Motherboard, sběrnice a BIOS

Obsah této lekce

• Motherboard – blokové schéma
• Northbridge a Southbridge
• Sběrnice a rozhranní
• Komunikace procesoru a pamětí
• BIOS
• Autotest

Motherboard – blokové schéma PC

Hlavní komponenty PC

• Motherboard (mainboard)
• CPU
• RAM
• Grafická karta + monitor
• HDD
• DVD-RW
• Zvuková karta
• Síťová karta + WLAN
• HID – klávesnice, myš, touchpad

Kompletní systém PC	Moderní grafická karta s velkým chadičem

Struktura Motherboardu

• Patice CPU
• Patice RAM
• Sběrnice grafické karty AGP, PCI-Express
• Rozšiřující sběrnice PCI, PCI-Express
• I/O řadiče PATA, SATA, SCSI
• Porty USB, FireWire (COM, paralelní)
• Síťový adaptér, WLAN
• Zvuková „karta“
• Napájení CPU
• BIOS

Architektura chipsetů Intel

Motherboard

Northbridge a Southbridge

Northbridge

• Obvod (čip) zajišťující komunikaci mezi procesorem (CPU), pamětí (RAM), sběrnicí grafické karty (AGP), dalšími sběrnicemi (PCI,PCI-Express) a Southbridgem
• Jeho rychlost je klíčová pro rychlost celého počítače
• Výrobci: Intel, AMD, VIA, nVidia, SiS
• Někdy obsahuje i grafický čip
• Dnes je obvykle pod vlastním chladičem

Starší typ northbidge VIA 694	Novější northbridge vzhledem ke svému výkonu vyžadují chladiče	Pohled na chip northbridge pod chladičem

Southbridge

• řadiče diskových jednotek HDD – ATA, Serial-ATA
• Síťový adaptér ethernet, WiFi
• Řadič sériového, paralelního portu, USB, FireWire
• Zvuková karta
• Nyní i řadič PCI (dříve býval součástí Northbridge)

Z ekonomických důvodů bývá občas Northbridge i Southbridge sloučen na jednohom čipu - např. - Intel 3100

Southbridge Intel	Southbridge od Acer Labs

Architektura chipsetu

Architektura chipsetu

Intel P4 (VIA)

• Komunikace CPU-RAM přes Northbridge
• South-Northbridge sběrnice V-Link

Architektura chipsetu VIA pro Intel Pantium 4

AMD 64 (VIA)

Architektura chipsetu VIA pro AMD 64

Sběrnice

von Neumannova architektura počítače

Vypadá to že jsme narazili na hranici toho, čeho je možné dosáhnout s počítačovými technologiemi. Člověk by si ale měl dávat pozor na takováto tvrzení, protože do 5 let se obvykle ukáží jako pěkná pitomost." (John von Neumann, 1949)

von Neumannova architektura, někdy také označovaná jako von Neumannova koncepce či von Neumannovo schéma, je ucelenou soustavou názorů a představ o tom, jak by měl počítač fungovat, z jakých hlavních částí by se měl skládat, co a jak by tyto části měly dělat, jak by měly vzájemně spolupracovat atd.

vnitřní struktura počítače by se neměla měnit, a měla by být maximálně univerzální tak, aby vycházela vstříc potřebám co možná nejširšího okruhu aplikací. “Šité na míru“ by naopak měly být programy

Sběrnice

soustava vodičů, které přenáší data nebo signál stejného charakteru. Sběrnici musí řídit řadič (Chipset, master). Ostatní části mu jsou podřízené (slave). Řadič není centralizován, ale musí být připojen na všech částích i na jednotlivých připojeních zařízeních.

