HET MOEDERBORD Belangrijkste hwcompon in de PC. Processor is het brein, maar het moederbord en de componenten die erbij horen zoals de chipset, de BIOS, de cache e.d. zijn essentieel voor de werking van de procesor. Goed begrip van moederbord draagt dus bij tot begrijpen hoe computers werken. Moederbord speelt hoofdrol in volgende computersyst-functies : 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)
Organisatie hardware Controle Communicatie Processor ondersteuning Ondersteuning randapparatuur Performantie Aanpasbaarheid
1) Organisatie hardware Verbindingen via connectors van alles met moederbord. Layout moederbord bepaalt de ganse interne structuur van de PC. 2) Controle Heeft controle over de chipset en de BIOS programmatuur. Deze 2 bepalen zowat alle transport van data in de PC. 3) Communicatie Alle communicatie tussen PC en eventuele randapparatuur verloopt via het moederbord. 4) Processor ondersteuning Ook de processor bevindt zich op het moederbord (vast op gemonteerd – hoewel tegenwoordig ook op processorvoet – zie later). 5) Ondersteuning randapparatuur Mogelijkheden om randapp aan te sluiten wordt door moederb bepaald. Type videokaart dat PC aankan is bvb rechtstr afhank van type bus dat het moederbord gebruikt (mogelijkheden: ISA (8 & 16 bit), VLB, PCI, AGP, PCI-X, PCI-E(xpress), …). 6) Performantie Prestaties PC : - type processor meestal vast met moederbord verbonden - hoeveel intern geheugen mogelijk - breedte systeembussen - snelheid waarmee je kan interfacen met andere componenten - kwaliteit bevestigde chipset Æ moederbord kwalit. 7) Aanpasbaarheid - upgraden naar nieuwe technologieën bepaald door moederbord
De printplaat Form factor AT en baby AT (AT = Advanced Technology) - Afmetingen verschillend : i. AT : 30,5 cm x30,5 cm ii. Baby AT : 25,4 cm breed, iets langer dan AT - Grote AT-bord paste niet in mini-desktop en mini-towers Oude AT borden nog in 386 machines - Baby AT tot +- 1997 meest gebruikt - Agressieve campagne Intel voor ATX
(foto : 386 DX40 MB : AT moederbord)
Baby AT :
(foto = baby AT moederkaart)
-
-
kleiner formaat onboard keyboard connector seriële en parall poorten meestal met kabeltjes verbonden die van de fysische poort in de PC behuizing naar de overeenkomstige connectoren op de printplaat (ook AT) slots van de processor en intern geheugen : i. vooraan het moederbord ii. daarachter uitbreidingssloten zodat iii. de daarin geplugde kaarten BOVEN processor en geheugen komen iv. IN die tijd was dat geen probleem (geen marge nodig toen) : 1. processors en geheugenchips waren klein en vast gemonteerd – uitbreiding hoefde niet 2. tegenwoordig geheugen-uitbreiding(RAM) via : a. SIMM/DIMM 3. tegenwoordig ook koelplaten en extra geheugenchips nodig voor processoren om performantie op peil ! 4. PROBLEEM : a. ofwel uitbreidingssloten onbruikbaar (door koelplaten en extra geheug chips afgeschermd)
b. ofwel geen uitbreiding vandaar … ATX
Form factor ATX en mini ATX (ATX = Advanced Technology Extended)
(afbeelding = Abit kt7 ATX moederkaart)
-
-
1995 ATX van Intel (Pentium Pro + andere) voordelen : i. andere layout ii. behuizing en voeding ook gespecifieerd geïntegreerde IO poort connectoren geïntegreerde PS/2 muis aansluiting minder interferenties met de drives minder interfer met uitbreidingskaarten verbeterde voedingsconnector soft power ondersteuning betere luchtcirculatie meer uitbreidingsmogelijkheden
Form factor LPX en mini LPX (LPX = Low Profile Extension) Vooral : men wilde layout die zeer weinig ruimte of ze nog benutten Daarom : bij LPX vooral in hoogte werken Opvallend : zgn. Riser card gemonteerd Hierin kan men zwevend boven eigenlijke moederb een aantal uitbreidingskaarten (max 3) monteren. Deze bevinden zich dan parallel met moederb boveneen Dus wel : limiet tot 3 kaarten voor uitbreiding. Vaak ook : onboard video display adapter. Æ on board meestal slechtere kwaliteit (en als je externe wil, moet je (a) uitschakelen (b) uitbreidingsslot opofferen) De Pentium II had ook een beter airflow nodig om af te kunnen koelen, waarbij zo’n riser card veel airflow tegen houdt. Ook de komst van AGP vereiste dat die riser card een hogere pin count zou hebben. Weinig standaardisatie voor LPX en dus niet zo veel gebruikt. Gebruikt in de jaren ’90 tot ongeveer 1998. Ook weinig mogelijkheden voor do-it-yourself.
