Semestrální práce – Úvod do architektury počítačů
Základní deska (Motherboard)
Zadávající: Ing. Jan Polášek Vypracoval: Petr Bárta
Obsah Úvod..........................................................................................................................................................3 Co je základní deska...............................................................................................................................4 Jaké prvky obsahuje...............................................................................................................................5 Velikost základní desky...........................................................................................................................6 Výrobci základních desek.......................................................................................................................6 Jednotlivé prvky na základní desce.......................................................................................................7 Socket (Patice procesoru).....................................................................................................................7 Chipset..................................................................................................................................................9 Slot pro operační paměť.....................................................................................................................10 FSB (=Front Side Bus).......................................................................................................................11 Paměť ROM a systém BIOS..............................................................................................................12 Rozšiřující sloty a porty......................................................................................................................12 Rozdíly v základních deskách pro PC a pro servery.........................................................................15 Srovnání portu PCI pro servery a pro PC...........................................................................................15 Závěr.......................................................................................................................................................16 Použité zdroje........................................................................................................................................17
Úvod Ve své práci se budu zabývat hardwarovou součástí počítače – základní deskou. Zaměřím se zejména na desky používané v PC. Budu se věnovat jednotlivým částem, ze kterých se skládá a jaká je jejich funkce. V závěru práce nastíním několik rozdílů mezi základními deskami pro PC a pro servery. Přeji příjemné čtení.
Co je základní deska Základní deska (anglicky Motherboard) je základní počítačový hardware. Její funkcí je propojit všechny komponenty počítače a zajistit jejich napájení. Dnes základní deska obsahuje spoustu součástek integrovaných přímo v sobě, které se k ní dříve připojovaly zvlášť. Může v sobě mít rovněž integrované některé části počítače. Obvykle se jedná o síťové karty, zvukovou kartu, Input/Output čip, řadiče pevných disků a někdy i grafickou kartu. Integrované grafické karty jsou však vhodné maximálně pro kancelářské PC.
Obr.č. 1: Základní deska typu ATX
Obr.č. 2: Základní deska typu microATX
Jaké prvky obsahuje 1. patice pro procesor 2. chipset 3. slot pro operační paměť 4. FSB sběrnice 5. paměť ROM a BIOS 6. rozšiřující konektory a) interní – součástky se k nim připojují uvnitř počítače • eSATA • IDE • konektory pro zapojení ventilátorů • napájecí konektory • konektory pro zvukovou kartu b) externí – na zadní straně desky, součástky se připojují vně počítače • rozšiřující USB konektory • vývody zvukové karty • PS/2 • HDMI • LPT • LAN 7. integrované prvky
Velikost základní desky Velikosti základních desek se liší. A to z důvodu různého použití (PC, notebook, server, atd.). Prvním typem základní desky byl PC/XT, který vynalezla firma IBM. Dnes nejpoužívanějším formátem desky je ATX, který vynalezla firma Intel roku 1995a její o 25% kratší verze microATX. Typů desek existuje několik. Dnes mají význam například desky ETX, které se používají ve vestavěných počítačích (ABS, ECU v motoru, bankomaty, apod.). S formátem desky souvisí počet komponent na ní.
Obr.č. 3: Porovnání velikostí základních desek společně s formáty papírů (A5, A4, A3)
Výrobci základních desek • Asus • Intel • MSI • Biostar • DFI • Gigabyte • EVGA
Jednotlivé prvky na základní desce Socket (Patice procesoru) CPU (Central Processing Unit) je srdcem celého počítače. Na základě instrukcí z operační paměti vykonává program. Dříve se procesory pájely přímo k základové desce, avšak s postupným vývojem vznikla potřeba procesory měnit například z důvodu poškození. To umožňuje právě patice. Procesor je v ní usazen a je možno jej vyjmout a vyměnit. Je však důležité dávat si pozor, jaký procesor potřebuje jakou patici. Při nesprávné kombinaci může dojít k vypálení celé základové desky.
