Министерство образования Российской Федерации

Московский Государственный Институт Электроники и Математики

(Технический Университет)

Кафедра Информационно-коммуникационных

технологий

Курсовой проект по «Организации ЭВМ»

На тему “Архитектура системной платы”

Выполнил:

Студент группы С-35

Христенко А.А.

Проверил:

Мартиросян С.Т.

Москва 2011

Введение

Современный период развития цивилизации характеризуются тем, что человечество переходит от индустриального общества к обществу информационному. В информационном обществе большую роль играет технология сбора, обработки и передачи информации, которая базируется на использовании вычислительной техники.

Уже прошло то время, когда компьютер был только у избранных. Сегодня он есть почти в каждом офисе и доме, и стал незаменимым помощником в любом деле. В наши дни домашний компьютер — это не просто машина, призванная беспристрастно выполнять сложные математические расчеты, а практически член семьи — любимый питомец, без которого люди уже не представляют свою жизнь. Но неизбежно приходит день, когда питомец стареет и перестает справляться со своими обязанностями. Тогда перед владельцем встает непростой вопрос выбора: обновить старый ПК или купить новый?

Умение настраивать, ремонтировать и обслуживать компьютеры очень ценится в современном мире. Эти навыки сегодня актуальны и являются одной из специализаций моей будущей профессии, вне зависимости от того собираюсь я работать в этой сфере или же просто захочу применить полученные навыки в домашних условиях. Многие пользователи испытывают затруднения при установке программ, а также ремонте и наладке компьютера, зачастую даже при самом незначительном сбое в системе приходится вызывать мастера, тратить время, деньги, может даже и нервы, ведь для большинства людей, персональный компьютер представляет собой некий черный ящик, к которому подсоединяются монитор, мышка и клавиатура.

Однако фундаментом современного компьютера является материнская плата. Мощные процессоры, высокопроизводительные видеокарты не что иное, как груды железа, без системной основы — платы, объединяющей все внутренние компоненты и вдыхающей в компьютер жизнь. С технической точки зрения материнская плата — это печатная многослойная плата, на которой располагается огромное количество управляющих микросхем, разъемов и микрочипов. Основные ее задачи — организация сложной работы всех компонентов компьютера, передача данных между ними и, в конечном счете, обеспечение общения компьютера и пользователя.

В своей курсовой работе я попытаюсь разобраться, как устроена системная плата. И причины перехода от шинно-мостовой к хабовой архитектуры.

Постановка задачи

Проанализировать устройство материнской платы. Рассмотреть шинно-мостовую архитектуру и хабовую архитектуру. Разобраться в причинах перехода от шинно-мостовой к хабовой архитектуре в разрезе общей тенденции перехода от параллельного к последовательному методу передачи данных.

Устройство материнской платы

Системная (system board), или материнская (motherboard), плата персонального компьютера является основой системного блока, определяющей архитектуру и производительность компьютера. На ней устанавливаются следующие основные компоненты:

1. 
   Один или несколько центральных процессоров.
   
2. 
   Память: постоянная (ROM или Flash BIOS), оперативная (SDRAM).
   
3. 
   Набор системной логики: это наборы микросхем, которые обеспечивают подключение центрального процессора к оперативной памяти и к контролерам периферийных устройств. Наборы системной логики разделяются на «северный» и «южный» хабы.
   

Помимо этих сугубо обязательных средств на большинстве современных системных плат устанавливают дополнительные контролеры USB портов, 2-4 порта SATA, контроллер FireWire (1394), а также адаптер локальной сети (Ethernet 10/100 и даже 1000 Мбит/с). Для поддержки совместимости со старыми устройствами на материнских платах до сих пор оставляют контролеры дисководов, IDE-устройств, а также интерфейсы СОМ и LPT портов.

Существуют и системные платы с интегрированными видео-, аудио- и прочими устройствами, обеспечивающие полную функциональность компьютера без всяких карт расширения. При необходимости интегрированные устройства могут быть заменены устройствами, установленными в слоты расширения (правда, иногда не все устройства системной платы можно полностью отключить).

