Материнские платы
 В
настоящее время компьютерная техника достигла такого уровня, что благодаря
многолетним улучшениям и нововведениям, а также при наличии огромного количества
литературы на прилавках магазинов и в Интернет, собрать компьютер из различных
компонентов может хоть и не любой человек, но достаточное количество искушенных
пользователей. Они вполне способны самостоятельно правильно выбрать именно ему
необходимые компоненты, все сконфигурировать и настроить. Занятие системным
инженерингом - вот то, что волнует умы множества людей, которые по-настоящему
стремятся к получению прежде всего своего собственного эффективного и доступного
по цене компьютера, и, конечно же, практических навыков по сборке и наладке
аппаратуры.
Что же является основой любого персонального компьютера? Правильно,
материнская плата. Именно она является главным звеном, объединяющим все
компьютерные компоненты; она определяет работу процессора и памяти, распределяет
все информационные потоки компьютера, и управляет питанием каждого компонента.
Именно о материнских платах и пойдет речь в этой статье.
Перед тем, как перейти непосредственно к различиям и особенностям материнских
плат, необходимо немного времени уделить общей концепции архитектуры современных
ПК. Это поможет в дальнейшем лучше понять новые технологии материнских плат.
Скорость и сбалансированная планировка
В современном ПК абсолютно все компоненты передают и принимают данные…
Передача данных должна происходить очень быстро, иначе сойдет на нет вся
производительность системы в целом.
Центральный процессор - сердце любого ПК. Он претерпел огромные изменения со
своего первого применения.
Как видите, разработчики ЦП (центральный процессор) приложили немало усилий
для улучшения процессоров… Но величина тактовой частоты процессора в любом
случае хоть и важный, но не главный фактор: производительность компьютера
определяется всеми компонентами компьютера в целом, увеличение же тактовой
частоты не всегда означает автоматическое увеличение производительности. В
зависимости от процессора, работа при выполнении одного такта может различаться.
В процессорах Athlon за один такт микропроцессора выполняется 9 различных
операций. Процессор Pentium 4 выполняет небольшое количество некоторых операций
АЛУ (арифметико-логическое устройство) на двух устройствах - получается, что
эффективно количество операций за такт удваивается. Современные процессоры могут
выполнять миллиарды таких тактов в секунду, что и используют для своей работы
другие компоненты компьютера, и, конечно же, пользователи.
Разработка процессоров ведется уже давно, но они все равно производят лишь
общие математические операции, перенос данных, а также операции сравнения.
Производительность системы в последнее время определяется выполнением различных
мультимедиа операций: это обработка графики, звука и видео. Такой тип операций
нуждается в очень быстром переносе большого массива данных через всю систему с
различными расчетами и выводами результата.
Сбалансированная планировка
Все эти расчеты графики, видео и звука, очень "прожорливы": иногда требуется
практически вся мощность компьютера. В такой ситуации для проектировщика очень
важно создать полностью сбалансированную систему, когда возможности процессора
по обработке данных не тормозятся низкой пропускной способностью памяти. Ведь
если пропускная способность памяти будет недостаточной, процессор просто вовремя
не получит необходимые ему данные, а в результате - будет некоторое время
простаивать. Это естественно приведет к потере потенциальной производительности.
Интересен и такой момент: некоторые процессорные компании, такие как Intel (а
именно Intel Architecture Labs), сознательно увеличивают напряжение на системных
компонентах для того, чтобы они работали быстрее, даже если это компоненты
других фирм.
Ремарка Hardvision: Надо заметить, что такие методы увеличения
производительности не бесконечны. Положение таково, что кристаллы, из которых
состоит каждый из применяемых на сегодняшний день процессоров, имеет свою
критическую температуру нагрева. Так вот при данных размерах кристаллов, которые
производятся по технологическим процессам 0.13, 0.18, а в 2002 году и по 0.09
микрон охлаждение обычным кулером с радиатором вполне хватает, но при переходе
на 0.03 микрон эта самая критическая температура кристалла достигнет своего
апогея и они просто-напросто сгорят. Тоже самое может произойти и при повышении
напряжения на ядре процессора. Причем ни на воде, ни на жидком азоте радиаторы
на смогут охладить кристаллы до уровня нормально производительности или же это
будет чересчур дорого и не рационально. И в следствии всего вышесказанного
производителям придется переходить на принципиально новые методы производства
процессоров.