Obr.č. 4: Socket 939 pro procesory AMD
Patice se na první pohled velikostně moc neliší, hlavní rozdíl je v počtu pinů (jakýchsi zdířek, do kterých procesor zapadá svými vývody). Ten se od vzniku patice zvyšuje. Na počátku se počet pinů pohyboval na čísle 169, u Pentia 4 jich bylo něco málo přes 400 (Wilamette 423, Northwood 478). S větším počtem vývodů se samozřejmě zvyšuje rychlost procesoru. Hlavními výrobci procesorů jsou Intel a AMD. Přehled socketů pro AMD a Intel.
Chipset Obecně je chipset jeden nebo více integrovaných obvodů navržených ke vzájemné spolupráci a jsou obvykle prodávány jako jediný produkt. V případě základní desky jsou za chipset považovány dva čipy – northbridge a southbridge. Jejich základní funkcí je komunikace mezi procesorem a ostatními částmi základové desky. (operační pamětí, grafickou kartou, síťovými kartami, USB porty atd.)
Obr.č. 5: Schéma typického chipsetu značky Intel
Northbridge Jinak také severní můstek. Zajišťuje komunikaci mezi procesorem a operační pamětí, AGP portem nebo PCI Express sběrnicí a spojení se southbridge. Může zde být také integrovaná grafická karta. Jeden northbridge pracuje pouze s jedním nebo se dvěma typy procesorů a obvykle pouze s jedním typem paměti RAM. Toto omezení způsobují rozdílné nároky jednotlivých procesorů na časování. Northbridge tedy určuje jaký procesor a jakou operační paměť zvolit. Hraje také významnou roli při přetaktování počítače. Jeden northbridge může být připojen k jednomu nebo i dvěma jižním můstkům. Z toho následně vyplývají další možnosti a technologie základní desky. Z důvodu vysoké integrace vyžaduje severní můstek obvykle vlastní chlazení.
Obr.č. 6: Northbridge
Southbridge Jinak také jižní můstek. Znám také jako vstupně výstupní řadič. K procesoru připojen severním můstkem. Má na starosti obsluhu pomalejších zařízení (USB porty, PCI sběrnice, správa napájení atd.)
Výrobci chipsetů: • NVIDIA • AMD • VIA Technologies • Intel • SiS
Slot pro operační paměť Odborně se nazývá BANK. Existuje několik druhů BANKů, protože dnes jsou různé typy RAM (např. SDRAM, DDR, DDR, DDR3, apod.). Čím větší je datová prostupnost slotu, tím lépe. Operační paměť také značně ovlivňuje rychlost celého počítače. Pokud bychom měli velmi výkonný procesor a přitom malou kapacitu operační paměti, značně to počítač zpomalí. Musíme si také dávat pozor na to, jaké maximální množství RAM základní deska podporuje. Při překročení této hranice se může buď stát, že deska uzná pouze maximální povolenou kapacitu nebo nebude s RAM vůbec komunikovat.
FSB (=Front Side Bus) Sběrnice, která zajišťuje obousměrný tok dat mezi procesorem a ostatními komponenty počítače (např. pevnými disky, operační pamětí, apod.). Její datová šířka se udává v MHz. Řádově se pohybuje ve stovkách MHz (100 – 200 cca).
Obr.č. 7: FSB sběrnice
HyperTransport Jedná se o technologii, kterou zavedla roku 1997 společnost AMD. Na jejím rozšíření a vývoji dnes pracuje spousta dalších firem jako ATI, VIA Technologies atd. Společnost Intel používá technologii QPI, která se HyperTransportu velmi podobá. Princip je podobný jako u Ethernetové sítěv komunikaci pomocí packetů. Nejnovější verze z roku 2009 nese jméno HNC 1.0 (High Note Count). Poslední verzí HT je 3.0, která má při 3,2 Ghz časování procesoru přenosovou rychlost 51,2GB/s.