Архитектура системной платы

По мере «взросления» компьютеров постоянно расширяются функции чипсета системной платы и изменяются подходы к его построению. В задачу чипсетов для 80286/386 входили увязка шины процессора с относительно несложным контроллером памяти и подключение к этой связке шины (E)ISA, на которой располагались все устройства. Постепенно стала усложняться подсистема памяти — появился кэш на системной плате, а потом к нему добавился встроенный кэш процессора. Для процессоров класса 486 производительности шины (E)ISA оказалось уже недостаточно, и появились новые шины. Шина PCI, для которой пришлось строить отдельный мост от системной шины. Поначалу ее называли «пристроечной» (mezzanine bus), но вскоре она надолго стала центральной шиной, вокруг которой компоновались все остальные элементы. Ее центральное место не оспаривалось, поскольку шина PCI имела, по тем меркам, высокую производительность — 132 Мбайт/с. Традиционно на схемах шину PCI изображают посередине, как экватор. Когда схематически начали изображать архитектуру системных плат, то процессор и память (вместе с кэш-памятью) изображали выше — «севернее», а шину ISA и все устройства, подключаемые к PCI и ISA, изображают ниже — «южнее экватора». Соответствующие части чипсета получили укоренившиеся названия северных (north) и южных (south) мостов или хабов.

Архитектура системной платы прошла путь от шинно-мостовой к хабовой, особняком держится архитектура HyperTransport. Независимо от архитектуры системной платы и физической реализации соединений все современные периферийные устройства (или контроллеры и адаптеры их интерфейсов) представляются логическими устройствами (точнее, функциями).

Шинно-мостовая архитектура

Большинство ранних версий наборов микросхем системных плат создавались на основе шинно-мостовой архитектуры. Сейчас они остались только в истории, хотя некоторые пользователи могут еще их использовать.

В шинно-мостовой архитектуре имеется центральная магистральная шина, к которой остальные компоненты подключаются через мосты. В роли центральной магистрали сначала выступала шина (E)ISA, затем ее сменила шина PCI. Шинно-мостовая архитектура чипсетов просуществовала долгое время и прошла множество этапов эволюции.

На одном из этапов развития вторичный кэш перемещается с системной платы на процессор. С этого момента чипсет не управляет статической кэш-памятью, а лишь обеспечивает когерентность процессорного кэша с основной памятью, доступ к которой возможен и со стороны шины PCI. Это не только упростило северную часть чипсета, но и позволило поднять общую скорость системы.

Дальнейшее модернизация шинно-мостовой архитектуры постигла шину PCI. Стало не хватать ее пропускной способности, разделяемой между всеми устройствами. В основном это касалось доступа к видеокартам с 3D-акселератором. Тогда и появился порт AGP как выделенный мощный интерфейс между графическим акселератором и памятью (а также процессором). Но и отказываться от PCI, как в свое время отказались от шины ISA, не стали. При этом задачи северного моста значительно усложнились.

Шина, к которой подключается множество устройств, является узким местом по ряду причин. Во-первых, из-за большого числа устройств, подключенных к шине, не удается поднять тактовую частоту до уровня, достижимого в двухточечных соединениях. Во-вторых, шина, к которой подключается множество разнотипных устройств (особенно расположенных на картах расширения), обременена грузом обратной совместимости со старыми периферийными устройствами. На рисунке 1 представлено схематическое изображение шинно-мостовой архитектуры.

Рис. 1

Хабовая архитектура

Прогресс не стоит на месте. Начинают появляться высокоскоростные устройства UltraDMA (АТА/66, АТА/100, а затем и АТА/133). Связь двухканального контроллера IDE с памятью через шину PCI стала уже слишком сильно нагружать эту шину. Кроме того, появились высокоскоростные интерфейсы Gigabit Ethernet, FireWire (до 100/200/400/800 Мбит/с) и USB 2.0 (до 480 Мбит/с) и уже начинали говорить о USB 3.0 (до 5 Гбит/с). Так же на подходе была новая шина PCI Express. Ответом на эти изменения в расстановке сил стал переход на хабовую архитектуру чипсета. В данном контексте хабы — это специализированные микросхемы, обеспечивающие передачу данных между своими внешними интерфейсами. В этой архитектуре компонент «северный моста» получил название Memory Controller Hub (MCH), а компонент «южный мост» — I/O Controller Hub (ICH). Соединение компонентов выполняется с помощью выделенного hub-интерфейса, пропускная способность которого в два раза выше, чем PCI. Хабовая архитектура с момента своего создания претерпела определенные модернизации. В 2004 году на смену графической шине AGP пришла унифицированная шина PCI-E. Постепенно в южный хаб начали добавлять всю периферию, которая раньше была на отдельных контроллерах.

