Замена тактового генератора на материнской плате
Обновлено: 07.07.2024
Поправьте меня, если ошибаюсь, но автор той статьи как раз делает неверный вывод — задержка между фронтами тактовых сигналов должна быть абсолютной величиной в нс, а не пропорциональной в градусах. Ведь эта задержка является характеристикой портов как SDRAM так и FPGA, она указывается в документациях на них. Фазовая задержка конечно зависит от самой частоты, как это и показано в указанном документе, однако, остальные характеристики, участвующие в расчете, являются характеристиками, не зависящими от тактовой частоты.
Еще хорошо бы подтянуть эти блоки непосредственно к пинам (constraints), чтобы на случай если фазовый сдвиг взят приблизительно, то работоспособность проекта не зависела от синтеза к синтезу. Но данный пункт может знатно отпугнуть людей от погружения в ПЛИС.
Скажу честно, я до сих пор не проникся методикой вычислений сдвига тактовой частоты, приведённой в разделе 32.7. Clock, PLL and Timing Considerations
Подскажите, пожалуйста, версию документа, в моей (2017.11.06) это 27.7, например.
Поправьте меня, если ошибаюсь, но автор той статьи как раз делает неверный вывод — задержка между фронтами тактовых сигналов должна быть абсолютной величиной в нс, а не пропорциональной в градусах.
Ну, я честно написал, что плаваю в этом. Нашёл, проверил, работает. В продукт бы такое вставить без более серьёзных разбирательств не рискнул, но для местного применения — почему бы и нет? Это я тоже специально отдельно прописал. Так что возможно, Вы и правы. Но на градусы ссылается несколько статей. Просто значения разные.
Будет здорово, если кто-нибудь проникнется и даст ссылку на более правильную теорию в комментариях. Поиском — ничего более путного не нашёл.
Еще хорошо бы подтянуть эти блоки непосредственно к пинам (constraints),
Я просто в этой статье опустил, как уже привычное действие, но дал ссылку на то место, где всё подтягивается к ножкам (где про Virtual Pin говорится). Причём иначе не получится ни у нас на Redd, ни на какой-либо макетке с Ali Express. Да и на любой другой. Генератор и ОЗУ же уже припаяны. Волей-неволей, а придётся подключвть именно туда, куда разработчики припаяли (а припаяли они, надеюсь, к выделенным тактовым линиям, у нас — точно).
Подскажите, пожалуйста, версию документа, в моей (2017.11.06) это 27.7, например.
У меня версия от среды разработки 18.1, датирована 2018.09.24. Но именно поэтому я дал не только номер раздела, но и название. И именно поэтому я не даю прямых ссылок. Они вечно всё меняют. Лучше давать строки для поиска.
Даа, особенно когда последние версии делают онлайн-версию где номеров нет и грузит долго.
Извините, не так выразился, имею ввиду конечно же подтягивание самого дизайна на чипе к ножкам и timing constraints.
Извините, не так выразился, имею ввиду конечно же подтягивание самого дизайна на чипе к ножкам и timing constraints.
Насчёт ножек — в той статье рассказывается, как это делается, да и повторю, иначе не получится. Всё уже припаяно. Связывать надо именно с тем, что припаяно. А припаяно всё к выделенным тактовым линиям и на вход, и на выход. Так что не промахнёмся. И PLL будет взят выделенный.
Насчёт настройки timing constraints — я читал зубодробительные статьи здесь. Я честно пытаюсь это освоить… И понимаю, что это — для тех, кто делает серьёзные проекты. К счастью, для несерьёзных проектов, есть одна замечательная вещь. Когда у PLL заданы частоты — они автоматически распространяются на все выходящие тактовые линии. Я проверял. Это видно из отчётов по времени (насколько я помню, Timing Analyzer называется). Если просто дорожка — ругаются, что частота неизвестна. Если выход из PLL — пишут и заданную частоту, и какая реально достижима.
Поэтому если всё не уложилось — нас предупредят. И для несложных проектов этого достаточно. А сложные — не для Redd :-).
Под подтягиванием дизайна к ножкам я конечно имею ввиду не элементы на плате, а сами элементы проекта внутри ПЛИС: От разводки к разводке расположение тех или иных блоков обработки в дизайне меняется, от этого может поплыть разное: для этого обычно и используют разные create_virtual_clock / set_input_delay и пр.