Obr.č. 8: Vývoj technologie HyperTransport
Paměť ROM a systém BIOS Paměť ROM slouží k oživení počítače při jeho zapnutí. Je energeticky nezávislá a obsahuje v sobě systém BIOS (Basic Input Output systém). BIOS je vlastně první operační systém. Obsahuje veškeré info o PC. BIOS je schopen provádět základní vstupně/výstupní operace jako je čtení znaku z klávesnice, výstup na obrazovku nebo tiskárnu.
Obr.č. 9: BIOS
Možnosti BIOSu Možnosti BIOSu se však dají rozšířit. V roce 2009 přišla společnost MSI s tzv. barevným BIOSem. Ten by měl obsahovat i DVD přehrávač, internetový prohlížeč nebo hry. Tento BIOS nabízí například i automatické aktualizace a větší možnosti co se týče výběru jazyka. Společnost ASUS má obdobu BIOSu od MSI, jedná se o Express Gate. Nabízí i Skype a další internetové programy. DualBIOS Slouží k vyšší ochraně počítače. Obsahuje totiž ještě jeden totožný BIOS sloužící pouze k zálohování původního BIOSu.
Rozšiřující sloty a porty IDE Rozhraní IDE (Integrated Device Electronics) slouží k připojení pevných disků nebo optických mechanik (CD, DVD, atd.). Bylo vynalezeno roku 1986 firmami Western Digital a Compaq. Je následovníkem rozhraní ST506. Změna oproti předchůdci je, že řídící elektronika je umístěna (Device Elelctronics) je umístěna přímo na pevném disku. Samotné rozhraní tedy slouží pouze jako prostředník mezi diskem a sběrnicí. Spojení mezi diskem a sběrnicí zajištuje 40 žilový kabel. Teoretická přenosová rychlost je 8MB/s, ale reálná rychlost se pohybuje od 700kB/s do 1400kB/s. Disky jsou připojeny pomocí řadiče ATA. Dnes je toto rozhraní vytlačováno SATA rozhraním.
Obr.č. 10: IDE/ATA rozhraní
SATA a eSATA Serial ATA rozhraní nabízí oproti ATA vyšší přenosovou rychlost. Dále není nutno rozlišovat disky na Master a Slave. Pracuje na vysokých frekvencích v řádech GHz. SATA první generace nabízelo datovou prostupnost 1,5GB/s, druhé generace 3GB/s a třetí generace nabízí 6GB/s. eSATA je External SATA – externí SATA rozhraní. Nabízí stejné možnosti jako SATA. Má vyšší přenosovou rychlost než používanější USB rozhraní. Disponuje robustnějším konektorem než SATA přizpůsobenému častému odpojování. Bohužel není tolik podporováno jako USB.
Obr.č. 11: SATA konektory na základní desce
Obr.č. 12: Vlevo konektor SATA 2. generace, vpravo konektor eSATA
PCI Peripheral Component Interconnect je rozhraní k zapojení periferních zařízení. Není omezeno pouze na PC. Používá paralelní přenos o šířce 32bit nebo 64bit. Slouží především k připojení rozšiřujících karet, které se vsunou do socketu (například síťových). Dříve se do PCI zapojovaly i grafické karty, ale toto rozhraní bylo pomalé. Proto poté vznikl pro grafické karty AGP port. Dnes PCI i AGP nahrazuje port PCI Express, který je několikanásobně rychlejší. PCI Express používá sériový přenos.