• datové, adresové, řídící
• systémové, rozšiřující
• synchronní, asynchronní
• sériové, paralelní, sérioparalelní
• jednosměrné, obousměrné

Architektura sběrnic

Tradiční	Optimalizovaná na výkon

Klasické sběrnice

ISA (Industry Standard Architecture) – od 1.1.2001 by se neměla montovat na nové základní desky.Jednoduchá synchronní sběrnice. Původně byla 8 bitová, později 16 bitová. Měla svojí frekvenci, které se musel procesor přizpůsobit. Přetaktování procesoru tudíž ztrácelo smysl. Při komunikaci mezi 8 a 16 bitovým zařízením vždy vnucovala 16 bitů. Nerozlišovala mezi 8 a 16 bitovým zařízením. Byla pomalá (6 později 8 Mhz).

MCA (Microchanel) – není kompatibilní s ISA. Vyráběla firma IBM způsobem Microsoftu. Tato sběrnice zanikla. IBM chtěla zásobovat všechny PC, což nebylo realizovatelné.

EISA - (Extended Industry Standard Architecture) – 32 bitová sběrnice s taktem 33 MB/s (přibližně 8 MHz). Konektor je stejný jako u ISA, ale je hlubší, aby v něm mohla být i druhá řada konektorů. Je dražší. Používá se pro Novell a Unix a je vhodný pro víceprocesorové systémy. Používá se pouze u serverů.

Local bus - je tvořena přímo výstupem z procesoru, umí se přizpůsobit procesoru frekvencí i šířkou přenášených dat. Signály z procesoru musí být elektronicky odděleny a posílány na vybuzení přípojných karet. Je-li sběrnici 33 MHzová, tak je nutno použít přenos do 33 MHz. Výstupní frekvence procesoru se musí dělit třemi. Frekvence musí být vždy podělena tak, aby vyhovovala frekvenci procesoru.

PCI (Standard Peripheral Component Interconnect) – je to inteligentní sběrnice. Slouží k propojení periferních zařízení, je 32 a 64 bitová s rychlostí přenosu 132 MB/s respektive 264 MB/s, což je 33 MHz. Netvoří přímo sběrnici procesoru, ale je spojujícím článkem mezi procesorovou sběrnicí a ostatními periferiemi. Používá se u Pentia, které ji dokáže využít. PCI pracuje s napětím 3,3 V. PCI má svůj BIOS, který se nastavuje v CMOS. Řadič se stal nejdůležitější částí sběrnice. Řadič přijmá data a ty pak maximální možnou frekvencí odvysílá. Mezi procesorem a řadičem je dvojnásobná rychlost než mezi řadičem a sběrnicí. Chipset má tří vývody (pro AGP, paměť, PCI).

PC Cards - Z roku 1996, určen pro PC Cards (PCMCIA). Se svými parametry se vyrovná PCI (132 MB/s, 32b), používá se jako rozšíření PCI u notebooků, pro karty, které jsou zásuvné (paměť, síťová karta, modem, atd.). PCMCIA se zasouvá do slotů u notebooků. Karty PC Card se nasouvají z boku notebooků. Pracuje na 16b nebo 32b, napojení přes bridge (bridge Card bus) na PCI. Řadiče jsou automaticky odpojovány, když port není v činnosti.

AGP (akcelerovaný grafický port) - Nesystémová sběrnice, pomocná, principem je tzv. procesor, který má více výstupů. Jádrem AGP je čtyřportový akcelerátor, který dovoluje přepínání datových toků (současný přenos) mezi procesorem, operační pamětí, grafickou kartou a PCI. Odděluje grafickou kartu od PCI a tím urychluje zpracování grafiky a odlehčuje PCI. Grafická karta pak pracuje přímo s operační pamětí a nemusí ukládat informace do své paměti.Režim 2x - zrychlení, 2x frekvence PCI. Režim 4x - umožňuje zpracování na hrany, 2x rychlejší než režim 2x. V operační paměti je vyhrazena dynamicky část paměti, která je sdílena procesorem a grafickou kartou a je nazývána AGP pamětí. Pro přístup do této paměti slouží řadič GART. Načítá především textury, které jsou uloženy v operační paměti. Prostor se počítá pomoci trojúhelníků. Režim 8x nejvyšší podporovaná rychlost. Jednotlivé verze 2x, 4x a 8x se od sebe odlišují velikostí napaájecího napětí a mají rozdílné zářezy aby se zabránilo poškození nekompatibilní karty špatným napájecím napětím.

Motheboard a konektory

Motherboard

SCSI (Small Computer Systems Interface)

• dovoluje připojit ke své sběrnici až 8 různých zařízení
• umožňuje připojení externích zařízení
• není pevně vázáno na počítač řady PC, ale je možné se s ním setkat i u jiných počítačů (např.: MacIntosh, Sun, Sillicon Graphics)
• propojení pomocí 50 vodičové sběrnice s jednoznačnou identifikaci v podobě ID čísla (v rozmezí 0-7)
• sběrnice musí být na posledních zařízeních ukončena tzv. terminátory (zakončovací odpory - ty jsou buď součástí zařízení, nebo lze použít externí terminátory)
• první verze (SCSI-1) byla data i příkazy přenášeny po 8 bitové datové sběrnici a rychlost přenosu byla asi 2-4 MB/s, délka celé sběrnice neměla přesáhnout 25 m
• rozšíření předchozího vzniká rozhraní SCSI-2, které je též komerčně nazýváno jako Fast SCSI. SCSI-2 je zdola kompatibilní s původním SCSI-1, má však vyšší přenosovou rychlost (až 10 MB/s) a přísnější nároky na kabeláž (celá délka sběrnice může být maximálně 3 m).
• UltraSCSI (Fast 20) s propustností 40MB/s, délka sběrnice max. 1,5m
• dnes Ultra320 s přenosovou rychlostí až 180MB/s
• SCSI => SAS (Serial Attached SCSI, od roku 2003) - elektricky vychází z SATA

Interní a externí uspořádání zařízení SCSI	Kabely a termnítor pro propojení SCSI

IDE (Integrated Device Electrocnics)

• navrženo v roce 1986 firmami Western Digital
• hlavní řídící jednotka disku byla umístěna přímo na pevný disk (tím se zkrátil kabel na minimum – a podstatně se sníží hladina šumu - je možné umístit na jednu stopu vyšší počet sektoru). Vlastní rozhraní už slouží pouze jako prostředník mezi diskem a sběrnicí.
• teoretická hranice přenosové rychlosti je 8 MB/s a prakticky se pohybuje asi v rozmezí od 700 kB/s do 1400 kB/s. Zapojení diskových jednotek IDE se provádí pomocí jednoho 40 žilového kabelu.
• dovoluje programově zjistit informace o geometrii připojených disků
• připojit lze maximálně dva pevné disky
• v případě zapojení dvou disků je nutné tyto disky nastavit pomocí propojek (jumperů) tak, aby jeden z nich byl jako master (hlavní) a druhý jako slave (podřízený)
• EIDE (Enhanced Integrated Device Eelectronics) vychází ze standardu IDE a odstraňuje jeho nedostatky
• dovoluje zapojení až 4 zařízení, možnost zapojení i jiných zařízení než jsou pevné disky (např. CD-ROM atd.), adresovací metodu LBA (Linear Block Address), která eliminuje omezení kapacity disku na 512 MB, poskytuje vyšší přenosovou rychlost a může komunikovat buď prostřednictvím režimu PIO (Processor Input Output – až 20MB/s - PIO5), nebo prostřednictvím DMA (Direct Memory Access) režimu (až 22MB/s – DMA Multiword 2)

Zadní panel zařízeni IDE/ATA	40 žilový IDE kabel

ATA (AT-attachment), S-ATA (serial ATA), P-ATA (parallel)

IDE je dnes označováno jako ATA nebo spíše P-ATA (paralelní ATA)

dnes se používá Ultra ATA/133, s propustností 133MB/s, k propojení se využíva 80-ti žilový kabel (kvůli omezení přeslechů je mezi jednotlivými datovými vodiči střídavě zemnící vodič)

SATA – na trhu od 2003 (S-ATA 1.0) s propustností 150MB/s – uzký kabel - pouze 4 vodiče, jiné konektory

SATA 2.0 propustnost 3Gb/s, NCQ - zřetězení operací do rychleji proveditelných bloků

Zadní panel pro připojení zařízení SATA	Konektory SATA	Kabel SATA

Paměti

• Permanentní – roky – HDD, CD, DVD
• Krátkodobé – zlomky sec. - RAM

Pevnný disk	Optické záznamové médium	Paměťový modul DIMM

Paměti krátkodobé - polovodičové

• Technologie DRAM, SRAM, Flash
• Rychlé přenosy – 10⁹ B/s
• Rychlý přístup k buňce 10^-9 s
• Retenční časy v ms, Flash roky

Paměťové obvody v provedení BGA	Paměťový modul pro notebook SO-DIM
Paměťová karta CF - Compact Flash	Paměťová karta MMS - Multi-Media Card

Paměti dlouhodobé – opt./mag.

• Obvykle složitá mechanická konstrukce, pohyblivé součásti -> opotřebení
• HDD – pevný disk
• Vysoká kapacita, nízká cena za byte
• Kapacity HDD až 500GB (10000Kč)
• Přenosové rychlosti 100MB/s (100x méně než RAM)
• Přístupové doby 10ms (10000x horší)
• CD, DVD, DVD-R, DVD-RW, Blue-Ray, HD-DVD

Pevný disk velikosti 3.5"	Optické záznamové médium DVD

Komunikace CPU-RAM

• Dříve probíhala komunikace přes samostatný řadič paměti
• Dnes je řadič paměti v Northbridge (Intel P4, AMD K8) nebo přímo v CPU (AMD 64)
• Taktování FSB cca 266MHz-1GHz
• Šířka sběrnice 64b => až 8GB/s
• Pro zrychlení cache SRAM
• Možnost dvoukanálového režimu
• DDR, přenos 2x v jednom taktu (náběžná-sestupná hrana)
• DDR2,DDR3 přenos 4x v jednom taktu, ale za cenu vyšších latencí
• Obecný trend - zrychlování práce paměti hlavně při práci se sekvenčními bloky
• FB-DIMM - fully buffered RAM, sériová komunikace s CPU, řadič umístěn na paměťovém modulu

CPU	Paměťový modul

BIOS

• Firmware – základní software od výrobce hardwaru
• 1-2MB Flash – možnost update, stažení z Internetu
• Inicializace hardwaru
• Základní služby hardwaru, dříve využíval DOS
• Abstrakce hardwaru
• Povolení/zakázání komponent motherboardu
• Dnes drivery vesměs pracují přímo s registry hardwaru
• ACPI – BIOS
• Zavádění systému - boot
• Výrobci AMI + Award

Obvod EEPROM obsahující BIOS	Záložní BIOS na základní desce Gigabyte

Setup

• Vstup stisknutím Del,F11 apod. po zapnutí počítače
• Modifikace rychlosti CPU a sběrnic
• Modifikace napájecích napětí CPU, RAM, sběrnic – možnost destrukce
• Výběr bootovacího zařízení (HDD,CD,síť)
• Povolení zakázání vestavěných periférií motherboardu (grafická/zvuková/síťová „karta“, diskové jednotky, USB)
• Obnovení výchozí konfigurace

Úvodní obrazovka po startu počítače, nabízí vstup do setupu přes klávesu F11

Setup – konfigurace BIOS

Nastavovací prostředí BIOSu - setup

Autotest - selftest

• Provádí BIOS po zapnutí PC
• Kontrola přítomnosti a funkce komponent PC
• Kontrola RAM – pomalé, lze přeskočit
• V Setupu možno nastavit zrychlený autotest
• Indikace poruch: výpis na obrazovku, pípání, LED na dražších motherboardech

Blok LED indikující selhání kritických komponent při startu počítače

Klíčová slova