Form factor NLX (NLX = New Low Profile Extension) NLX alternatief voor LPX zoals ATX voor AT, met aantal verbeteringen – vooral beter kwa uitbreiding naar nieuwe technologieën. Passive backplane concept Is de metalen achterzijde PC waar poorten keyboard, muis inzitten. Ook in-en uitgang soundcard zit daar, evenals COM en LPT poorten. Momenteel fysiek moederbord binnenin PC, hoeft niet zo te zijn, bij : - Mainframes, servers , telefooncentrales … - Geen moederbord, wel een passive backplane – niet meer dan de achterkant computer met : i. heleboel connectoren ii. en zaken aankoppelbaar = zou zo alle componenten apart kunnen aankoppelen aan het backplane van de PC = lijkt erop dat Intel in die richting evolueert Pentium II heeft bvb processor en de cache op een aparte kaart staan (niet meer op moederbord) : - single edge card (SEC) packaging.
Form factor BTX Deze form factor is door Intel voorgesteld als de opvolger van de ATX standaard. Om tegemoet de komen aan de steeds hogere power usage in de modernere systemen. Staat in contrast met de nieuwere trend bij Intel waarbij de nadruk meer ligt op processors die minder energie verbruiken. Is een standaard die niet gevolgd is door de markt. Dell brengt sinds september 2006 officieel geen systemen meer uit die gebaseerd zijn op de BTX form factor.
Micro ATX Form factor afgeleid van ATX 24,4 cm x 24,4 cm Kleinere cases, met minder sloten : typisch 3 (theoretisch maximum 4), terwijl dit bij ATX normaal 5 tot 7 is. -> USB wordt belangrijker om zo’n systemen uit te breiden.
(foto : micro ATX moederkaart)
Flex ATX Form factor afgeleid van ATX 22,9 cm x 19,1 cm Specificatie released door Intel in 1999, samen met de specificatie voor de micro ATX form factor Is de kleinste ATX form factor. Mini ITX 17,0 cm x 17,0 cm Gericht naar de industriële markt Klein, low power consuming, weinig of geen noise Ook handig voor case modding wegens zijn afmetingen Embedded devices Vb. muziek in supermarkten en advertentie borden. Nano ITX 12 cm x 12 cm Very low power consuming Smart digital entertainment devices Î set-top boxes Î media centers Î auto pc’s Î lcd pc’s PC/104
9,017 cm x 9,589 cm Gebruik in ruwe omgevingen waar betrouwbare data opname vereist is, veelal zelfs in extreme omstandigheden. Geen backplane Kan gestapeld of gestacked worden.
(foto : PC/104)
Kan je het onderscheid tussen deze form factoren terugvinden ?
Beschrijf de moderne printplaat beknopt.
Onderdelen die bij het moederbord horen Gebruiksaanwijzing Alg.info : Modelnummer moederbord, naam producent en contactadres (ivm BIOS en upgr) Installatie instructies : hoe moederbord in PC moet, hoe jumpers en hoe bord config Configuratie info : processor en geheugen configruaties ondersteund door moederb. BIOS handleiding :
Nuttig om extern geheugen toe te voegen. BIOS settings op het bord, betekenis en hoe in te stellen.
Floppy Cable Grijze, opgevouwen kabel met 5 connectoren. Halverwege 7 draden plots gedraaid. Lijkt op IDE maar te herkennen aan : conncecoren draaiing kabels halverwege
Motherboard connector (controller moederb) Drive A, B connectors (floppy verbinden)
IDE/ATA interface kabel : 40pins platte kabel met 2 of 3 connectoren : harddisk/CDROM. Ieder toestel dat IDE/ATA kanaal nodig heeft, moet zo’n kabel. Indien master/slave config (2 Harddisks) worden beide via versch connectoren aan dezelfde kabel gehangen. IDE= b. 40 parallel lopende draden. c. Rode streep langs zijkant is waar pin 1 zich bevindt (voor nummering connectorpinnen) d. Mag niet te lang zijn anders EM interferentie risico tijdens gegevenstransport. i. IDE is nl niet afgeschermd ii. Data kan dus corrupt raken iii. Kan dus problemen geven met hard disk Dus : zo kort mogelijk houden.
Serial ATA kabel : Serial ATA is een nieuwere technology dan die IDE/ATA (nu ook Parallelle ATA interface genoemd), die hogere snelheden toelaat dan de oudere technologie. In tegenstelling tot de IDE kabels, waar tot 2 devices op dezelfde kabel kunnen hangen, kan er bij sATA slechts 1 device per kabel worden gehanteerd. Er zijn verschillende versies van sATA : SATA 1,5 -> maximum transfer rate : 150 MB/s (ook SATA I genoemd) SATA 3,0 -> maximum transfer rate : 300 MB/s (ook SATA II genoemd) De volgende versie waar op dit moment aan gewerkt wordt, is SATA 6,0 die een maximum transfer rate van 600 MB/s zou ondersteunen.
