STRUKTURA POČÍTAČŮ A PROCESORŮ - motherboard Cíl kapitoly: Úkolem teto kapitoly je sezn{mit čten{ře se strukturou motherboardu v n{vaznosti na celou strukturu počítače a jeho činností. Předpokladem jsou z{kladní znalosti o počítači, sběrnicích a procesoru. Výsledkem by měla být znalost činnosti DMA a přerušení, spolupr{ce jednotlivých bloků počítače, testov{ní počítače a jeho konfigurace.
Z{kladní pojmy: DMA, BIOS, BSB, CMOS, FSB,Motherboard, IC, I/O adresy, PCI, PCIe, PnP, POST, přerušení, reset
1. Motherboard 1.1 Popis Mainboard neboli matherboard či z{kladní deska je deska tištěných spojů PCB, na které jsou umístěny obvody a konektory pro procesor nebo procesorovou desku. Procesor je jedním z určujících prvků vlastností celého systému. Na z{kladní desce je d{le sběrnice s konektorem pro další desky (karty), systémový řadič, řadič DMA, řadič přerušení, řadič paměti, čítač, řadič kl{vesnice, řadiče sériových linek, integrovan{ (jednodušší) grafika, cache, konektory pro OP., BIOS, CMOS a řada dalších obvodů. Velkou č{st desky zabírají sběrnice. Kromě CPU busu (FSB), to je sběrnice vyvedené přímo z procesoru jsou to systémov{ sběrnice PCI nebo PCI expess1 a řada dalších jako je cardbus, sekund{rní sběrnice pro cache (BSB) a pod.
Typický motherboard počítače obsahuje Nap{jecí konektor Konektor (socket nebo slot) pro jeden nebo více mikroprocesorů. Různé typy procesorů mají různé sokety, takže motherboard je předurčen pro určitý typ procesoru Sloty DIMM pro Operační paměť (main memory) Chipset – řadič sběrnice – umožňující spolupr{ci s konkrétními mikroprocesory (d{le µP nebo CPU) a určující hlavní vlastnosti a parametry motherboardu. Rychl{ č{st čipsetu se nazýv{ North bridge, pomal{ South Bridge Flash paměť nebo ROM pro BIOS Konfigurační paměť CMOS se svým zdrojem nap{jení Konektory systémové sběrnice pro přídavné desky Integrované řadiče pro různé periferie
gen.hodin
BSB
cache
časovač uP FSB OP
graf karta
PCIe
CMOS BIOS
North bridge
South bridge
USB eth klavesnice disky PCIe
DMA
INT
Předch{zející obr, zn{zorňuje hlavní bloky matherboardu a jejich napojení, FSB je front side bus BSB je back side bus, který (pokud existuje) je rychlejší a širší než FSB Na jižní most jsou napojeny další porty, periferie Severní most je určen pro rychl{ zařízení (paměti, 1Gb/s ethernet, atd.) Časovač – timer - pracuje nez{visle na činnosti procesoru a je určen pro vytv{ření zpoždění, hlíd{ní časových intervalů a pod. Je programov{n a po vypršení nastaveného času vyvol{ přerušení
CMOS – paměť ř{dově stovek bajtů je urřena pro konfiguraci periferií, zdroj re{lného času. North a South Bridge je čipset – řadič sběrnice
Z{kladové desky rozdělujeme na desky
Pro pracovní stanice – motherboard, které mají popsané vlastnosti Pro servery, které nemusí mít video, výstup na kl{vesnici, myš, a ostatní výstupy pro periférie. Musí mít Gigabitový ethernet, více rozšiřujících slotů jak pro paměti, tak i pro karty, 64bitovou PCI (66MHz A výše) nebo PCI-e. Pro embded systémy - databoard – který je určen pro preemptivní multitaskingové SISD , mají m{lo paměti (přid{vají se celé desky), výstupy na sensory, časovače a mají integrované na desce flash disky resp. Hard disky. Musí mít výstupy na LCD display, patice na DSP procesory, Altivec a SIMD microprocesor. Pro notebooku a laptopy, které mají nap{jení 10 až 15V přes vnější zdroj. Vzhledem k specifickému souboru a rozložení souč{stek jsou výd\ specifikov{ny pro přesný typ notebooku.
Nap{jení a form{ty motherboardu, BIOS Nap{jení motherboardu m{ kromě stabdardních +5V, ±12V také 3,3V. Typické zapojení konektoru je na n{sledujícím obr{zku (převzato z http://en.wikipedia.org/wiki/EATX) Color Orange
Signal
Pin Pin
+3.3 V 1
Orange +3.3 V Black Ground Red +5 V Black Ground Red +5 V Black Ground Grey Power good Purple +5 V standby Yellow +12 V Yellow +12 V Orange +3.3 V
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Signal +3.3 V +3.3 V sense −12 V Ground Power on Ground Ground Ground Reserved +5 V +5 V +5 V Ground
Color Orange Brown Blue Black Green Black Black Black N/C Red Red Red Black
Pins 8, 13, and 16 (shaded) are control signals, not power:
Na vlastní desce motherboardu lze najít další velikosti napětí, které jsou odvozeny od vnějšího nap{jemní. Obvykle je to 5 úrovní, ale jsou i desky, které mají 8 úrovní nap{jení. Tyto hodnoty obvykle jsou 2,5V (notebooky), 2,7V 2,8V (Intel) 2,9V a zatím nespecifikovanou úroveň D{le na desce může být přepínatelný regul{tor napětí pro porcesor.
Po vývoji různých form{tů se výrobci pro skl{dané počítače vrací k ATX form{tu. Form{t BTX, který vypadal velmi nadějně udržuje jen několik firem. Bios – basic input and output system – je nedílnou souč{sti každého počítače, neboť obsahuje převody funkcí na ovl{dací sign{ly pro jednotlivé periferie. M{ velikost cca 256kB, někdy i více. Nejčastěji je osazen pamětí flash (nebo ROM) a musí umožňovat upgrade počítače. D{le podporuje power management (ovl{daný OS) ať je to ACPI nebo OnNow. Souč{stí BIOSu je také systém PnP.
Inicializace počítače Zapnutí počítače Po zapnutí zdroje nabíhají napětí. Spr{vné hodnoty napětí zdrojů jsou signalizov{ny hardwareovým sign{lem Power Good. P ocelou dobu n{běhu a určitou dobu po existenci Power good je generov{n sign{l RESET. Ten je tedy ukončen v době, kdy zaručeně jsou všechny obvody počítače ust{lené. Reset lze též generovat tlačítkem reset(studené starty), nebo softwareově (pak jeho funkce je redukov{na - teplý start ) Reset Během procedury RESET se nastaví důležité sekvenční obvody do předem definvaného stavu a též CS a IP na hodnotu 0FFFFH:0000H. Po skončení signálu RESET začíná pracovat procesor a to FAR (dlouhým skokem) na adresu 0FFFFH:0000H, na které se nachází první instrukce POSTu. Zde začíná
POST (Power-On Self Test) jako n{sledující krok po startu počítače. Tento test ověřuje provozu schopnost celého systému. Nejdřív se kontroluje mikroprocesor, d{le ROM Biosu, n{sleduje kontrola prvních 64kB paměti (tu pak použív{ jako pracovní oblast), kontroluje funkci systémového řadiče, řadiče paměti a řadiče I/O obvodů. Pokračuje se kontrolou ostatních periferních obvodů na z{kladní desce a pak deskou grafického adaptéru. Po dubu těch to testů neprov{dí ž{dné hl{šení. Pokud se vyskytne chyba je uživatel o ní informov{n pípnutím. N{sleduje zobrazení hl{šení o verzi Biosu a autorských pr{vech. Pak testuje a zjišťuje velikost paměti, kterou pak zobrazí v hl{šení. Testují se jednotlivé periférie připojené k počítači v tomto pořadí: Kl{vesnice, sériové porty, paralelní porty, řadič FD a HD. Pokud je při těchto testech odhalena chyba zobrazí se odpovídajícím hl{šením. Postup při POSTu Test POST nejdříve otestuje kód, kterým určí co vyvolalo reset. Tento Byte je na adr. 0FH ve CMOS. Význam tohoto bytu je 0 start po Ctrl-Alt-Del (teplý start) 1 start při konfiguraci paměti 2 start po testu paměti 3 chyba paměti 4 před zavedením systému 5 při skoku 0:0476H 6,7,8 po n{vratu z chr{něného režimu 9 při přesunu paměti v chr{něném režimu 10 při skoku (FAR JUMP) na 0:0467H Z{roveň probíh{ test hodnoty na adr. 0:0472H. Po stisknutí Ctrl-Alt-Del je hodnota tohoto bytu 1234H, jinak je n{hodn{. Pro 1234H se provede teplý start, jinak studený. POST postupuje takto: První f{ze test všech registrů a instrukcí procesoru - vytvoří se kontrolní součet a porovn{ s kontrolním součtem adr 10h až 20h v CMOS uloženým na adr 2eh a 2fh ve CMOS. test systémového řadiče řadič paměti inicializace řadiče přerušení inicializace časovače
ROM BIOS test paměti 64kB Druh{ f{ze - ohl{sí na obrazovce versi BIOSu a testuje d{le video kartu podle BIOSu na kartě. Pak n{sleduje test Video-RAM test RAM pod 1MB test RAM nad 1MB test DMA test přechodu do chr{něného režimu a zpět test kl{vesnice test disketových jednotek test portů test koprocesoru n{sleduje 3. f{ze test schopnosti zavedení systému INT 19H - zavedení systému grafický adaptér Výsledek testu zapisuje na porty 060H a 080H, které také ohl{sí akusticky. (viz cmos.doc). Při testov{ní využív{ údaje z CMOS. Pokud byla stisknuta kl{vesa pro Setup je po ukončení POSTu SETUP spuštěn. Inicializace periferií spočív{ jednak nastavením tabulky přerušení, jednak z{pisem do datové oblasti BIOSu hodnot io adres, přerušení, atd. Po instalaci BIOSu se instaluje rozšířený BIOS. I/O adresy jsou v rozsahu do 3FFH, a určují adresy registrů jednotlivých periferií, kam se zasílají data, pokyny a odkud se zjišťuje stav periferie. Většina I/O adres je předem d{na, nebo se nastavuje jumpery či softwareově. Posledním krokem inicializace systému je spuštění rutiny přerušení 19H, kter{ je označov{na jako zavaděč systému. Tento zavaděč umožní přístup k nultému sektoru disku - boot sektoru – MBR, který zavede zav{děcí program systému na adresu 7C00H a před{ řízení na tuto adresu. MBR na disku m{ 446B zavaděče (pokud je systémový), 64B pro tabulku diskových oddílů a 2B označení systémového sektoru – AA55. MBR je nez{vislý na OS.
Přerušení – interrupt Přerušení je asynchronní ud{lost, kdy periferie si vyžaduje obsluhu, nebo alespoň pozornost. Každé zařízení m{ při inicializaci nastavené číslo přerušení, kterému
n{leží určitý vodič PCI sběrnice, nebo hodnota USB sign{lu nebo PCIe. Tento sign{l je vždy zasl{n do Interrupt controleru, tj. řadiče přerušení, který rozhoduje podle priority požadavků a s ohledem na probíhající proces zda tento požadavek pošle procesoru ke zpracov{ní. Procesor je současně informov{n, zda jde o maskovatelné nebo nemaskovatelné přerušení. Při maskovatelném přerušení může být toto přerušení zak{zané, pak procesor ho neprov{dí a tuto skutečnost ihned ozn{mi řadiči přerušení, Procesor před obsluhou přerušení musí dokončit rozpracovanou instrukci, uložit IP a CS do stacku spolu s obsahy jednotlivých registrů, neboť se předpokl{d{, že obsahy registrů se během vykon{v{ní přerušení změní. Po zjištění čísla přerušení (od čipsetu nebo řadiče přerušení) začne v tabulce vektrů přerušení (umístěné v OP) podle čísla přerušení vyhled{vat adresu první instrukce programu obsluhy přerušení. Tuto adresu uloží do IP a CS, aby bylo možné tuto instrukci nat{hnout do procesoru. Po vykon{ní obsluhy přerušení procesor obnoví ze stacku obsahy všech registrů a nakonec i IP a CS. Tím je obsluha přerušení ukončena a původní proces pokračuje d{l. PCIe již fyzické linky pro pčerušení nemí. Požadavky jsou zasíl{ny v r{mci paketů.
DMA DMA neboli direct memory access, čili přímý přístup blokových zařízení do paměti a je zajišťov{n hardwareovým řadičem - procesorem.Tím je přístup do paměti rychlejší. Komunikace řadiče s periferním zařízením označujeme jako kan{l. Před přenosem se musí procesorem v DMA nastavit číslo kan{lu, adresy, délku bloku dat a směr přenosu. Po nastavení je povolena činnost DMA, ale řadič je spuštěn až po interuptu od pomalejší periferie, ud{vající připravenost zařízení k přenosu. Pak DMA ozn{mí procesoru, že bude prov{dět přenos a ček{ na potvrzení od procesoru. Procesor ukončí přenosy na sběrnicích a odpojí se. Tím umožní DMA řízení přenosu. DMA vytv{ří adresy nikoli softwareově, ale hardwareově přímo čítačem. Stejně tak je i počít{ní přenesených bajtů prov{děno hardwareovým čítačem. Procesor v této době může prov{dět výpočty, ale jen do doby, kdy potřebuje sběrnici. Pak se dost{v{ do stavu WAIT – ček{ní. DMA po ukončení komunikace, které před{ řízení sběrnic zpět procesoru. Ten po zjištění, zda přenos skončil OK nebo s chybou pokračuje ve své pr{ci. FunkciDMA někdy přebírají specializované procesory pro I/O nazývané PIO. Kan{ly
0 až 3 jsou 8mi bitové 4 až 7 jsou 16ti bitové
Kan{l
Použití
0
DRAM refresh, pro obnovu dat po čtení nebo v pravidelných intervalech
1
NC doporučeno pro zvukový kan{l
2
floppy disk
3
nevyužito
4
druhý DMA řadič
5-7
pro obecné použití
Ultra DMA Rychlosti přenosu DMA se st{le zvyšují a dosahují 100MB/s. Ultra DMA navíc při přenosu použív{ kontrolní redundantní CRC - cyclical redundancy checking – pro každý přenášený blok. Plug and play - PnP BIOS před zjištěním obsazení procesoru a karet spustí režim, který je standardní a neuškodí ž{dnému procesoru. Po zjištění typu procesoru nastavuje připojení dalších desek. BIOS nejdříve zařazuje z tabulky ESCD statick{ zařízení, to je s pevnými adresami, IRQ a DMA, pak teprve začne vyhled{vat dynamick{ zařízení. Jejich parametry dočasně uloží opět do tabulky ESCD. BIOS nemusí být úspěšný v konfiguraci PnP (dynamických zařízeních), proto může pož{dat o pomoc uživatele dotazy, respektive zařízení nenakonfiguruje. Pak konfigurace je nutn{ provést pomocí Configuration Managera. Power management Power management m{ za úkol snižovat energetické (tepelné) ztr{ty jednotlivých obvodů. Power management musí podporovat jednotliv{ zařízení , ale také OS a BIOS
Snížení ztr{t lze docílit snižov{ním nap{jecího napětí, snižov{ním frekvence (při přepín{ní jsou v obvodech ztr{ty podstatně větší než v klidovém stavu), zjednodušov{ním hardware apod. Snižov{ní frekvence je prov{děno tak, aby procesor pokud možno pracoval v rozmezí 50 až 75% početního výkonu. Kontrolní ot{zky a úkoly:
Co je to cache a proč se použív{? Které procesory mohou přepínat mezi real modem a protected modem? Jaký je rozdíl mezi maskovatelným a nemaskovatelným přerušením? Může řadič přerušení rozhodovat o přerušení na z{kladě priority probíhajícího procesu? Co se programuje u časovače? Nastudujte z{kladní vlastnosti flash paměti. Proč lze Flash paměť použít jako ROM? Co je CMOS technologie? Proč se výrobci snaží snižovat nap{jecí napětí ? Proč při změně stavu logického obvodu vznikají tepelné ztr{ty? Popište postup při přerušení Popište činnost procesoru při přerušení Pošte úkoly řadiče přerušení Proč při přerušení se využív{ STACK a při DMA ne? Proč se DMA nespustí ihned po naprogramov{ní? Zvažte jaký vliv m{ dynamické snižov{ní frekvence na spolehlivost a životnost počítače?
Shrnutí: Studijní materi{l uvedený v této kapitole není vyčerp{vajícím materi{lem problematiky. Je nutné si uvědomit rychlý vývoj zařízení a tedy je oček{v{no jeho brzké dopnění a upřesnění. Literatura: Motherboard - Wikipedia, the free encyclopedia 20.10.2010 Výukové materi{ly pro výuku TVY na SŠITaSP, Brno