Северный хаб выполняет те же функции, что и северный мост шинно-мостовой архитектуры: он связывает шины процессора, памяти и графического порта. Однако на южной стороне этого хаба находится высокопроизводительный интерфейс связи с южным хабом.

Северный хаб определяет основные возможности системной платы:

1. 
   Поддерживаемые процессоры, частоты системной шины, возможности мультипроцессорных или избыточных конфигураций. Типы процессоров определяются протоколами системной шины.
   
2. 
   Типы памяти и частота работы шины памяти.
   
3. 
   Максимальный объем памяти. На него влияет ряд факторов:
   
   1. 
      число слотов под модули памяти и поддерживаемые объемы модулей (допустимое число устанавливаемых модулей при работе на самой высокой частоте шины памяти может оказаться меньше, чем число слотов);
      
   2. 
      максимальное количество «рядов» микросхем памяти (может ограничивать возможное число устанавливаемых двусторонних модулей).
      
4. 
   Число каналов памяти – в настоявший момент все системные платы обладают двумя каналами. Но уже начинают выпускаться системные платы и с трехканальным режимом.
   
5. 
   Графический интерфейс PCI Express х16 с возможностью разбить его на два графических интерфейса с половинной скоростью. Если чипсет имеет интегрированную графику, то в северный хаб входит и графический контроллер со всеми своими интерфейсами (аналоговыми и цифровыми интерфейсами дисплея, шиной локальной памяти).
   

Использования PCI-E как единой коммуникационной базы внутри чипсета пока не наблюдается.

Южный хаб чипсета обеспечивает подключение шин PCI Express, АТА, SATA, USB, FireWire, интегрирован звук, возможность организации RAID-массива, MAC-контроллер Gigabit Ethernet, обвязка для низкоскоростной и устаревшей периферии.

Логически южный хаб представляется как набор виртуальных мостов и устройств, подключенных к главной шине PCI. Однако обмены данными с широкополосными устройствами (IDE, SATA, USB, FireWire, Ethernet, AC'97 или HDA) на внешнюю шину PCI все-таки не «выплескивают», иначе теряется смысл южного хаба.

Пример хабовой архитектуры на рисунке 2, на примере чипсета Intel P45 и P43 (Eaglelake).

Рис. 2

Переход от шинно-мостовой к хабовой архитектуре.

В шинно-мостовой архитектуре основной шиной была параллельная шина PCI. С точки зрения технологии общей шины, устанавливать более четырех процессоров — неэффективно. Непроизводительно много времени уходит на арбитраж. Соответственно, остается единственный путь повышения эффективности системы - увеличение пропускной способности шины и усложнение процессоров. Пропускную способность шины можно нарастить либо при помощи увеличения ее разрядности, либо - посредством повышения тактовой частоты. Но повышение частоты имеет свои технологические пределы, обусловленные физическими размерами проводников, свойствами кремния и влечет за собой усложнение механизмов синхронизации. А увеличение разрядности это путь к удорожанию и усложнение разводки проводников на печатной плате. С совершенствованием технологий эти «границы» отодвигались все дальше, но каждый раз реализовать процесс «отсрочки» было сложно и дорого. Требовался новый подход к проектированию шин, и не столько количественного, сколько качественного характера. Идеи, в рамках проектирования интерфейсов были не новы. Конечно, имеется ввиду отказ от параллельной архитектуры. В целом это переход можно охарактеризовать как «переход от параллельных шин к последовательным», что является общей тенденцией развития шин передачи данных. Поэтому наиболее продвинутые разработчики стали переходить от параллельных шин к последовательным.

Смена приоритетов преследовала одну цель - повышение суммарного быстродействия системы. Ведь не все существующие архитектурные решения способны эффективно масштабироваться. Несоответствие пропускной способности шин потребностям обслуживаемых ими устройств приводит к эффекту «бутылочного горлышка» и препятствует росту быстродействия даже при дальнейшем увеличении производительности вычислительных компонентов – процессора, оперативной памяти, видеосистемы и так далее.

