитектуры PCI, когда устройства подключаются к 32-разрядной параллельной шине. Новый тип использует последовательные соединения, каждое из которых называется линией. Соединение компонентов состоит из одной (xl) или нескольких (х2, х4, 16х, х32) двунаправленных линий. Платы расширения PCI Express совместимы со всеми слотами такой же или более высокой пропускной способности (устройства xl работают в разъемах х4 и х16), однако не наоборот: плата х4 не поместится в слоте xl, несмотря на то что могла бы работать здесь с использованием только одной линии.

Наибольшую важность имеют слоты PCI Express xl6, с помощью которых в систему устанавливаются графические карты. Их разъемы нельзя перепутать с другими, поскольку они снабжены специальным замком, удерживающим плату. Интерфейс PCI Express xl6 призван повысить быстродействие 3D-акселераторов в несколько раз.

Разъемы PATA
Накопители, распространенные в прежние времена, имели параллельный интерфейс (RATA, Parallel Advanced Technology Attachment), и системные платы обладали двухканальным контроллером для таких устройств (по одному каналу на разъем, по два накопителя на канал). Скорость передачи данных составляет 66-133 Мбайт/с. Сегодня актуальность РАТА сохраняется в основном для оптических приводов, а подключение винчестеров производится через более совершенный SATA-интерфейс. Поэтому многие платы теперь оснащаются не двумя, а одним-единственным разъемом РАТА.

Напомним, что устройства, подключенные к одному каналу РАТА, должны иметь разные "указатели старшинства" - обычно они описываются терминами "хозяин" (старший, Master) и "подчиненный" (младший, Slave). Вследствие этого накопители, присоединяемые к одному разъему РАТА, нужно вначале правильно конфигурировать с помощью перемычек.

Разъемы SATA
Интерфейс SATA позволил повысить скорость передачи данных между жестким диском и системной шиной в четыре раза (до 1,5 Гбит/с), а более новый вариант, SATA2, - еще вдвое (до 3 Гбит/с). Разумеется, подобный вид связи очень быстро и широко распространился, поставив под сомнение дальнейший выпуск винчестеров, подключающихся по РАТА. Более того, сегодня многие оптические приводы обладают именно таким типом интерфейса, и уже предлагаются периферийные устройства, использующие все достоинства SATA2 при подключении к внешним разъемам.

В настоящее время "бюджетные" системные платы имеют до четырех разъемов SATA, а более "продвинутые" - по шесть, семь и более. Еще более важно, что на основе этого интерфейса предпочтительнее формировать дисковые массивы. Правда, эта возможность зависит либо от микросхемы Южного моста - она должна быть с буквенным индексом R (от RAID), либо от наличия отдельного контроллера, например от JMicro. При наличии четырех и более разъемов SATA и поддержке RAID можно создавать дисковые массивы типов 0, 1, 0+1, 5 и т.д.

RAID 0 (Stripe) представляет собой массив из двух дисков, запись данных на которые (и чтение) производится одновременно по двум каналам. При этом возрастает быстродействие. Однако отказ одного диска приведет к полной потере данных.

RAID 1 (Mirror) - массив с полным дублированием информации на двух винчестерах одновременно. Отличается высокой защитой от сбоев, но удваивает стоимость хранения данных.

RAID 0+1 объединяет достоинства двух предыдущих, но добавляет недостатки массива Mirror, т.к. требует четырех винчестеров. Они по два объединяются в RAID 1, а две пары - в RAID 0.

RAID 5 называют отказоустойчивым массивом с распределенной четностью. Может формироваться из трех и более дисков. Контрольные суммы, необходимые для восстановления данных при аварии, записываются на каждый из них по очереди. Обеспечивает достаточно надежную защиту данных, но с некоторым понижением производительности по сравнению с RAIDO.

Интегрированный аудиокодек
В недалеком прошлом компьютерные энтузиасты были сильно озабочены качеством звука, создаваемого аудиокартами. Прогресс в электронике сегодня привел к тому, что недостатки таких аппаратных решений стали неразличимы человеческим ухом. Поэтому сегодня все системные платы выпускаются с интегрированными звуковыми системами - в общем случае нет смысла приобретать аудиорешение отдельно. Интегрированный аудиокодек позволяет, с одной стороны, сразу собрать полноценную мультимедийную систему, а с другой - освободить слот расширения для других устройств.

С практической точки зрения важен набор аудиоконнекторов, которые имеются на системной плате. Современные "бюджетные" решения располагают выходами стандарта 5.1 на задней панели, а более "продвинутые" - 7.1, а также зачастую и возможностью использовать цифровые оптические или коаксиальные выходы для подключения внешнего декодера Dolby Digital в системе домашнего кинотеатра.



Интегрированный адаптер локальной сети
Так же, как и аудиокодек, контроллер Ethernet стал непременным атрибутом системной платы. Здесь опять-таки сказалось достижение теоретического максимума качества и скорости передачи данных. В самом деле, чем еще один подобный адаптер может отличаться от другого?

Большинство плат оснащаются сегодня гигабитными сетевыми решениями, но есть и "бюджетные" (10/100 Мбит/с). А наиболее "продвинутые" имеют в своем составе даже не один, а два адаптера.

На системной плате можно найти и другие разъемы, представленные блоками торчащих вверх ножек. Среди них встречаются порты USB, Fire Wire, ТРТ, СОМ, игровой (GAME), ПК. Есть и специальные модули для подключения кнопок и индикаторов системного блока (Reset, Power, Speaker, HDD), a также группы контактов для присоединения микрофонного входа и выхода на акустические системы. Все эти компоненты подробно описаны в руководствах, не отличаются ничем особенным, и останавливаться на них подробно мы не станем.



PS
Наша "обзорная экскурсия" по системной плате не претендует на полноту и детальность в описании ее компонентов - это невозможно изложить на нескольких журнальных страницах. Надеемся, что сообщенные нами сведения лягут в основу углубленного изучения аппаратной части ПК теми, кто собирается подойти к конфигурации или апгрейду своего компьютера со всей серьезностью и глубиной погружения в предмет.