Для улучшения ситуации с пропускной способностью, и Intel, и AMD предлагают и
помогают внедрять все новые и новые системные архитектуры для обеспечения
нормальной работы быстрых процессоров. Кроме того, компьютерные энтузиасты для
увеличения производительности компьютера используют специальное внешнее
оборудование, что в последнее время очень критикуется компанией Intel. Но
вернемся к материнским платам. Инженерам-разработчикам необходимо создавать
сбалансированные материнские платы, которые бы обеспечивали нормальную
пропускную способность не только между процессором и памятью, но и для всей
системы. Современные материнские платы очень различаются в системной
архитектуре, но есть и общие принципы, о которых мы и расскажем в следующей
главе.
Кэш-память: мощность и ограничения
Для начала рассмотрим такую важную часть системной архитектуры, как
кэш-память. Кэш-память, находящаяся в самом ядре процессора (во всех современных
процессорах) - это самая быстрая память, в которую помещается информация,
которая необходима процессору. Первым делом процессор обращается к кэш-памяти 1
уровня при отсутствии нужной информации, он обращается к кэш-памяти других
уровней или берет ее из оперативной памяти.
Иерархия памяти
Рисунок выше наилучшим образом помогает представить принцип взаимодействия
процессора, кэш-памяти, оперативной памяти и устройств хранения информации. Чем
ближе к процессору, тем емкость памяти уменьшается, а скорость - увеличивается.
Нормальное значение производительности компьютера зависит от хорошо
спроектированной и реализованной архитектуры памяти, которая должна быть
спроектирована так, чтобы на других этапах передачи данных не возникало
перегрузок и застоев в передаче данных.
Различные реализации кэш-памяти
До материнских плат поколений Pentium II, или Athlon, кэш-память второго
уровня располагалась не на ядре (или плате, как в Pentium II и ранних Pentium
III и Athlon для Slot1 и SlotA) процессора, а выполнялась в виде обычной SRAM и
располагалась на материнской плате. Но с повышением производительности
процессоров возникла острая необходимость ускорить работу кэш-памяти второго
уровня, именно поэтому она и перекочевала в ядро процессора (или на его плату -
как уже говорилось). Сейчас идут разработки для добавления еще одного уровня
кэш-памяти - Level 3 cache, который будет встроен в материнскую плату.
Кэш-память, размещенная в ядре процессора всегда гораздо быстрее и мощнее
памяти, размещенной на материнской плате. Кроме того, кэш, размещенный в ядре
процессора, обладает следующим свойством: он работает одновременно и с данными,
и с инструкциями для процессора (по различным историческим причинам такая
архитектура была названа Гарвардской - "Harvard Architecture").
Как показало время, размещение кэш-памяти на ядре процессора, было очень
удачным шагом: разработчики получили возможность использовать гораздо более
широкий интерфейс кэша. Даже в процессоре Pentium за такт передается 256 бит (32
байт) инструкций для процессора. Эти 256 бит в Pentium это строка кэша
(английский термин - cache line) (наименьшая единица информации, которая может
быть записана в кэш). Каждая линия имеет дескриптор кэша (английский термин -
cache tag), который обеспечивает разделение на строки КЭШа при очередном удачном
обращении в него.
Кроме того, с введением встроенного в ядро кэша, стало возможным встраивать в
кэш большее количество комплектов так называемой ассоциативной памяти
(английский термин tag memories), что делает кэш более доступным и значительно
снижает потери и неудачные обращения в кэш. В этой концепции есть и маленький
минус: встраивание большого количества комплектов ассоциативной памяти в кэш
непременно влечет увеличение стоимости кэш-памяти, а также значительно ее
усложняет. К примеру, кэш с одним комплектом такой памяти называется "1-путным",
или "кэш прямого отображения". Если же кэш с 4 комплектами ассоциативной памяти,
то он называется "4-х путным" ("4-way"). Компьютерные архитекторы уже давно
дискутируют, что же выбрать: производительность, или дешевизну… но больший объем
кэш-памяти и количество комплектов ассоциативной памяти в КЭШе на
производительность влияют очень сильно: она значительно увеличивается.