Первыми на последовательную передачу перешли интерфейсы подключения мыши и клавиатуры — высоких скоростей там все равно не требовалось, а схемотехника заметно упростилась. Следующий шаг это сетевые решения - провести параллельную линию данных высокого качества на большое расстояние невозможно, и все технологии передачи данных на большое расстояние были последовательными с самого начала. Традиционные параллельные COM и LPT в 1996 потеснил USB, вначале «низкоскоростной» (6 МГц, 12 Мбит/с), а затем и достаточно быстрый Hi-Speed USB (480 Мбит/с, 1999 год). Следующим был заменен UltraATA/133. Ему на смену пришел Serial ATA, на сегодня он уже имеет третью версию. Практически синхронно на последовательную шину переходит один из древнейших интерфейсов - SCSI, наследником которого стал Serial Attached SCSI (SAS). В то же время процессоры начинают двигаться в направлении параллельных архитектур (SIMD-расширения, суперскалярность, конвейеризация, Hyper-Treading и многоядерность).

Существует небольшое заблуждение, что последовательная передача данных обеспечивает меньший объем передаваемых данных по сравнению с параллельной. Ведь при параллельной передаче несколько битов могут быть переданы одновременно. И из этого делают вывод о том, что параллельный интерфейс быстрее последовательного. Однако это не совсем верно. Последовательная передача данных вполне может быть быстрее параллельной. Для этого лишь нужно увеличить скорость работы передающего устройства, чтобы в единицу времени передавалось больше битов. Например, последовательный порт Serial ATA Revision 3.0 может теоретически достигнуть скорости передачи данных до 6 Гбит/с, а традиционный порт IDE имеет теоретический максимум в 133 Мб/сек.

С параллельными шинами передачи данных микропроцессорам проще работать. Они обеспечивают лучшую производительность при меньшей частоте, но, к сожалению, их тяжело масштабировать на высокие частоты — при этом очень сильно повышаются требования к физической разводке шины, заметно возрастает латентность (чтобы согласовать по времени «одновременные» сигналы во всех проводах шины), да и работать с ними неудобно, поскольку они занимают много места. Например, шлейфы IDE (UltraATA) и SerialATA. Поскольку себестоимость производства чипа сегодня все равно выходит примерно одинаковой, то порой дешевле делать более сложный кристалл контроллера шины, чем плодить золотые контакты и многочисленные проводники на печатной плате. Поэтому стремление разработчиков перейти на параллельные шины довольно естественно. А с другой стороны, последовательную шину гораздо проще заставить работать на повышенных тактовых частотах, поэтому удается не только скомпенсировать падение, но даже значительно поднять производительность. Более того, отличная масштабируемость последовательных шин, относительно легко достигается путем как повышения частоты работы, так и добавлением нескольких последовательных линий к шине.

При параллельной передаче данных, все биты передаются в одно и то же время, они не добираются до приемного устройства одновременно. Если в низкопрофильных устройствах небольшая разница во времени при приеме нескольких битов данных не так важна, то в высокоскоростных устройствах различие в доставке нескольких битов заставляет устройство простаивать, чтобы дождаться прибытия всех битов. И это может привести к существенному падению производительности.

Другое различие между параллельным и последовательным интерфейсом заключается в том, что параллельный работает как бы в одну сторону, в то время, как последовательный передает данные в двух направлениях. Это означает следующее: при параллельной передаче данных линии между передатчиком и приемником используется и для передачи и для приема данных. При этом, когда данные идут в одном направлении, их нельзя передать в обратном направлении. При последовательной передаче данных, можно разграничить провода на прием и передачу данных. Данная особенность позволяет одновременно обмениваться данными в обоих направлениях. Только одно такое архитектурное различие делает последовательную передачу данных быстрее, чем у параллельного интерфейса.

И вот в 2002 году на смену шине PCI приходит PCI Express. Программную модель унаследовали от PCI. Чтобы системы и контроллеры могли быть доработаны для использования новой шины путём замены только физического уровня, без доработки программного обеспечения. Но самое главное - сам же интерфейс стал последовательным, в отличии от PCI, нацеленный на использование в качестве локальной шины и имеющий много общего с сетевой организацией обмена данными, в частности, топологию типа «звезда». Для взаимодействия с остальными узлами, которые так или иначе обходятся собственными шинами, становиться узел, являющийся перекрёстком процессорной шины, шины памяти и PCI-Express (Root Complex Hub). Логика всей структуры такова, что любые межкомпонентные соединения непременно оказываются построенными по принципу «точка-точка», свитчи-коммутаторы выполняют однозначную маршрутизацию пакета от отправителя к получателю.