(foto : sATA stroom kabel)
(foto : sATA data kabel)
Geïntegreerde componenten Vb onboard video Onboard sound Onboard lan
DE PROCESSOR Processorvoet : ZIF zero insertion force, LIF low insertion force Performantie kloksnelheid + aantal bits in één keer (16,32, 64). Overklokken Hz, Mhz, Ghz Beschikbaarheid werkgegevens snel verwerken is één ding, data die klaar staat aan de inganggen van de processor is er een andere CPU Cache gegevens uit RAM halen, vraagt zekere tijd – is niet supersnel daarom cache-geheugen (snel tussengeheugen) L1, L2 cache. Hoe kleiner een cache, hoe sneller hij doorzocht kan worden of er een bepaalde waarde in zit of niet. Maar hoe groter de cache, hoe hoger de hit-rate (hoe meer kans dat er een specifieke waarde gevonden zal worden). Daarom wordt met verschillende caches gewerkt, waarbij telkens eerst de kleinste cache zal doorzocht worden voor in de grotere caches zal gekeken worden. Wordt de gezochte waarde of instructie niet in de caches gevonden, dan wordt het tragere systeemgeheugen aangesproken. Level 1 : cache effectief deel van CPU, met enorme impact op verwerking. Level 2 : chips met statische RAM ipv dynamische, veel sneller, maar ook duurder (kan niet uitgebreid worden) Level 3 : omdat het verschil tussen de L1 cache en het systeem geheugen te groot wordt om door de L2 cache opgevangen te worden, kan een L3 cache worden geïmplementeerd. Deze kan variëren van grote tussen 2 en 256 MB. Deze caches kunnen inclusief of exclusief zijn. Bij inclusief kunnen gegevens in de L1 cache ook in de L2 cache voorkomen. Bij exclusief zijn de gegevens die in de L1 cache zitten, gegarandeerd niet in de L2 te vinden. Wanneer gegevens die niet in de L1 zitten, in de L2 gevonden worden, worden deze gegevens bij een inclusieve cache naar de L1 cache gekopieerd. Bij een exclusieve cache worden gegevens uit de L1 cache verwisseld met die gegevens in de L2 cache. Dit kopiëren bij een inclusieve cache is sneller dan het vervangen bij een exclusieve cache. Daar staat dan weer tegenover dat bij een exclusieve cache meer gegevens in de verschillende caches kunnen opgeslagen worden. Von Neumann-cyclus Een processor zoals die normaal voorkomt in computers is een Von Neumannmachine die in principe eeuwig de drie stappen van Von Neumann uitvoert: Haal de volgende instructie op - decodeer de instructie - voer de instructie uit.
Instruction Fetch Een instructie wordt als een rij bits ingelezen uit het werkgeheugen van de computer. Instruction Decode De ingelezen instructie wordt gedecodeerd in de werkelijke processor-instructie en de eventuele parameters die aan de instructie meegegeven worden. Instruction Execution De gedecodeerde instructie wordt uitgevoerd.
Tijdens het uitvoeren van dit werk heeft de processor een plaats nodig om zijn invoer en eventuele tussenresultaten op te slaan. Iets dergelijks geldt voor het uitvoeren van instructies zoals het optellen of vermenigvuldigen van twee waarden: invoer, uitvoer en tussenresultaten moeten allemaal ergens opgeslagen worden totdat de processor het resultaat wegzet en met de volgende instructie kan beginnen. Omdat gegevens niet snel genoeg van en naar het RAM geheugen kunnen worden gebracht, worden deze gegevens opgeslagen in een speciaal soort geheugen, dat op de processor zit : de registers. Registers Intern beschikt een processor ook over geheugen, nl. registers. CPU heeft aantal registers ter beschikking (afh van type processor). Er zijn verschillende soorten registers te onderscheiden: • • • • • • •
Dataregisters slaan gehele getallen op. In sommige oudere architecturen en eenvoudige moderne processoren is er een speciaal dataregister, de accumulator, die impliciet wordt gebruikt voor veel bewerkingen. Adresregisters bevatten geheugenadressen en worden gebruikt om computergeheugen te benaderen. In sommige processeren is er een speciaal adres register, het index register. General purpose-registers (GPRs) Deze registers kunnen zowel getallen als adressen bevatten. Floating point-registers (FPRs) worden gebruikt om floating point getallen op te slaan. Constante-registers bevatten waarden die constant zijn (nul, een, pi, ...). Vectorregisters bevatten gegevens voor vector processoren uitgevoerd met SIMD (Simple Instruction, Multiple Data) instructies. Special purpose-registers bevatten de status van een programma. Over het algemeen worden hier de instructie pointer, de stack pointer en het status register bijgehouden. o Instructieregisters bevatten de instructies die op dat moment worden uitgevoerd.