Еще одно преимущество встроенного КЭШа - такая кэш-память может иметь
несколько портов ввода/вывода, что позволяет ядру ЦП производить синхронное
чтение (англ. термин simultaneous read) и доступ к записи (англ. термин write
access) (подобно доступу к различным конвейерам). В некоторых процессорах
применяется и многопортовая ассоциативная память. Эти дополнительные порты также
встроены в ядро. Питание кэш-памяти зависит от всех ее компонентов и ее объема:
чем больше количество компонентов КЭШа и объема кэш-памяти, тем больше
необходимо затратить энергии.
Кэш память большего объема оказывается, как правило, медленнее, т.к. ее
заполнение занимает большее количество времени (кроме того, ей необходимо
большее питание). Именно поэтому размер кэш-памяти первого уровня (Level 1
cache) гораздо меньше, чем кажется разумным. К примеру, процессор Pentium4 имеет
всего 8 Кб кэш-памяти 1 уровня плюс 12 Кб предварительного КЭШа выполнения пути
(Execution Trace Cache), который выполняет такую же роль, как и кэш-память
первого уровня для инструкций.
Дизайнеры Intel все время стремятся увеличить размер кэш-памяти, но сложность
и дороговизна производства процессоров вынуждает пойти на компромисс между
мощностью и стоимостью.
Настоящий враг - латентность памяти (Memory Latency)
Следует знать и архитектуру памяти - ведь она является одним из главных
компонентов компьютера, от которой также сильно зависит производительной всей
системы. Как правило говоря о памяти, мы зацикливаемся на таких ее параметрах,
как частота, пропускная способность и время доступа к ней, но совершенно
упускаем из вида проблему латентности (время ожидания, задержка) памяти.
Различные нововведения, такие как встаивание кэш-памяти в ядро процессора и т.п.
сделаны для увеличения пропускной способности памяти, но они не уменьшают
латентность. От латентности невозможно избавиться: с каждым увеличением тактовой
частоты процессора, увеличивается и латентность. Единственный выход - это менять
саму память.
С каждой стадией иерархии памяти появляется и большая латентность.
Устройства, находящиеся вне ядра процессора имеют просто огромные значения
латентности, т.к. они получают доступ к процессору только через относительно
медленную память DRAM (Dynamic Random Access Memory). Новые технологии памяти
DRAM, такие как RDRAM, хоть и имеют огромную частоту работы, но сложность самой
памяти, а также шины все же увеличивают среднюю латентность системы.
Чтобы показать актуальность и важность проблемы латентности, приведем такой
пример: латентность из-за встроенной в ядро кэш-памяти на быстрых системах
приблизительно составляет 80 процессорных циклов!
Выход из ситуации
Но не все так мрачно, как кажется. Архитекторы процессоров адаптируют свои
детища для неизбежной работы с латентностью. Хорошо спроектированный, быстрый
кэш - большая часть решения проблемы: по статистике, каждая третья операция
процессора - это операция с памятью. Но каждая 5 инструкция это одна из
разновидностей операций условного перехода, что делает кэширование очень
непростой задачей, т.к. процессору очень трудно определить, что же необходимо
кэшировать, а что - нет. Именно поэтому производители процессоров наперебой
хвастаются реализацией в их процессоре алгоритма прогнозирования ветвлений, т.к.
плохой прогноз приводит к потери уже загруженной памяти и загрузке новых данных,
что замедляет работоспособность.
Лучший выход из сложившейся ситуации с латентностью памяти - это полностью
избегать эти огромные потери в кэш-памяти. Подход к решению проблемы был
позаимствован у процессоров Centaur (теперь это процессоры Via Cyrix) - передать
большое количество транзисторов управлению кэш-памятью, а также на лучшую
реализацию операций предсказания ветвлений. Такое решение оказалось очень кстати
в свое время, наконец-то был найден баланс между иерархией памяти и низкой
стоимости при довольно хорошей эффективности системного дизайна.
Большое изменение в архитектуре процессора началось, когда было пересмотрено
традиционное внутреннее выполнение потока. Вместо него Intel стала использовать
внешнее, динамическое выполнение. Первым процессором, работающим по новой схеме,
стал процессор Intel Pentium Pro, архитектура которого позволяла выполнять
инструкции в таком порядке, что ресурсы для вычислений, доступны пока инструкции
полностью не освободятся от связей. Процессор Pentium 4 может выполнять "на
лету" 126 инструкций, что позволяет процессору одновременно и выполнять операции
с большой задержкой (латентностью), и искать те инструкции, которые понадобятся
для выполнения позже.
Архитектура процессоров AMD Athlon использует похожий подход к решению
проблемы с латентностью. Отличительная особенность в архитектуре этого
процессора заключается в том, что память не разбивается на блоки при загрузке,
что позволяет загружать в процессор данные в то время, когда он ожидает данные,
задержанные латентностью.
Как латентность обходится в шине материнской платы
Вместе с разработками новых процессоров класса Pentium Socket 7 разработано
решение по уменьшению задержек латентности и увеличении пропускной способности
шины. Все процессоры Intel Pentium Pro, Pentium II, Pentium III и Celeron
используют 64-битную, полностью конвейеризированную шину с разделением
транзакций (шина P6).
При работе с перекрытием запросов памяти, процессор способен более эффективно
управлять шиной и сохранять ее оперативность даже при выполнении операций с
большими задержками (латентностью). Тут все точно также: одновременно с
ожиданием данных, задержанных латентностью, шина может отправлять и принимать
данные для других операций с памятью, или вода/вывода.
Немного позже Intel полностью изменила дизайн материнской платы касаемо
процессора. Сам процессор также претерпел изменения: кэш-память второго уровня
была вынесена за ядро и размещалась на специальной плате, которая и вставлялась
в материнскую плату через новый разъем Slot-1. Такой разъем использовался
процессорами Pentium Pro, Pentium II, а также ранними Pentium III (на ядре
Katmai). Интеграция кэш-памяти второго уровня на специальную плату отодвинуло
системную шину по иерархии памяти ниже, что позволило сбалансировать дизайн. Это
было очень удачным решением для своего времени: при введении такой архитектуры
системная шина работала на частоте 100 МГц, не вызывая больших задержек. Затем
процесс производства процессоров позволил применить накопленный на Slot-1 опыт и
переместить кэш-память второго уровня обратно на ядро процессора. Это стало
началом конца Slot-1 материнских плат. Был разработан новый стандарт для
соединения материнской платы и процессора - Socket 370 (370 означает количество
штырьков, контактов), который позволил увеличить частоту шины до 133 МГц.
Следует отметить, что общий принцип работы шины не изменился. На такой шине
работают процессоры Pentium III и основанные на нем Celeron, а также процессоры
низкого класса VIA Cyrix.
Архитектура чипсета
Настало время отойти от центрального процессора и взглянуть на компоненты
современной материнской платы.
Не для кого не секрет, что часто производители процессоров играют очень
большую роль в формирования дизайна материнских плат. Это делается, прежде
всего, для обеспечения лучшей работы процессора, обеспечения его стабильности и
надежности.
Чипсеты на Юге и Севере
Чипсет материнской платы состоит из двух компонентов (которые, как правило,
представляют собой независимые чипсеты, связанные друг с другом). Называются эти
компоненты Северный и Южный мост. Названия Северный и Южный - исторические. Они
означают расположение чипсета моста относительно шины PCI: Северный находится
выше, а Южный - ниже. Почему мост? Это название дали чипсетам по выполняемыми
ими функциями: они служат для связи различных шин и интерфейсов. Для
проектировщика особой сложностью является Северный Мост, т.к. он работает с
самыми скоростными устройствами, поэтому сам должен работать очень быстро,
обеспечивая быструю и надежную связь процессора, памяти, шины AGP и Южного
Моста. Южный мост работает с медленными устройствами, такими как жесткие диски,
шина USB, PCI, ISA и т.п.
Зачем нужны два моста
Почему производители разделили чипсет на два моста? Тут несколько причин.
Первая и, наверное, самая главная заключается в выполняемых чипами функциях.
Северный мост должен работать гораздо быстрее, чем Южный. Разработка же обоих
мостов на одном чипе значительно усложняет разработку и производство такого
чипсета. Кроме того, обновление стандартов периферии происходит очень часто. При
использовании двух чипсетов производителям материнских плат нет необходимости
полностью менять весь набор логики: достаточно поменять Южный мост. Ни для кого
не секрет, что размер самого ядра чипсета намного меньше кремниевой подложки, на
которой он находится. Это необходимо для того, чтобы грамотно развести
проводники от ядра процессора к его ножжкам-выходам. Таким образом, в чипсете
остается довольно много места, которое исчезает при использовании вместо двух
чипсетов одного. Вы спросите "зачем же необходимо это неиспользованное место?"
Так вот, в северный мост как раз из-за неиспользованного пространства некоторые
производители встраивают наборы графики, а в будущем тут планируется размещать
кэш-память третьего уровня.
Подробно о Северном и Южном мостах
Северный мост
Существует небольшое функциональное различие между Северными мостами шин EV6
и P6 (о которых мы говорили в первой части этого материала), заключающее в
различной реализации работы с памятью, но основной принцип действия и назначение
- одинаковы. Функция чипсета Северного моста - контролировать и направлять поток
данных из 4-х шин (память, AGP, системная шина процессора и шина связи с Южным
мостом). Причем он должен быть настолько сбалансирован, чтобы как можно больше
сократить простои при попытке доступа к памяти, ведь каждому устройству
необходим быстрый и простой путь к ней. Именно в этом и заключается основная
задача разработчика чипсета - он должен грамотно и быстро распределять все
запросы к памяти, расставлять приоритеты и создавать, если это необходимо,
очередность.
В ранних исполнениях чипсетов контроллеры памяти в них были
очень сильно подчинены процессору, а ему из-за этого приходилось обрабатывать
большое количество данных и запросов на запись в память. К современным же
компьютерам такой подход просто неприменим: многим задачам требуется огромная
вычислительная мощь, которая будет недоступна по причине обработки запросов на
доступ к памяти. Поэтому в современных чипсетах контроллеры памяти - вполне
самостоятельные устройства, обеспечивающие прямой доступ к памяти почти всех
устройств компьютера.
Использование буферов для обеспечения одновременного доступа к памяти
Так как для связи между чипсетами все еще используются довольно устаревшие и
медленные технологии передачи данных, может возникнуть проблема при передачи
данных по прямому каналу к памяти. К примеру, прямой доступ к памяти (ПДП, или
DMA-Direct Memory Access) стараются получить одновременно жесткий диск и,
скажем, шину AGP. В таких случаях естественно задержки - недопустимы, а память
физически не может принять данные одновременно с нескольких устройств. В таком
случае канал передачи данных работает в режиме разделения времени, а данные,
ожидающие освобождения канала, хранятся в специальных буферах Северного Моста.
Итак, хороший чипсет должен обеспечивать нормальную буферизацию, а также
комплекс обеспечивающих общий доступ к шине процедур для того, чтобы память и
сам канал передачи использовались эффективно. Для примера, можно назвать один из
лучших чипсетов - это Северный мост VIA KT133A, обеспечивающий 16 уровней (по 64
бита каждый) буферизации данных для передачи данных от шины PCI (которая пока
как уже говорилось, является шиной для всех устройств, управляемых Южным мостом)
к памяти. Такой параллельный буфер очень важен для передачи данных с высокой
скоростью к таким устройствам, как жесткий диск.
К сожалению, очень сложно подобрать идеальный размер буфера, ведь его
эффективность зачастую зависит от того программного обеспечения, которое
установлено на компьютере. К примеру, эффективность буферов различных
производителей может быть различной.