Разработчикам удалось собрать воедино преимущества последовательной архитектуры построения шин. И на ее основе строят хабавую архитектуру системной платы. В хабавой архитектуре соединение компонентов выполняется с помощью выделенного интерфейса. Этот интерфейс не зависит от PCI Express и не участвует в перераспределении или захвате полосы пропускания шины PCI Express при выполнении трафика. Это улучшает эффективность остальных устройств, подсоединенных к шине PCI Express, при выполнении групповых операций. Удешевляет и упрощает саму системную плату.

Кроме всего прочего, PCI Express предлагает:

• 
  стек протоколов, каждый уровень которого может быть усовершенствован, упрощён или заменён, не влияя на остальные. Например: может быть использован иной носитель сигнала – или может быть упразднена маршрутизация в случае выделенного канала только для одного устройства (как в случае PCI Express x16 для графики)
  
• 
  возможности «горячей» замены карт (заложены в спецификации, опционально реализуются в серверных системах)
  
• 
  возможности создания виртуальных каналов, гарантирования пропускной полосы и времени отклика, сбора статистики QoS (Quality of Service – качество обслуживания)
  
• 
  возможности контроля целостности передаваемых данных (CRC)
  
• 
  поддержка технологий энергосбережения (ACPI)
  

В ноябре 2010 года была утверждена 3.0 версии PCI Express. Интерфейс обладает скоростью передачи данных 8 GT/s(Гигатранзакций/с). Сохранилась совместимость с предыдущими версиями PCI Express. Реальные устройства на этой версии ожидается в 2012-м году.

Будущее в системных платах.

Прогресс не стоит на месте, когда-то чипсеты полностью оправдывали свое название — «chip set», т. е. набор чипов, - благо в этот самый набор входил десяток разнообразных микросхем, причем производимых разными компаниями. Однако интеграция делала свое дело. И с каждым годом все больше и больше периферийных устройств входит в состав чипсета. Но на этом разработчики решили не останавливаться. В последнее время начинают выходить двухчиповые платформы («процессор+чипсет»). Данная технология подразумевает перенос основных функций бывшего «северного» хаба непосредственно в процессор. А на «южном» хабе остаются только функции обслуживания периферии. Таким образом, на кристалл процессора, к контролеру шины памяти, которая не так давно тута переехала, добавляется еще и контролер шины PCI Express x16 для подключения графической карты, и встроенная графика.

Вывод.

Всё течёт, всё меняется. В сфере компьютерных технологий эта фраза никогда не потеряет актуальности. Но в тоже время все новое это хорошо забытое старое. Вот и в архитектуре шин вернулись с параллельных к последовательным шинам. Последовательные интерфейсы вернулись компьютерную индустрию и видимо всерьез и надолго. Фактически мы стали свидетелями незаметно произошедшей революции: от архитектуры, существовавшей на рынке около 30 лет, мы пришли к новой последовательной архитектуре. Переход к последовательной архитектуре - это следствие того, что увеличивать производительность обычными способами стало невозможно.

Создание видеоролика

В 3D редакторе 3DS max была создана материнская карта на основе реальной материнской карты модели P6T SE фирмы ASUS. Также создан процессор AMD Phenom II, и оперативная память. Большинство объектов было создано с помощью примитивов Box или Cylinder. Которые в свою очередь были модифицированы с помощью различных модификаторов. Позже, стек модификаторов из-за соображения экономии ресурсов, был свернут. Остальные объекты созданы как редактируемые объекты на основе Editable Mesh и Editable Poly. После того как компоненты были созданы, на них были применены модификаторы UVW map, и “натянуты” текстуры и материалы.

Далее было создано Global Illumination на основе Daylight, которая в свою очередь основывалась на источниках освещения Mental Ray Sun и Mental Ray Sky. В качестве визуализатора был выбран Mental Ray. В настройках визуализатора была включена группа опций создания Photons map, и изменена группа опций Final Gather. Также в сцену помещена Target Camer. В конце ей была создана анимация движения по пути сплайна.

Сцена рендерилась покадрово, каждый кадр сохранялся в отдельный файл расширения TGA, а в имени файла указывался номер кадра. После окончания рендеринга, последовательность кадров была импортирована в программу Sony Vegas и склеена.