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.

Новый 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 http://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.

Контроллеры гибких дисков, интерфейсных портов, клавиатуры, CMOS RTC могут входить собственно в чипсет, а могут быть реализованы и на отдельных «инородных» микросхемах. От них зависят следующие параметры системной платы:

• Типы поддерживаемых дисководов (2,88 Мбайт поддерживают теперь почти все контроллеры, так что очередь за распространением соответству­ющих дисководов и дискет).
• Режимы параллельного порта (стандартный, двунаправленный, ЕСР, ЕРР).
• Режимы последовательных портов (хорошим тоном считается совместимость с 16550А и поддержка FIFO и DMA).

В табл. 1 приводятся некоторые характеристики чипсетов фирмы Intel для процессоров с шиной Pentium. Хотя они в значительной степени и определяют свойства системных плат, выполненных на их основе, у разработчика плат всег­да остаются возможности упростить плату и «испортить вещь». Так что сис­темные платы, выполненные на одном и том же чипсете, могут иметь разные характеристики производительности и диапазона поддерживаемых устанавли­ваемых компонентов (процессоров, DRAM и кэша). И, конечно же, существен­ную роль в реализации всех полезных свойств чипсета играют BIOS и применяемые версии системных драйверов.

Таблица 1. Основные характеристики чипсетов для процессоров класса Pentium

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.

В таблицах 2 и 3 приведены характеристики чипсетов для процессоров класса Pentuim II/III И Pentium IV.

Таблица 2. Чипсеты для процессоров Pentium II/III

Таблица 3. Чипсеты для процессоров Pentuim IV