Интерфейс Южного моста: от PCI к соединению "один-к-одному"
Использование шины PCI для связи Северного и Южного мостов довольно часто
провоцирует простои, т.к. шина PCI - все еще 32-битная шина, работающая на 33
МГц. Теоретически, шина PCI способна передавать данные с пропускной способностью
133 Мб/сек. Но это пиковая пропускная способность, реальное же ее значение -
около 40 Мб/сек. В последнее время периферийные устройства значительно ускорили
свою работу. К примеру, стандартный жесткий диск теоретически способен
передавать данные со скоростью 100 Мб/сек. Но кроме жестких дисков существуют и
другие достаточно быстрые устройства: это и различные SCSI-устройства (которые,
как правило, работают даже быстрее жестких дисков), и устройства USB (USB 1.1
способна обеспечивать пропускную способность в 12 Мб/сек, а USB 2.0 - 480
Мб/сек) и т.п. Рост количества таких устройств и возрастающая их популярность, а
также недостаточная в связи с этим пропускная способность шины PCI, которая
используется для связи Южного и Северного мостов - вот те причины, из-за которых
необходимо менять интерфейс связи между мостами.
Все это заставляет производителей чипсетов изобретать свой собственный
интерфейс связи между мостами, ведь для чего нужны быстрые чипсеты, если связь
между ними медленная? К сожалению, различные производители чипсетов зачастую
используют свои собственные разработки, которые абсолютно несовместимы с
разработками других производителей. Это вносит некоторые сложности для
производителей материнских плат, у которых пропадает возможность комплектовать
плату мостами от разных производителей.
Корпорация Intel не стала изобретать велосипед, и применила уже
спроектированную шину (которую она назвала "hub link") для связи между хабами.
Это 8-битный порт, работающий на частоте 66 МГц и передающий 4 байта за такт.
Это дает теоретическую пиковую пропускную способность 266 Мб/сек. Кроме того,
использование такого интерфейса связи лучше использует такую пропускную
способность, т.к. технология Intel объединяет все различные периферийные запросы
в взаимосвязанный список запросов на ПДП. Движок ПДП Южного моста в это время
оставляет соединение с Северным мостом и памятью открытым для прямого доступа к
памяти.
Шина Аудиокодека Audio Codec (AC) Link
Эта особенность чипсета создана для передачи смешанного сигнала (аналогового
или цифрового) от внечиповых встроенных в материнскую плату устройств, таких как
аудиоплата, или сетевых устройств - модема или сетевой платы. Все эти устройства
для простоты размещения на материнской плате, а также для уменьшения их
стоимости полностью не функциональны, как их "нормальные" аналоги: введено
программное управление ими, т.е. часть их функций берет на себя центральный
процессор и память. AC шина была разработана компанией Intel для облегчения
введения такого программного управления. Именно поэтому некоторые пользователи
отключают все встроенные функции для того, чтобы разгрузить процессор и память.
Современная версия шины, AC97 2.2 обеспечивает 5 сигнальный интерфейс связи с
устройствами. Что касается звука, то шина может быть соединена с чипом,
включающем кодек (кодирование/декодирование), цифро-аналоговый, а также
аналогово-цифровой преобразователи, обеспечивающие связь чипа с колонками или
наушниками, и устройствами линейного и микрофонного входов.
Что касается телефонии, шина AC также имеет физический интерфейс (PHY) для
соединения с телефонной линией. AC97 чипы также можно применять для связи со
встроенными сетевыми платами.
Для системного проектировщика, использование шины AC влечет ряд особенностей.
Основная из них - это опасность возникновения резкого падения производительности
при использовании встроенных программных устройств, которые, как уже говорилось,
загружают центральный процессор. Производительность может резко упасть в
ресурсоемких сложных приложениях. В особенности это касается звуковых чипов:
большинство компьютерных игр практически всегда выдают на звуковую карту не один
звук, а великое их множество, которое должно быть определенным образом
преобразовано и выдано на конечные устройства вывода звука (колонки, наушники).
Чаще всего звуки имеют различные скорости передачи звуковых сэмплов, зависящие
от необходимого качества звука. Аудио процессор должен обработать все эти звуки,
смешать их, и выдать на выходы звуковой карты.
Еще один пример обработки звука - это обработка комплекса HRTF ("head-related
transfer functions" - главные функции передачи), которые создают
позиционированный 3D звук. Такие функции требуют наличия PCI платы с DSP
процессором, а также некоторое количества оперативной памяти. Но такой процессор
обычно не устанавливают на материнскую плату. Хоть такое решение и разгрузило бы
центральный процессор, но такой шаг не является хорошим решением, как для
создания звуковой карты высокого класса, так и для производителей материнских
плат, т.к. опять же усложняется ее проектировка. Хотя полученный таким образом
звук получается довольно качественным: пользователи не смогли бы почувствовать
разницу между звучанием хорошей PCI платы, и встроенного качественного
аудио-решения, особенно при использовании одинаковой акустики.
Конечно, гораздо большее количество встроенных устройств может поддерживать
Южный мост, но они донельзя загрузят процессор. К примеру, сейчас у
производителей очень популярны программные модемы, которые бывают, как встроены
в материнскую плату, так и размещаться в виде плат PCI. Они естественно
достаточно сильно загружают центральный процессор и оперативную память, т.к. не
имеют собственных средств обработки сигнала. Единственное достоинство таких
решений - это очень низкая их стоимость. Хотя с существующими вычислительными
мощностями процессоров использование таких устройств достаточно оправдано и
нормально рассматривается как производителями, так и потребителями.
Встроенный контроллер сетевой платы Local Area Networking (LAN)
Организация поддержки сетей - вот один из примеров, когда некоторые системные
проектировщики часто переносят вычисления на центральный процессор. AC Link шина
(или AC Link + у которой дополнительные контакты для ЛВС) используется для
поддержки DSL соединений, HPNA (Home Phone Networking Alliance - Домашнее
Объединение Сетевой Телефонии), или даже поддержки Ethernet - такое решение
навело на создание плат расширений - портов для дешевых устройств, которые не
имеют контроллера для шины PCI и средств вычисления.
Встроенный Ethernet контроллер
Встраивание сетевого контролера в плату может ввести в заблуждение
пользователей - каково же качество этого встроенного сетевого контроллера?
Невозможно узнать номер партии сетевого чипа, встроенного в Южный мост.
Например, встроенный в новый Южный мост от AMD сетевой контроллер имеет
поддержку всех необходимых вычислений. Это означает, что используя этот сетевой
адаптер центральный процессор загружается примерно также, как и при
использовании обычного PCI адаптера.
Разделение задач сетевой платы представляет очень большую сложность. В
сетевом пакете (данные по сети передаются по сети пакетами), кроме данных
пользователя содержится большое количество служебной информации, которую
необходимо обработать для обеспечения нормальной работы сети. Часто встроенные,
и некоторые PCI платы все же используют центральный процессор для обработки
такой информации. Но сетевые адаптеры фирм Alacritech, 3COM, Intel и некоторых
других встраивают в процессоры своих сетевых плат функции по обработки протокола
TCP/IP, некоторые IPSEC, и SSL инструкции, что значительно ускоряет необходимые
вычисления и не загружает центральный процессор.
Для определения реальных функций любого встроенного устройства есть
единственно правильный способ: провести тестирование. Если в игре количество
кадров в секунду падает при переключении с звуковой карты PCI на AC97 звук - это
хороший пример чрезмерной загрузки центрального процессора. Подобные тесты можно
провести для встроенных модема и сетевой платы.
Другие функции Южного Моста
Есть и другие функции Южного моста, которые мы не описали. Это и DMA
контроллеры, и контроллеры прерываний, таймеры, часы реального времени, контроль
обеспечения питанием, а также множество других соединений, которые обычному
пользователю просто неинтересны.
Особенности Материнских плат
Модуль регулировки напряжения VRM (Voltage Regulator Module)
Используется для регулировки напряжения, подаваемого для всех устройств
материнской платы. Например, современные процессоры работают на меньшем
напряжении, чем остальные компоненты системы. Не для кого не секрет, что новые
вычислительные устройства, такие как различные чипы и процессоры, у которых
малый размер транзистора, потребляют меньшее питания.
Центральный же процессор работает лучше на высоком напряжении, но хуже при
высокой температуре. Выделение тепла процессором - в квадратичной зависимости от
уровня напряжения, подаваемого на процессор. Возникает дилемма: при увеличении
напряжения процессор должен работать быстрее, но увеличивается его температура,
что влечет за собой ухудшение его работы. Излишнее тепло от процессора отводится
радиаторами и вентиляторами. Если вольтаж и температура процессора слишком
высоки, он может перегреться и сгореть. Именно поэтому разъем для процессора на
материнской плате располагают как можно ближе к блоку питания, в котором
работает вентилятор на вытяжку. Горячий воздух от процессора (а теперь и с
других горячих устройств, таких как видеокарты и некоторые жесткие диски) сразу
же вытягивается из корпуса. Некоторые экстремальные оверклокеры настолько
разгоняют систему, что появляется необходимость в установке дополнительного
вентилятора-вытяжки, место для которого есть уже во всех корпусах.
Но мы немного отвлеклись. Для наилучшего соотношения мощности, скорости и
напряжения, компания Intel для своих новых процессоров разработала специальный
тип регулятора напряжения, который на входе имеет напряжение от блока питания, а
на выход подает стабильное напряжение необходимого значения на сам процессор.
Кроме того, новый регулятор напряжения - программируемый, который использует 5
VID (voltage identification - определение напряжения) сигналы, с помощью которых
регулируется подаваемое на него напряжение. VID контакты, как правило идут прям
из процессора. Например, для выполнения особо сложной задачи процессору
требуется большая вычислительная мощь. Тогда он посылает запрос на регулятор
напряжение, который увеличивает напряжение на то значение, которое "прислал"
процессор. Такие возможности очень понравятся оверклокерам, для которых
некоторые производители материнских плат разрабатывают применение этой функции.
Генераторы тактовой частоты
Многие компоненты компьютера работают на разных частотах. Кроме того, они
могут быть синхронными, или асинхронными. Два частотных сигнала называются
синхронными, если одни может быть получен из другого. Например, шина FSB
работает с процессором, частота которого больше ее частоты на увеличенной
частоте за счет множителя: так, процессор Pentium III с частотой 600 МГц
работает с множителем 6 на шине с частотой 100 МГц. Т.е. он имеет 6 сигналов по
100 МГц, синхронизированных с 100 МГц системной шиной.
Разъемы
На любой материнской плате есть разъемы. Это порты для мышки, клавиатуры,
последовательные, параллельные, а также USB порты. В последнее время порты стали
маркировать цветом для более удобного восприятия: к примеру, одинаковые по виду
порты PS/2 для мышки и клавиатуры обозначены кроме графического изображения еще
и разными цветами.
Перемычки
В настоящее время многие материнские платы изменяют свои настройки не
перемычками, а из BIOS, но перемычки все еще имеют место. Некоторые
производители дают пользователям возможность изменять настройки как из BIOS, так
и используя перемычки
Платы расширений
В нашей дискуссии о шине AC97 мы уже говорили о возможности избежать цен PCI
карт для звука и сети. Существуют и другие конкурирующие стандарты для того,
чтобы позволить пользователю избежать дорогостоящих звуковых и сетевых решений,
которые так же обеспечивают дополнительные порты для работы со звуком, модемом и
сетью. Эти, так называемые платы расширения устанавливаются в специальный
разъем, вместо PCI слота. Конечно, если посмотреть с задней стороны корпуса, то
ничего особенного мы не увидим. Существует стандарт, продвигаемый Intel.
Интеловское детище зовется: "Расширение для Коммуникаций и Сетей"
("Communication and Networking Riser" - CNR). Подробнее о нем мы поговорим в
описании материнской платы Intel D815EEA. Есть и конкурентный стандарт - "Порт
Улучшенных Коммуникаций" ("Advanced Communications Riser" - ACR), который
разрабатывается и поддерживается 50 компаниями-производителями оборудования.
Основное различие между CNR и ACR состоит в том, что последний это как бы
обновленный и немного модифицированный AMR стандарт, когда решение от Intel.
Подразделы
Epson
полиграфия печать брошюр
|
