Podręcznik

5. Płyta główna

Płyta główna jest płytą z obwodami drukowanymi, na której montowana jest znaczna część komponentów niezbędnych do poprawnego funkcjonowania systemu komputerowego. Swoje miejsce maję tu: podstawka pod procesor, chipsety płyty głównej, magistrale systemowe i międzyukładowe, pamięć ROM (BIOS), gniazda RAM, gniazda na karty rozszerzeń, kontrolery urządzeń, itp.

Chipset stanowi serce płyty głównej. Odpowiada on za sterowanie przepływem strumienia danych. Chipset jest zwykle podzielony na kilka osobnych układów. Pojęcie chipsetu ściśle łączy się z typem obsługiwanego procesora, innego chipsetu wymaga procesor Intela, innego procesor AMD. Różne rodziny procesorów tego samego producenta również wymagają różnych chipsetów. Rodzaj chipsetu zależy od specyfikacji elektrycznej i mechanicznej wyprowadzeń gniazda procesora, obsługiwanej pamięci RAM, itp.

Poniżej zostaną przedstawione przykładowe architektury płyty głównej. Nie da się tu przedstawić wszystkich wariantów. Dlatego zostaną przedstawione wybrane płyty ilustrujące trendy i zmiany w konstrukcji płyt głównych, a także konstrukcje najnowsze.

Intel 440BX

Chipset 440BX został zaprojektowany do procesora Pentium II. Obsługiwał on również późniejsze procesory Pantium III. Na rysunku 36 przedstawiona jest architektura płyty głównej oparta o ten chipset. W tym czasie zaznaczył się wyraźny podział logiczny na dwa osobne układy. Mostek północny (ang. North Bridge), który pośredniczy w komunikacji z procesorem poprzez magistralę FSB (magistrala procesora – ang. Front Size Bus). Mostek ten obsługuje też pamięć RAM (magistrala pamięci) i kartę graficzną (łącze AGP). Mostek północny obsługuje wszystkie urządzenia, które najszybciej wymieniają dane i wymagają dużych przepustowości magistral. Mostek południowy (ang. South Bridge, tu w postaci dwóch układów scalonych) umożliwia dołączenie do procesora portów I/O (interfejsy szeregowe, równoległe, magistrala USB), obsługuje dyski twarde, inne magistrale systemowe (ISA). Mostek południowy steruje funkcjami zarządzania energii oraz monitoruje parametry działania systemu. 

 

Rys. 36. Płyta główna z chipsetem Intel 440BX

 

Należy zauważyć, że z pełną częstotliwością zegara taktowany jest tylko procesor (450 MHz). Magistrale FSB i pamięciowa taktowane są z częstotliwością 100 MHz, łącze AGP karty graficznej 66 MHz, magistrala PCI 33 MHz, magistrala ISA 8 MHz. Można więc zauważyć, że im „dalej” od procesora tym częstotliwości zegara spadają. Tak jest w każdym systemie komputerowym. Najważniejsze cechy chipsetu 440BX to obsługa AGP 2x, 100 MHz magistrala FSB i SDRAM, obsługa dwóch procesorów.

Intel I865/I875

Wraz z pojawieniem się procesora Pentium 4 opracowano nowe chipsety I865/I875 (Rys.37). Są to w zasadzie dwa bardzo podobne układy scalone. Wprowadzono tu po raz pierwszy obsługę pamięci w sposób dwukanałowy. Najprościej mówiąc dwie 64 bitowe pamięci RAM są łączone w jedną z dostępem 128 bitowym. Teoretycznie więc przepustowość tak obsługiwanych pamięci wzrasta dwukrotnie. Powoduje to, że maksymalna przepustowość pamięci wynosi aż 6.4 GBps. Z drugiej strony chipset obsługuje łącze AGP 8x, które pozwalało na wymianę danych z kartą graficzną z maksymalną szybkością 2 GBps. Stąd też dużym problemem była zbyt mała przepustowość magistrali FSB. Aby dane mogły być z pełną szybkością dostarczane do procesora, magistrala FSB też musi dysponować odpowiednią przepustowością. W tym przypadku zastosowano magistralę FSB tzw. poczwórnie pompowaną (taktowanie 200 MHz, ale w jednym cyklu są transferowane cztery słowa). Dało to maksymalną przepustowość 6.4 GBps. W tym czasie zaczynają się pojawiać na rynku dyski SATA. Mostek południowy takie dyski obsługuje. Co więcej dyski mogą być łączone w macierze (technologia RAID). Z płytą główną jest zintegrowana karta dźwiękowa.

Rys. 37. Płyta główna z chipsetem Intel 865

 

Intel i915 Express

I915 Express jest pierwszym chipsetem, który obsługuje nową magistralę PCI Express. Magistrala ta przejęła rolę łącza AGP i teraz obsługuje kartę graficzną. Oprócz tego jest to podstawowa magistrala systemowa umożliwiająca podłączanie różnych peryferii. Chipset i915 Express został opracowany z myślą o obsłudze późniejszych wersji procesora Pentium 4 (Rys. 38).

 

Rys. 38. i915 Express chipset

 

Chipset i915 Express obsługiwał pamięć DDR2 w trybie dwukanałowym, dyski SATA, dawał również możliwość ich łączenia w macierze RAID. Po raz pierwszy pojawiła się również obsługa technologii Hyper Threding. Tu pojawia się jeszcze większy rozdźwięk między przepustowością magistrali FSB i przepustowością wymaganą przez pamięci i kartę graficzną. Jako magistrala międzyukładowa wykrystalizował standard DMI.

Intel H55

Jeśli chodzi o konstrukcję płyt głównych pod procesory Intel Core 2, niewiele się zmieniło. Najważniejszym problemem było rozwiązanie wąskiej przepustowości magistrali FSB. Firma AMD już wcześniej postawiła na integrację kontrolera pamięci z procesorem. W znaczny sposób odciążyło to magistralę FSB. Intel na taki krok zdecydował się dopiero w procesorach Intel Core. W dodatku w pierwszych procesorach zastosowano trójkanałowy kontroler pamięci. Następna rodzina z serii Core miała również zintegrowaną z procesorem obsługę magistrali PCI Express do przyłączenia karty graficznej (od rodziny Sandy Bridge) (Rys.39). W tym czasie obserwujemy największą zmianę w architekturze płyty głównej. Niepotrzebny stał się mostek północny. Obsługiwane przez ten układ elementy, teraz obsługuje sam procesor. Pozostał tylko układ mostka południowego. Nie potrzebna też stała się ogromna przepustowość magistrali FSB. Tej magistrali już nie implementowano. Mostek południowy obsługuje wszystkie pozostałe urządzenia systemu. Należą do nich: szybkie porty USB, karta LAN, dyski twarde, karta dźwiękowa itd. Zintegrowana z procesorem karta graficzna potrzebuje specjalnej magistrali do obsługi monitora – FDI. Na rys. 40 przedstawiono płytę główną z chipsetem Intel H55. Chipset jest ukryty pod radiatorem. Na uwagę zasługuje rozmieszczenie gniazd pamięci, które zawsze znajdują się blisko procesora (tam znajduje się kontroler pamięci). Z drugiej strony procesora znaleźć można slot PCI Expres 16x do obsługi karty graficznej.

 

Rys. 39. Chipset H55

 

 

 

Rys. 40. Płyta DH55TC  z chipsetem Intel H55

 

W tabeli 4 przedstawiono chipsety używane w poszczególnych rodzinach procesorów Intela. Architektura płyty głównej jest podobna w każdym z tych przypadków.

 

Tabela 4. Układy logiki

Architektura CPU	Intel Sandy Bridge	Intel Ivy Bridge	Intel Haswell	Intel Broadwell	Intel Skylake	Intel Cannonlake
Litografia	32 nm	22 nm	22 nm	14 nm	14 nm	10 nm
Maks. rdzeni CPU	4	4	4	4	4/6	brak danych
Układy logiki	Seria 6 Cougar Point	Seria 7 Panther Point	Seria 8 Lynx Point	Seria 9 Wild Cat Point	Seria 100/200/300	brak danych
Podstawka CPU	LGA 1155	LGA 1155	LGA 1150	LGA 1150	LGA 1151	brak danych
Obsł. pamięć RAM	DDR3	DDR3	DDR3	DDR3	DDR4 /DDR3	DDR4
Rok wejścia	2011	2012	2013-2014	2015	2015-2017	2018?

 

Intel stosuje od pewnego czasu pewnego rodzaju klasyfikację chipsetów. Płyty z chipsetem Hxxx (np. H310) można polecić dla osób, które budują budżetowy sprzęt i nie mają zamiaru szczególnie go rozbudowywać. Płyty główne z chipsetami średniego segmentu B360 i H370 mogą się już pochwalić czterema gniazdami RAM, a dzięki większej liczbie linii PCIe również dwoma slotami PCIe_x16, czy większą ilością portów SATA. Z chipsetem Z370 budowane są modele płyt głównych dla entuzjastów i graczy poszukujących dużej wydajności, którzy chcą przede wszystkim wykorzystać możliwości podkręcania procesorów, czy pamięci RAM. Liczba linii PCIe_3.0 zwiększa się do 24, co pozwala na tworzenie bardziej rozbudowanych konfiguracji (np. trzy sloty PCIe_x16, które mogą działać w konfiguracji do 1 x8 + 2 x4). Natomiast chipset X299 zawierają płyty dla profesjonalistów oraz największych entuzjastów. W segmencie high-end mamy do czynienia tylko z jednym chipsetem X299 i podstawką LGA 2066. Umożliwiają one obsługę szerokiej gamy procesorów Core X.

W odróżnieniu od platformy Intela, wszystkie procesory AMD przeznaczone do podstawki AM4, zainstalujemy na płytach z chipsetami serii 3xx (trzysta) i 4xx (czterysta). Płyty z chipsetem A320 to najtańsze modele, które jednak pozwalają na stworzenie wydajnych konfiguracji z jedną kartą graficzną. Średni segment w AMD to chipsety B350 i B450. Pozostawiono tu zarówno możliwość podkręcania, jak i stosowania wysokotaktowanych pamięci RAM. W porównaniu do chipsetu A320, rośnie również liczba linii PCIe (większa liczba slotów) oraz portów USB. W segmencie wysokim AMD znajdziemy chipsety X370 i X470. Płyty z tymi chipsetami umożliwią wykrzesanie największej wydajności z podzespołów takich jak CPU, czy RAM. Natomiast w segmencie high-end AMD występuje tylko jeden chipset X399 i jedna podstawka TR4 - dla procesorów Ryzen Threadripper. W segmencie high-end AMD również spotkamy się czterokanałowym kontrolerem RAM i ośmioma bankami DDR4, które znajdują się po obu stronach podstawki procesora.