Obr.č. 13: PCI rozhraní
PS/2 Konektor PS/2 slouží k zapojení myši a klávesnice. Je šestikolíkový a konektory se od sebe rozlišují barvami, aby nedošlo k záměně. Myš má zelenou barvu a klávesnice má modrofialovou barvu. Dnes jejich úlohu přebírají zčásti USB porty, ale ty mohou způsobit problémy. Jednak zatěžují více procesor, jelikož k výpočtům využívají něj, zatímco PS/2 port procesor nezatěžuje, protože na výpočty používá svou vlastní sběrnici. A také mohou nastat problémy, protože procesor u starších PC nemusí podporovat USB myš nebo klávesnici. USB Universal Serial Bus je dnes nedílnou součástí PC. Jedná se o univerzální sběrnici pro připojení nejrůznějších periferií jako fotoaparáty, flashdisky, MP3 přehrávače apod. Obsahuje také samostatné 5V napájení. Dnes je používána druhá generace (USB2.0) s datovou průchodností 480Mbit/s.
Rozdíly v základních deskách pro PC a pro servery Servery vyžadují vysoký výkon a od toho se odvíjí i možnosti základní desky. Umožňují připojení dvou procesorů. Maximální kapacita operační paměti v PC se pohybuje v řádech GB, u serverových desek to jsou desítky GB. Oproti PC základním deskám servery mají integrovanou grafickou kartu velmi často. Co se neliší je velikost. Používá se ATX.
Obr.č. 14: Serverová základní deska značky ASUS
Srovnání portu PCI pro servery a pro PC PC • šířka datového toku 32bit • časování na frekvenci 33MHz se synchronním přenosem • maximální teoretická přenosová rychlost 133MB/s Servery • šířka datového toku 64bit • frekvence 66MHz nebo 133Mhz • maximální přenosová rychlost 256MB/s nebo 532MB/s
Závěr Základní deska tedy spojuje všechny komponenty počítače dohromady. Důležité je, že rozhoduje o typu procesoru, operační paměti a mnoha dalších věcech ovlivňujících rychlost počítače. Na základové desce se tedy v žádném případě nevyplatí šetřit. Pokud budeme chtít počítač osadit výkonným procesorem a velkou operační pamětí a koupíme si základovou desku, která podporuje pouze pomalé procesory nebo malou kapacitu RAM, je naše snaha zbytečná. Dalším důležitým faktorem je rychlost sběrnice FSB. Výkonné procesory jsou bez velké datové propustnosti FSB zbytečné. Také se nevyplatí kupovat si základní desku s integrovanou grafickou kartou, chceme-li na počítači hrát nejnovější hry. Jasno bychom si měli udělat také v tom, jaké komponenty budeme připojovat k desce. Jestli máme SATA optickou mechaniku nebo pevný disk apod. Základní deska tedy rozhoduje o celkovém osazení PC. Vybírejte tedy pečlivě!
Použité zdroje • Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Čipová sada [online]. c2009 [citováno 26. 01. 2010]. Dostupný z WWW:
• Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Northbridge [online]. c2010 [citováno 26. 01. 2010]. Dostupný z WWW: • Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Southbridge [online]. c2009 [citováno 26. 01. 2010]. Dostupný z WWW: • Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Základní deska [online]. c2009 [citováno 26. 01. 2010]. Dostupný z WWW: • Wikipedie: Otevřená encyklopedie: BIOS [online]. c2010 [citováno 26. 01. 2010]. Dostupný z WWW: • Wikipedie: Otevřená encyklopedie: PCI (sběrnice) [online]. c2010 [citováno 26. 01. 2010]. Dostupný z WWW: • Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Konektor PS/2 [online]. c2009 [citováno 26. 01. 2010]. Dostupný z WWW: • Patice procesoru [online]. 2007 [cit. 2010-01-26]. Dostupný z WWW: • Vše o HW [online]. c2006 [cit. 2010-01-26]. Dostupný z WWW: • Rozhraní pevných disků [online]. 1999 [cit. 2010-01-26]. Dostupný z WWW: . • Techbit.cz [online]. c2008 [cit. 2010-01-26]. Dostupný z WWW: . • Techbit.cz [online]. c2008 [cit. 2010-01-26]. Dostupný z WWW: . • Techbit.cz [online]. c2008 [cit. 2010-01-26]. Dostupný z WWW:
