Материнская плата — нервная система компьютера

Для чего нужна материнская плата?

Что ж, начнем с самого понятного, о котором, в общем, уже все знают.

Назначение материнской платы — предоставить как можно больше возможностей для соединения между собой различных компонентов компьютера.

То есть разные производители согласовывают стандарты обмена данными и питания, реализации физической связи, а производители материнских плат размещают эти разъемы и обеспечивают питание плат. В результате одни компании производят компьютерные устройства, а другие позволяют им подключаться и работать. Фактическое подключение и работу должны обеспечивать материнские платы.

Нервная система человека, и чем она похоже на компьютеры?

Теперь предлагаю рассмотреть нервную систему человека. Однако предупреждаю, что я не врач и в целом рассказ будет таким, что было бы проще проводить параллели.

Центральная нервная система включает в себя все, что находится внутри черепа, а также спинной мозг, периферические органы и все остальное.

То есть нервные окончания, отвечающие за сенсорное восприятие и активацию мышц, а также за передачу сигналов к спинному мозгу и от него. На самом деле, совпадения с компьютерами по названиям уже есть, потому что вместо периферийной нервной системы у нас будут так называемые периферийные устройства, то есть клавиатуры, мыши, принтеры и другие вещи для компьютеров.

И есть некоторые функциональные особенности разных зон.

Функциональное деление нервной системы человека

Начнем с того, что внутри черепа. Ну, во-первых, мы думаем, что это большая часть коры головного мозга.

здесь сложно проводить параллели с компьютерами, так как в компьютерах вычисления и хранение данных выполняются отдельно, а в голове привязка данных формирует как память, так и сам мыслительный процесс, то есть это не нейроны, которые ответственны за это этого, но набор каскадов их взаимных связей, и все вычисления происходят в памяти. В настоящее время существуют экспериментальные вычислительные архитектуры, в которых вычисления выполняются в памяти. Такие вещи иногда называют PIM (процессор в памяти), а иногда — C-RAM (вычислительная RAM).

Это потенциально очень интересная технология, она позволяет уйти от сложной шины данных, больших задержек доступа к памяти, длинных конвейеров обработки данных, но пока это в основном научные эксперименты. Но в мозгу это уже работает в коре. Помимо коры головного мозга он также содержит системы функциональной поддержки.

Например, гипоталамус, который отвечает за функции поддержания всего организма, отвечает за ряд чувств и регулирует работу тех органов, которые отвечают за поддержание гомеостаза.

И все это великолепие должно управлять внешними устройствами, такими как внутренние мышцы и органы, а также получать сигналы от внешних устройств, например, сенсорных клеток под кожей.

Это делается не напрямую, а через дополнительный блок, отвечающий за подключение всех внешних устройств. Все компьютерные, сенсорные и передающие части внешних устройств нервной системы называются соматической нервной системой. Он делится на две категории.

Внутри головы находятся всевозможные контроллеры и внешние устройства, которым требуется слишком большая шина данных для основных мозговых блоков, и поэтому они расположены ближе к вычислительным центрам. Это черепные нервы соматической нервной системы. Например, глаза и все уплотнения, обеспечивающие работу глаз, даже обоняние, слух и т.д., эти блоки тянуть к центральной нервной системе будет очень сложно, поэтому в процессе эволюции включение их непосредственно в общий объем с расчетными зонами оказалось более успешной стратегией. Остальные устройства соматической нервной системы расположены вдали от головы и связаны через специальный блок контроллера, задача которого — передавать сигналы от этих внешних устройств и передавать сигналы этим внешним устройствам. И блокировка этих контроллеров называется спинным мозгом.

он отвечает за интерпретацию определенных сигналов и передачу их в мозг, а также через него сигналы передаются в мышцы.

Следовательно, если нервные волокна повреждены около спинного мозга, некоторые устройства тела могут выпасть. Например, при межпозвонковой грыже отводятся все ступни или ноги, либо при защемлении в шейном отделе позвоночника может исчезнуть сенсорная функция пальцев, то есть возникает онемение части конечностей.

Всего в спинном мозге человека имеется 31 пара линий связи с внешними устройствами.

В этом случае спинной мозг подключается к компьютерной части тоже не напрямую, а через мост Вароли, то есть шину данных между головкой центральной нервной системы и спинным мозгом.

Обобщая все сказанное, кратко рассмотрим схему.

У нас есть компьютер, совмещенный с подсистемой данных, блоки, отвечающие за переключение с внешними датчиками внутри головы, блоки, отвечающие за функциональную производительность, блок, отвечающий за работу с внешними устройствами и данными, а также шины, отвечающие за соединение этих блоков.

В общем, этот рассказ в таком виде был сделан в основном для тех, кто уже знает, из чего состоит материнская плата, чтобы не было так скучно смотреть на то, что уже известно и эти люди уже исходят из описаний функциональных блоков системы нервной системы скорей всего разобрались где процессор PCI-e, где чипсет, где чип Super I / O и тд

Где все эти части в компьютерах?

Что ж, и удивительно — с развитием технологий функциональные зоны в компьютерах начинают все точнее повторять функциональные зоны нервной системы.

Но по сравнению с нервной системой человека у компьютеров есть отличия.

Как я сказал ранее, у нас нет разделения между памятью и расчетами. Этот подход чрезвычайно эффективен, но очень сложен с точки зрения архитектуры.

Однако современные технологии стремятся объединить центральный процессор и оперативную память наиболее эффективным и наилучшим образом. На материнских платах была такая штука под названием Northbridge.

Это контроллер, который находится между центральным процессором и слотами оперативной памяти.

При работе с ним данные сначала поступали на этот контроллер и только от него к процессору, и обе шины, соединяющие три элемента, должны были быть очень большими, то есть обеспечивать высокую пропускную способность. Но со временем возникшие задержки и сложность организации шины вынудили интегрировать северный мост в процессор.

То есть в нашей стране, как в мозгу, пока работа не происходит внутри массива данных, но необходимость интеграции данных с процессором — одна из основных. На материнских платах северный мост ранее был распаян, то есть чип был несъемным, а процессор, как сейчас, обычно можно было менять. Место для установки процессора называется сокетом. То есть розетка — это непосредственно разъем и его характеристики: распиновка, размер и конструкция. Что ж, в розетку вставлен процессор, который производит вычисления.

При этом данные о работе процессора хранятся в оперативной памяти. Оперативная память вставляется в специальные слоты на материнской плате.

А между этими слотами можно увидеть множество дорожек к контроллеру памяти процессора, по сути, это шина, соединяющая их между собой (на фото выше — дорожки нарисованы белой маской, на самом деле вы можете видеть их, они намного тоньше и их намного больше).

В мозгу, как я уже сказал, все одна система.

Но внешние устройства являются внешними как для мозгового компьютера, так и для процессора с памятью. Они должны быть как-то связаны. На самом деле, как и в случае с нервной системой, существуют важные и сложные внешние устройства, которые сложно провести через посредников и которые будут подключены к процессору.

И есть менее важные, которые можно связать через посредников.

Спинной мозг компьютера — это южный мост.

Поскольку в настоящее время серверной комнаты нет, поскольку она интегрирована в процессор, южный мост называется чипсетом.

Нервная система имеет мост, соединяющий спинной мозг. Ее аналог в компьютерах Intel — шина DMI. В современных процессорах Intel по скорости он аналогичен 4-полосному PCI-e третьей версии. Вероятно, в двенадцатом поколении это будет аналог 4-х полосного PCI-e пятой версии.

AMD не называет эту шину каким-либо особым образом, просто говорит, что это 4-полосный PCI-e.

В общем — как ни назови суть — все лишнее в мозгу нужно выбросить куда-то еще. Чипсет собирает большую часть этого излишка. И так же, как и спинной мозг, в чипсете много линий для подключения к внешним устройствам. Они называются High Speed ​​i / o или, если по-русски, «fast speed input output». Допустим, в наборе микросхем Intel Z590 есть 30 таких линий, 6 из которых строго зарезервированы для определенных функций, а 24 могут использоваться для любых внешних устройств. Что ж, в контексте компьютеров вам все еще нужно объяснять, зачем вам нужен набор микросхем и почему бы не интегрировать все это в процессор.

Почему на один и тот же процессор существуют разные чипсеты?

Допустим, вам нужно подключить устройство к процессору через USB 3.1.

Для этого процессор должен понимать протокол данных, используемый USB 3.1. Или, например, вам нужно подключить диск SATA. Для этого необходимо научить процессор понимать протокол sata.

Им всем это нужно? Что ж, с этими двумя примерами, это может понадобиться каждому, но каждому нужен полный набор возможных устройств и поддержка большого их количества.

На самом деле все это было вынесено в отдельный блок набора микросхем, который объединяет все данные, передаваемые процессору, по единому протоколу. Есть наборы микросхем, которые поддерживают большее количество устройств, есть наборы микросхем, поддерживающие меньшее количество устройств. Что ж, большинство портов на материнской плате для подключения к устройствам ведут не к процессору, а к чипсету.

И уже чипсет обеспечивает процессор всем, что ему нужно на данный момент. Это позволяет изготавливать материнские платы разной ценовой категории и разной емкости. Проще говоря, мы можем изменить спинной мозг, который отвечает за состав внешних устройств. Предположим, что если бы нам нужно было 11 рук и 6 ног с 13 пальцами на каждой конечности, то нам понадобился бы другой спинной мозг, который обеспечил бы работу этих конечностей. Медицина до сих пор не позволяет производить такие метаморфозы с человеком, но в компьютерах, если нужно что-то экзотическое, есть чипсет, разработанный под разные нужды. Дверей может быть больше, и это будет дороже, или меньше дверей, и это будет дешевле. Кроме того, чипсет — это не просто хаб для подключения внешних устройств. В набор микросхем входят самые распространенные контроллеры. То есть накопитель SATA не должен иметь возможность переводить данные в протоколы, понятные процессору. Это то, что делает чипсет. Но даже чипсет не все умеет. Кроме того, технология быстро меняется, и набор микросхем можно было просто вывести из употребления. Например, для процессоров с разъемом LGA 775, выпущенных с 2004 по 2009 год, чипсет никогда не поддерживал USB 3.0.

Но материнские платы с USB 3.0 в итоге появились после выпуска этого порта.

И это просто работает. Как я уже сказал, не все линейки чипсетов зарезервированы для определенных функций. Большинство линий свободны, и на этих линиях можно разместить внешние контроллеры, которые будут управлять внешними устройствами и переводить все протоколы в форму, необходимую чипсету для дальнейших операций с центральным процессором.

Поэтому, если чипсет не поддерживает USB 3.0, производитель материнской платы может распаять контроллер USB 3.0, который будет использовать одну из линий ввода-вывода HS. Таким же образом вы можете работать с другими специальными мероприятиями. Допустим, на плате не нужна сетевая карта, а штук 10.

Один контроллер работает, как правило, через чипсет, а еще 9 можно припаять к плате, занимая 9 линий чипсета HS i / o.

Что ж, как правило, производители материнских плат не имеют строгой специализации, так как одни требуют много сетевых карт, другие должны куда-то вставлять карту видеозахвата или звуковую карту, а третьи должны подключать к компьютеру 30 накопителей. Вы не можете производить оплату за каждый список желаний. Поэтому был разработан стандарт универсального подключения. Вначале это был стандарт ISA, в 1990-х его заменил PCI.

А в 2000-х годах PCI сменили на PCI-e. Ну и, соответственно, для чипсета: одна линия PCI-e занимает одну полосу ввода-вывода HS.

В общем, набор микросхем — это набор микросхем, который имеет определенное количество линий данных, которые производители материнских плат могут использовать по своему усмотрению, и производители могут оставить эти линии данных свободными, просто назначив их портам PCI-e, в которые можно вставить больше расширения, которые будут иметь свои собственные контроллеры на борту, которые переводят что-либо в протоколы, совместимые с PCI-e.

Но, как и в случае с нервной системой, есть ряд устройств, к которым необходимо обращаться без посредников.

Напомню, что для мозга, например, это глаза.

Точно так же в компьютерах для видеокарты 16 отдельных линий выделяются непосредственно процессору. А это довольно большая шина, для сравнения, как я уже говорил ранее, всего 4 линии для подключения к чипсету.

Кроме того, будущие процессоры AMD и Intel по-прежнему будут иметь 4 линии PCI-e для подключения диска m.2. В целом это снижает нагрузку на шину чипсета.

Кроме того, к процессору подключаются другие внешние контроллеры. Например, контроллер вывода видео, если в процессор встроена графика.

Кто управляет материнской платой?

Возвращаясь к нервной системе, это гипоталамус.

На компьютерах фоновые задачи управления ресурсами разделены на несколько взаимосвязанных систем.

Их можно разделить на три составляющих. BIOS, микросхема Super I / O и контроллер питания.

BIOS — это в первую очередь программный уровень, в нем также есть оборудование, но не обработка, а обработка — это сам центральный процессор, а также микросхема Super I / O до включения процессора.

На самом деле Super I / O взаимодействует с программным уровнем BIOS при инициализации. Вместе они заняты настройкой системы перед обычным запуском. Что касается самого Super I / O, то раньше его функции были более значимыми. Он содержал контроллеры для мыши и клавиатуры, для аудиоустройств, заботился о питании компьютера в режиме пониженного энергопотребления и, в целом, для управления питанием, кроме того, Super I / o включает контроллер для COM-порта и порта LPT, USB-контроллер и сетевой контроллер. Теперь этот чип подключен через чипсет по шине LPC. Из старых функций некоторые сейчас просто не требуются, а некоторые утеряны, например, процессоры сами отвечают за многие режимы питания, но сам процессор не может отвечать за включение процессора, так как он обесточен. Вы должны понимать, что при выключении компьютера, если бы он был выключен полностью и полностью, он бы включался фиксированным переключателем, а не просто кнопкой, и чтобы не держать процессор под напряжением, держат super i / o, который, нажав кнопку включения, тестирует основную систему, получает данные из раздела SPD оперативной памяти, который содержит конфигурации, опрашивает процессор и набор микросхем, опрашивает память BIOS, получает конфигурации и определяет аппаратное обеспечение компьютера и конец позволяет ему загрузиться. Кроме того, Super I / o имеет возможность работать с датчиками. Думаю, многие знают такую ​​платформу, как Arduino.

Он имеет множество цифровых и аналоговых входов и выходов, и вы можете подключать к нему различные датчики для создания определенных устройств. В компьютере, если вам нужно подключить что-то подобное, скажем, термодатчик или вольтметр, это делается через микросхему Super I / O. Также он поддерживает протокол i2C для работы с более сложными контроллерами. Эта микросхема генерирует сигнал ШИМ для управления вентиляторами, а также получает импульсный сигнал от тахометров вентиляторов. Также именно на этом чипе работают системные часы.

Но, скажем, сетевые контроллеры теперь выделены на набор микросхем, основная часть USB, за исключением клавиатуры и мыши, также является просто набором микросхем USB, и есть платы, на которых порты USB клавиатуры и мыши не отображается, но отображаются порты набора микросхем. COM-порт, порт джойстика, MIDI-разъем, разъем для гибких дисков и LPT на платах, как правило, просто не выпаивают. Да вообще я не нашел информации о том, что все эти порты есть в современ