Indexregisters worden gebruikt voor het aanpassen van operand adressen tijdens de uitvoering van een programma. Registers die worden gebruikt voor het lezen van gegevens uit het hoofdgeheugen, een verzameling van opslagregisters die op andere chips dan de processor aanwezig zijn: o Geheugen buffer register o Geheugen data register o Geheugen adres register o
•
EAX, EBX, ECX, EDX = 32 bit registers vrij te gebruiken door programmeur. Andere registers : ESP – de stackpointer. Stack gereserveerde plaats in geheugen om tijdelijke informatie bij te houden, wanneer processor bvb onderbroken wordt door Interrupt. PUSH, POP Stackpointer wijst steeds naar het bovenste element van de stack en is dus een maat voor hoeveel gegevens er reeds op de stack geduwd w. Opgelet : Stack overflow & Stack underflow Wie kan het verschil tussen overflow & underflow aanduiden? Î overflow : een nieuw element wordt geschreven, als de stack al vol is. Dit element overschrijft geheugen, dat ofwel niet tot de stack behoort, ofwel aan het andere eind van de stack. Î Underflow : een element wordt gelezen, als de stack al leeg is. Dit levert een ongeldige waarde op. ESI, DSI
= indexregisters = adres bestaat nl steeds uit een segment en index segment = adresblok waarin bepaald gegeven index = exacte plaats van het gegeven binnen blok SS, DS, CS, ES, FS, GS = segmentregisters waarin adresgementen in bewaard kunnen worden. In combinatie met een index bepaalt een segment eenduidig een welbepaalde byte in het geheugen. EIP
= de instructie pointer. Register dat steeds het adres bevat waar de processor de volgende uit te voeren instructie kan vinden.
EFLAGS
= hierin zitten 32 bits met elk andere betekenis : zero-flag (restulaat bewerking 0 ? : vgl 2 getallen = aftrekken van elkaar, als resultaat 0 dan gelijk) carry flag (bij optellingen om overdracht te doen)
Wanneer illegale bewerking in programma, krijg je soms via een dialoogvenster de inhoud van de registers voorgeschoteld. Door al deze verschillende soorten registers, is het voor programmeurs van compilers moeilijk om die compilers zo performant mogelijk te maken. Compilers vertalen programma’s in machine-instructies en bouwen daarbij ook een verdeling op van opslag van data over registers en geheugen. Het is voor de programmeur een grote uitdaging om programma's zo te vertalen dat de opgebouwde verdeling optimaal is en zo de beste prestaties uit het gehele systeem haalt.
De chipset Naast de microproc + systeembussen zijn er een aantal ondersteunende chips nodig om de processor te laten werken. Deze horen bij elkaar = chipset of Integrated Peripheral controllers. = verbinding tussen processor en buitenwereld, zenuwcentrum vd computer. O.a. : hoe snel de gegevens van de harde schijven en van het RAM bij de processor geraken. 3 belangrijke functies : 1) als system controller a. timing processor b. onderbreken (interrupt) progr voor prior taken c. gegtransport naar intern geh (DMA= dir mem access) d. energiebeheer 2) als peripheral controller (verbindingen naar randapp) a. businterface : voor uitbreidingskaarten b. floppy disk interface c. hard disk interface d. toetsenbordcontroller e. I/O poort controller voor o.a. : seriële/parall poorten 3) als memory controller a. besturing level 2 cache b. RAM + uitbreidingen controleren Vind je deze 3 functies terug in de CDROM / Internet ?
Chipset is een vaak gebruikte term om de geïntegreerde schakelingen aan te duiden die in samenwerking met de processor worden gebruikt op een bepaald moederbord. Meestal worden die speciaal voor gebruik met een bepaalde processor ontworpen. De chipset bepaalt onder andere de maximumsnelheid waarmee het interne geheugen en de Front Side Bus kunnen werken. De chipset draagt zorg voor de communicatie tussen de processor en de rest van de computer (randapparatuur, geheugen).
Meestal bestaat de chipset uit 2 aparte chips: de Northbridge en de Southbridge. De eerste regelt het snelle verkeer tussen de processor en het geheugen en de grafische kaart (via de AGP). De tweede zorgt voor communicatie met de relatief tragere componenten van de PC: de harde schijven, diskettestations, toetsenbord, USB en de andere PCI-sloten naast de AGP. De termen Northbridge & Southbridge komen trouwens van de manier waarop deze in schema meestal getekend worden (zie schema).
