Интерфейсы и шины материнской платы

Все каналы передачи данных, применяемые в ПК, можно условно разделить на две группы — внутренние (шины) и внешние (интерфейсы). Шины данных применяются для соединения компонентов системной платы и подключения плат расширения, а интерфейсы — для подключения внешних относительно системной платы или ПК в целом устройств: накопителей, устройств ввода-вывода, коммуникационного оборудования и др.

Говоря о интерфейсах и шинах необходимо сказать о последовательной и параллельной передаче данных. При параллельной биты информации передаются одновременно, по 8 бит за один раз. Такая связь, как правило, однонаправлена, т. е. данные передаются в одном направлении. При последовательной передаче связь осуществляется побитно. Отдельные биты пересылаются (или принимаются) последовательно друг за другом, при этом возможен обмен данными в двух направлениях. При параллельной передаче есть ограничения расстояния передачи: чем дальше устройства, тем больше вероятность ошибок; при последовательной передаче подобного ограничения нет.

Шина PCI, занимавшая ранее в архитектуре системной платы центральное место и обеспечивавшая не только передачу данных между платами расширения и контроллерами (в том числе графическим и дисковым), но и соединявшая их с контроллером памяти, в современных архитектурах отошла на второй план. Это произошло вследствие недостаточной производительности классической 32-разрядной 33 МГц шины PCI.

Заменой стало применение так называемой хабовой архитектуры, в которой набор микросхем системной логики состоит из двух основных частей — микросхемы контроллера памяти («северный мост»), обеспечивающей взаимодействие ОЗУ и ЦП, и универсального контроллера ввода-вывода («южный мост»), обеспечивающего работу дисковых интерфейсов, последовательных и параллельных портов, а также шины PCI. Для соединения между собой «северного» и «южного мостов», а также для подключения графического адаптера были разработаны высокоскоростные шины. Пропускная способность современных шин для соединения компонентов набора микросхем достигает 1 Гбайт/с.

Что же касается графического адаптера, то для его подключения была разработана спецификация AGP (Advanced Graphic Port), первую версию которой предложила компания Intel в середине 1990-х гг. прошлого века. В настоящее время актуальна третья версия стандарта, обеспечивающая пропускную способность 2,1 Гбайт/с.

Однако уже в обозримом будущем следует ожидать отказа от использования AGP, и, скорее всего, новых версий этой спецификации уже не будет: существующая с запасом удовлетворяет требованиям современных графических адаптеров, а в перспективе ее, как это ни удивительно, вновь заменит PCI. Заменят два новых стандарта, разработанных группой PСI-SIG — PCI-X и PCI Express.

Шина PCI-X, широко распространенная в серверных архитектурах, представляет собой 64-разрядную параллельную шину, обратно совместимую с PCI. Первая версия спецификации PCI-X предусматривает частоту до 133 МГц, пропускную способность — до 1,06 Гбайт/с. В настоящее время опубликована спецификация PCI-X 2.0, регламентирующая работу шины на частотах 266 и 533 МГц (2,1 и 4,2 Гбайт/с соответственно).

Заменить же интерфейс AGP и, возможно, некоторые межчиповые соединения призвана шина PCI Express. Пропускная способность PCI Express достигает 4 Гбайт/с в 16-канальной конфигурации.

Тенденция перехода на последовательные шины еще ярче просматривается в интерфейсах для внешних устройств и накопителей. Для подключения периферийного оборудования применяются интерфейсы USB 2.0 и FireWire (IEEE 1394) — пропускная способность 480 и 400 Мбит/с.

Очень перспективными представляются и последовательные дисковые интерфейсы. На смену привычному параллельному ATA133 уже идет последовательный Serial ATA, к преимуществам которого следует отнести не только более высокую скорость (150 Мбайт/с против 133 Мбайт/с у ATA133), но и более удачную механическую конструкцию.

Подсистема памяти

Одной из первостепенных задач, возлагаемых на набор микросхем системной логики, остается организация взаимодействия центрального процессора и ОЗУ. Подсистема памяти оказывает огромное влияние на производительность ПК в целом: чем меньше объем ОЗУ, тем чаще операционной системе придется считывать данные с жесткого диска, быстродействие которого гораздо ниже, чем у системной памяти. Однако не менее важна для производительности системы сбалансированность возможностей процессора и ОЗУ. Современные процессоры Pentium 4 имеют 64-разрядные 533-МГц или 800‑МГц шины, обеспечивающие пропускную способность 4,26 и 6,4 Гбайт/с, а последние модели Athlon XP с 333 и 400 МГц шинами — 2,7 и 3,2 Гбайт/с. Подсистема памяти должна иметь соответствующее быстродействие, так как при меньшей производительности ресурсы ЦП реализуются не полностью из-за простоев в ожидании данных.

Набор микросхем

Современная архитектура наборов микросхем для персональных компьютеров, называемая хабовой, сложилась в 1997 году, когда компания Intel выпустила на рынок набор i810 из двух микросхем (хабов) — контроллера памяти и контроллера ввода-вывода. За этими контроллерами закрепились названия «северный мост» и «южный мост» соответственно. Схему информационных потоков современной вычислительной системы можно представить в виде креста, состоящего из пяти основных элементов. Центральную роль в наборе микросхем играет «северный мост», организующий потоки данных между процессором

Рис. 3. Классический хабовый дизайн

и памятью и, как правило, содержащий AGP-контроллер или

встроенное графическое ядро. На «севере», «юге», «западе» и «востоке» от «северного моста» находятся соответственно ЦП, контроллер ввода-вывода («южный мост»), графический контроллер и ОЗУ.

По такой схеме строится большинство современных вычислительных систем начального и среднего уровня. Благодаря разделению набора на «северную» и «южную» составляющие изготовитель микросхем получает возможность при появлении новых интерфейсов не обновлять полностью модельный ряд, а подготовить лишь обновленную версию «южного моста» и укомплектовывать ею уже существующие наборы микросхем.

Форм-фактор

Выбор, стоящий перед пользователями в данный момент, сложен вдвойне — ведь если смена процессорного гнезда влечет за собой при модернизации замену не только ЦП, но и системной платы, то из-за смены форм-фактора системных плат в будущем, скорее всего, придется заменить ПК целиком. Новый стандарт — BTX (Balanced Technology eXtended) — приходит на смену широко распространенному в настоящее время формату ATX (Advanced Technology eXtended), представленному Intel несколькими годами ранее. Причинами разработки нового форм-фактора стали появление новых типов плат расширения (PCI Express) и рост тепловыделения компонентов ПК, причем основная причина — вторая. Системные платы нового стандарта уже представлены некоторыми изготовителями и появятся в продаже в начале 2005 года. Современные производители материнских плат: ABIT, Acorp, AOpen, ASUS, Gigabyte, ECS, MCI.