В нашем конкретном случае, в ПЛИС всего два блока PLL, так что особо нечему меняться. Максимум два варианта. Линии GCK тоже, кажется, к ногам по возможности привязаны. Если же нет, то всё равно, GCK — особые линии. У них повторяемость высокая.
Вообще, моя задача показать, что ПЛИС — это просто. Не надо пугать читателей. Мало того, для проектов средней руки для современных ПЛИС это утверждение верно. Все соки выжимать — вот понадобится кому-то, пусть они и учатся. Но сначала пусть втянутся. Тем более, что может и не понадобится это никогда кому-то. Задачи — не всегда сверхмощные, а вот ПЛИС нынче — достаточно мощны. Так что и автоматически подставленных средой разработки ограничений, вытекающих из заданных частот PLL вполне может хватить.
Так что прошу читателей не бояться пробовать работать с ПЛИС, будь то Redd или какая недорогая макетка с Ali Express. Будут проблемы — будете осваивать новые методики. Не будет — не будете (это я к читателям обращаюсь)
И понимаю, что это — для тех, кто делает серьёзные проекты.
Не скромничайте, скорее уж для тех, в чьих проектах есть хоть какие-то интерфейсы. По-моему, на своём железе нет шансов не столкнуться с timing constraints. Но, конечно, в макетах, на которых обычно происходит первое знакомство с ПЛИС, эти вещи уже решены.
Не буду спорить. Но на всякий случай, отмечу, что я как-то всё в синхронном дизайне делаю, завязываюсь на то, чтобы подальше от рабочего фронта переключалось. Если в требуемую частоту уложились, то всё работает и без каких-либо трудностей. Оптимизаторы всё делают на ура. Я иногда даже смотрю, во что умялось всё (например, тут)
Но может, просто у меня задачи простые. Однако и цикл статей в тему, про аппаратуру, которая помогает в отладке и тестировании других больших проектов. Разработка под Redd — вторична и не должна приводить к высоким трудозатратам. Первична разработка того, что этим Redd-ом тестируется.
Но в целом, самое весёлое, что мне доводилось делать — SATA ядро собственное для Cyclone IV GX. Писал с нуля. Оно работало прекрасно. Главное — было именно придерживаться правильной привязки к тактовым импульсам. А остальное — система сама разбиралась, исходя из тактовой в настройках PLL.
В общем, я не спорю, что все эти Constraints — вещь очень полезная. Я просто говорю, что начинающим они могут ещё не скоро понадобиться. Кто собрался вот прямо завтра делать что-то серьёзное, тот не по статьям учиться будет. А остальных надо сначала втянуть, а там — они сами выяснят, как развиваться, и надо ли это делать.
Но не даром же я в статье показал, что допустимая частота у нас 133 МГц, после чего начал делать всё для сотни. Есть у меня такая привычка, не все соки из системы выжимать… Как раз это и даёт пространство для автоматической оптимизации…
Сегодня даже рядовой пользователь может попытаться повысить
производительность своего компьютера, изменяя состояние опций BIOS Setup. А было
время, когда для выполнения подобной операции требовались паяльник, осциллограф
и серьезные познания в области цифровой схемотехники. Для современных
оверклокеров акцент сместился от схемотехники к термодинамике, так как
устойчивость работы электронных схем на частотах, превышающих штатные,
существенно зависит от эффективности их охлаждения.
Все эти результаты эволюции платформы PC, безусловно, хороши и логичны.
Недостаток только в том, что возможности для удовлетворения любопытства и
исследовательского интереса существенно уменьшились, так как в домашних условиях
"залезть" внутрь микросхем чипсета и тем более что-то там модифицировать, к
сожалению, невозможно.
Мы в очередной раз убеждаемся в том, что ищущий "изюминку" не обрадуется
килограмму изюма, а счастье есть состояние несовместимое с фундаментальными
свойствами пространства и времени. Так как пути устранения указанного
противоречия автору неизвестны, перейдем непосредственно к предметной области.
Чтобы разобраться в работе тактового генератора и схемотехнических аспектах
разгона, рассмотрим эволюцию подсистемы тактирования от "древней" IBM PC/XT до
сегодняшних платформ. В практической части статьи приведен пример, позволяющий
на уровне принципиальной электрической схемы и ассемблера посмотреть на
процессы, происходящие при переключении тактовой частоты в BIOS Setup.
1. Платформы PC/XT. Разгоняем с помощью паяльника.
Тактовый генератор в IBM PC/XT реализован на микросхеме Intel 8284, советский
аналог – КР1810ГФ84, описан в [26].
Задающий генератор использует кварцевый резонатор частотой 14.31818 MHz.
Тактовая частота процессора формируется путем деления на 3 частоты задающего
генератора: 14.31818 MHz / 3 = 4.773 MHz. Тактовый сигнал для системного таймера
формируется путем деления на 12 частоты задающего генератора: 14.31818 MHz / 12
= 1.193 MHz. Заменив кварцевый резонатор 14.318 MHz на 24.0 MHz, мы получим
тактовую частоту процессора в режиме "турбо" 24.0 MHz / 3 = 8.0 MHz.
Работоспособность системы на новой тактовой частоте будет зависеть от
величины технологического запаса быстродействия у процессора, подсистем памяти и
ввода-вывода. Отдельного внимания требует системный таймер. Напомним, что он
используется программным обеспечением для формирования интервалов времени,
продолжительность которых не зависит от быстродействия процессора, поэтому
повышение частоты тактирования таймера приведет к нежелательным последствиям:
будут спешить часы DOS Time, частоты звуковых сигналов, выводимых на PC Speaker,
будут завышены. Чтобы избежать таких последствий, система IBM PC/XT,
поддерживающая режим "турбо" должна содержать два тактовых генератора: для
процессора и для таймера. Вместе с тем, существовали некорректно написанные
программы, которые для формирования времязадающих функций использовали не
таймер, а процессор, рассчитывая на то, что тактовая частота всегда равна 4.773
MHz. Для обеспечения совместимости с такими программами, была введена кнопка
"Turbo", позволяющая переключаться между стандартной и повышенной частотой.
Заметим, что понятия "множитель" тогда не существовало, частоты тактирования
ядра процессора и шины всегда были равны. Следовательно, разгон процессора мог
быть выполнен только путем повышения частоты шины.
2. Платформы PC/AT 286, 386. Работаем с переключателями.
Во времена процессоров 80286, 80386 производители наладили выпуск
универсальных материнских плат, допускающих установку процессоров с различными
тактовыми частотами. Модельный ряд 80386DX содержал процессоры с частотами 16,
20, 25, 33, 40 MHz. Первые универсальные платы использовали панельку для
установки осциллятора (осциллятором здесь называется схема, содержащая кварцевый
резонатор и генератор, интегрированные в одном корпусе). Пользователь или
производитель платы должен был установить осциллятор, частота которого
соответствовала тактовой частоте процессора. Разумеется, системный таймер
тактировался от другого генератора.
Такой "детский конструктор" уже допускал разгон без паяльника (путем
установки осцилляторов с частотами, превышающими штатные), если конечно
осциллятор был установлен в панельке, а не запаян. Затем появились так
называемые частотные синтезаторы, способные из частоты одного задающего
генератора (обычно это классическая для платформы PC частота 14.31818 MHz)
сформировать все частоты, необходимые для работы платформы при поддержке
различных процессоров. Один из методов выполнения такого преобразования –
умножить опорную частоту на достаточно большой коэффициент, в результате
получится сигнал с частотой, из которой путем деления на целые коэффициенты
можно получить все требуемые частоты с приемлемой точностью. Данное
преобразование выполняется внутри микросхемы частотного синтезатора. Для
управления частотой выдаваемого тактового сигнала используются входы задания
частоты. Код, подаваемый на эти входы, задается переключателями (jumpers),
установленными на материнской плате. Теоретически, в таких системах уже
существовала возможность реализации программного управления тактовой частотой.
Для этого требовалось реализовать порт вывода (программно-доступный регистр),
выходы которого подключаются к входам задания частоты, вместо переключателей.
Записывая разные коды в этот порт, BIOS или другая программа может переключать
тактовую частоту. Но данное решение не стало популярным, во-первых, потому, что
такая гибкость в те времена еще не была востребована, а во-вторых, потому, что
большинство частотных синтезаторов тех времен не допускали переключение частоты
без выключения питания.
3. Платформы PC/AT 486. Первые процессоры с умножением частоты.
В процессорах класса 486 впервые появилось понятие "множитель". Например,
процессор 80486DX2-50 тактировался от частоты 25 MHz, на этой частоте работала
шина. Внутри процессора происходило умножение частоты тактового сигнала на 2, и
ядро работало на частоте 50 MHz. Разумеется, этот процессор работает медленнее,
чем 80486DX-50, у которого и шина и ядро тактируются от 50 MHz. Тогда почему же
разработчики приняли такое решение? Дело тут в том, что технологических
возможностей для роста частоты ядра значительно больше, чем для роста частоты
шины. Цепи системной шины реализованы в виде проводников на плате, соединяющих
процессор и "северный мост" чипсета. Цепи ядра реализованы внутри кристалла
процессора, здесь физическая длина проводников и количество буферных элементов,
через которые проходят сигналы, значительно меньше. Чтобы максимально
реализовать разгонные потенциалы, как ядра, так и шины, их требовалось запустить
на разных частотах, что и было сделано путем введения механизма умножения
частоты, который успешно применяется и в современных процессорах. Для
процессоров поколения 486 были достигнуты частоты 50 MHz (для шины) и 133MHz
(для ядра). Приведены штатные значения, без учета экспериментов по разгону.
Заметим, что переключатели задания частоты шины подключены к управляющим
входам тактового генератора, так как он вырабатывает частоту, а переключатели
задания множителя – к управляющим входам процессора, так как умножение
происходит внутри процессора.
4. Платформы Intel Pentium, AMD K5, K6. Гибкость заставляет задуматься.
Умножение частоты и возможность выбора множителя появились еще во времена
процессоров 486. Следующее поколение процессоров - Intel Pentium и AMD K5/K6,
использующее процессорный разъем Socket 7, базируется на той же идеологии
тактирования, но набор частот и множителей был существенно расширен. Перед
оверклокерами встает задача выбора оптимального (с точки зрения
производительности) режима работы процессора. Хотя численные значения частот и
множителей сегодня совсем другие, приведенный ниже принцип рассуждений применим
и для современных систем.
Дано: Тактовый генератор на плате поддерживает частоты шины 50, 55, 60, 66.6
MHz. Процессор поддерживает множители 1.5x и 2 x. Предел устойчивой работы
нашего процессора 120 MHz.
Найти: Оптимальный (с точки зрения производительности) режим работы
процессора.
Очевидно, у нас два варианта: 66.6 x 1.5 = 100 MHz или 60 x 2 = 120 MHz. В
нашем случае, мы не можем использовать 66.6 x 2 = 133.3 MHz, так как заявленный
порог устойчивости процессора 120 MHz. В первом варианте шина работает быстрее,
но ниже частота ядра, во втором варианте – наоборот. Сразу признаемся, что на
прямой вопрос "что лучше" однозначного ответа не существует, и вот почему.
Представим себе компактный фрагмент машинного кода, долго работающий с
компактным блоком данных, код и данные помещаются во внутренний кэш процессора.
Очевидно, что вскоре после начала выполнения, код и данные будут автоматически
скопированы процессором из ОЗУ во внутренний кэш и для доступа к ним не
потребуется обращений по системной шине. От этого момента и до завершения
выполнения нашего фрагмента процессор будет работать с производительностью,
зависящей от частоты ядра и не зависящей от частоты шины.
Теперь представим другую ситуацию – процессор копирует в памяти блок данных,
размером десятки мегабайт. Очевидно, в этом случае, процессор существенную часть
времени будет занят операциями на шине (чтение из блока-источника, запись в
блок-получатель), поэтому производительность здесь существенно зависит от
частоты шины, если, конечно эффект от быстрой шины не нивелирован медленной
оперативной памятью.
Мы рассмотрели два диаметрально противоположных примера. Ситуации,
встречающееся в программном обеспечении на практике, находятся "посередине". Но
тем не менее, на скорость работы одних программ больше влияет частота шины,
других – частота ядра. Даже в пределах одного приложения могут встречаться
фрагменты, как первого, так и второго типа. Поэтому, углубляясь в теоретические
рассуждения, не следует забывать и о методе "научного тыка".
5. Современные системы. Нажми на кнопку – получишь результат.
Понятия "частота шины" и "множитель", рассмотренные выше, благополучно дожили
до наших дней, изменились только численные значения этих параметров. Современная
платформа позволяет управлять тактовой частотой процессора и множителем из BIOS
Setup. Читателю, знакомому с цифровой и микропроцессорной схемотехникой,
очевиден путь решения этой задачи: код управления частотой, подаваемый на
тактовый генератор и код управления множителем, подаваемый на процессор
формируется посредством программно-доступных регистров (портов вывода), выходы
которых подключены к соответствующим управляющим линиям. Записывая данные в эти
регистры, BIOS, либо другая программа, может устанавливать требуемые значения
частоты и множителя. Архитектура регистров, реализующих данную функцию, зависит
от модели платформы, поэтому программы, реализующие такое управление, могут быть
написаны под одну конкретную плату (как пишется BIOS), либо они должны
распознавать тип платы и содержать модули поддержки под каждую плату.
В большинстве реализаций современных платформ, тактовый генератор выполнен в
виде отдельной микросхемы, программный доступ к его регистрам обеспечивается по
2-проводной последовательной шине SMB (System Management Bus). Заметим, что та
же шина используется для считывания микросхем SPD (Serial Presence Detect)
хранящих параметры модулей оперативной памяти. Контроллер шины SMB находится в
составе "южного моста" чипсета. Детальное описание шины SMB содержится в [17].
Информацию по контроллеру шины SMB можно найти в документации на "южные мосты"
чипсетов, например [10], [19], [20]. Документация на большинство тактовых
генераторов также доступна, например [21]. Шина SMB построена на базе протокола
I2C, предложенного фирмой Philips.
Важным свойством современных платформ является автоматическое определение
тактовой частоты процессора. Для этого процессор сам формирует код управления
частотой системной шины. Этот код жестко прошит в процессоре в соответствии с
его типом (не путать с множителем). Код подается от процессора на тактовый
генератор и управляет режимом работы последнего. Процессоры семейства Intel
Socket 775 используют сигналы BSEL[0,1,2] для выбора частоты системной шины.
BSEL расшифровывается как Bus Select.
Каким же образом автоматический выбор частоты в соответствии с типом
процессора и управление частотой из BIOS Setup существуют совместно?
Итак, мы включили питание, тактовый генератор принял от процессора код
управления частотой по линиям BSEL[2,1,0] и автоматически запустился на частоте,
соответствующей установленному процессору. Процессор начал выполнение стартовой
процедуры BIOS POST на штатной частоте. Затем, BIOS на одном из этапов
выполнения процедуры POST, интерпретирует содержимое памяти CMOS, в которой
хранится информация о состоянии опций Setup. Если в Setup установлена частота,
отличающаяся от штатной, BIOS перепрограммирует тактовый генератор, и он
запустится на новой частоте. Физически, это сводится к выполнению транзакций на
шине SMB, записывающих данные в регистры тактового генератора.
Именно так приводятся в исполнение установки BIOS Setup. Прежде чем выполнить
перенастройку тактового генератора, чипсета и других устройств в соответствии с
установками опций, BIOS проверяет контрольную сумму информации CMOS, а также
бит, индицирующий факт потери батарейного питания. Если выясняется, что
информация в CMOS недостоверна, перепрограммирования частоты не происходит,
процессор продолжает работать на штатной частоте. На этом основано действие
перемычки Clear CMOS, которая позволяет сбросить настройки Setup и запуститься в
штатном режиме, если плата не стартует после чрезмерного разгона.
Источники информации
17) System Management Bus (SMBus) Specification. Version 2.0.
18) PCI BIOS Specification. Revision 2.1.
(Информация на данном сайте более полная, чем на "родных" сайтах
производителей указанных микросхем.)
19) VIA VT82C686A South Bridge Datasheet. Revision 1.54. Для поиска документа
набирать строку "VT82C686".
20) VIA VT82C686B South Bridge Datasheet. Revision 1.71. Для поиска документа
набирать строку "VT82C686".
21) Cypress W230 Spread Spectrum FTG (Frequency Timing Generator) for VIA K7
Chipset. Для поиска документа набирать строку "W230".
Книги
22) В.Л. Григорьев. Микропроцессор i486. Архитектура и программирование.
Москва ТОО "ГРАНАЛ" 1993.
23) В.Г. Артюхов, А.А. Будняк. В.Ю. Лапий. С.М. Молявко, А.И. Петренко.
Проектирование микропроцессорной электронно-вычислительной аппаратуры.
Справочник. Киев "Тэхника" 1988.
24) К. Г. Самофалов, О.В. Викторов. Микропроцессоры. Библиотека инженера. Киев
"Тэхника" 1989.
25) 2B ProGroup: В.А. Вегнер, А.Ю. Крутяков, В.В. Серегин, В.А. Сидоров, А.В.
Спесивцев. Аппаратура персональных компьютеров и ее программирование. IBM
PC/XT/AT и PS/2. Москва "Радио и связь" 1995.
26) Ю.М. Казаринов, В.Н. Номоконов, Г.С. Подклетнов, Ф.В. Филиппов.
Микропроцессорный комплект К1810. Структура, программирование, применение.
Справочная книга. Москва "Высшая школа" 1990.
Любой, кто разбирал компьютер, видел как много различных элементов на материнской плате, в этой статье я постараюсь кратко описать и показать основные компоненты, устанавливаемые на материнские платы современных компьютеров.
Или мосфет. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора - изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.
Резистор - это пассивный элемент радиоэлектронной аппаратуры, предназначенный для создания в электрической цепи требуемой величины электрического сопротивления, обеспечивающий перераспределение и регулирование электрической энергии между элементами схемы.
Электролитические конденсаторы схожи с аккумуляторами, но в отличии от которых выводят весь свой заряд в крошечные доли секунды. Используются, чтобы выровнять напряжение или блокировать постоянный ток в цепи.
Керамические SMD, танталовые, ниобиевые и др. Лучше для электроники, которая не требует высокой интенсивности работы.
Светодиод (LED). В основном LED - крошечные лампочки.
Катушки и индуктивности
Индуктор (дроссель) - обмотка провода, катушка, используется для смягчения скачка тока при запуске. Зачастую стоят перед процессором.
Генератор тактовых частот.
Генератор тактовых частот (клокер) — устройство, формирующее тактовые частоты, используемые на материнской плате и в процессоре.
Кварц перемещает энергию назад и вперед между двумя формами в равные доли времени. Задаёт частоту работы всей электрической схемы.
SuperIO (SIO, MultiIO, MIO, "мультик").
Третья по значимости и размеру микросхема на материнской плате – после мостов. Отвечает за порты ввода-вывода (COM, LPT, GamePort, инфракрасный порт, PS/2 для клавиатуры и мыши и др.). Является микроконтроллером (выполняет часть прошивки биос), выродился из контроллера клавиатуры, но в современных платах выполняет множество важных функций. Он например мониторит сигналы с Шим и когда убедится что всё ОК с питанием - даёт южному мосту команду "нажали на вкл, запускайся", ещё он управляет режимами S0-S5. На текущий момент это его основной функционал, а функции ввода - вывода - отмирающий придаток. Зачастую обладает дополнительным функционалом:
встроенный Hardware Monitoring
контроллер управления скоростью вентиляторов
интерфейс для подключения CompactFlash-карт.
ШИМ-контроллер (от Широтно-Импульсная Модуляция) - главная микросхема, управляющая напряжением на материнской плате.
Мосты (северный и южный).
Северный мост (MCH).
Одним из основным составляющим компонентом материнской платы будь то компьютера либо ноутбука является Северный мост (англ. Northbridge; в отдельных чипсетах Intel, также — контроллер-концентратор памяти с английского Memory Controller Hub)
MCH является системным контроллером чипсета на материнской плате платформы x86, к которому в рамках организации взаимодействия подключено следующие оборудование:
1. через Front Side Bus — микропроцессор, если в составе процессора нет контроллера памяти, тогда через шину контроллера памяти подключена— оперативная память.
2. через шину графического контроллера — видеоадаптер (в материнских платах нижнего ценового диапазона, видеоадаптер часто встроенный. В таком случае северный мост, произведенный Intel, называется GMCH (от англ. Chipset Graphics and Memory Controller Hub).
Исходя из назначения, северный мост определяет параметры (возможный тип, частоту, пропускную способность):
- системной шины и, косвенно, процессора (исходя из этого — до какой степени может быть разогнан компьютер);
- оперативной памяти (тип — например SDRAM, DDR, DDR2, её максимальный объем);
Во многих случаях именно параметры и быстродействие северного моста определяют выбор реализованных на материнской плате шин расширения (PCI, PCI Express) системы.
В свою очередь, северный мост соединён с остальной частью материнской платы через согласующий интерфейс и южный мост. Когда технологии производства не позволяют скомпенсировать возросшее, вследствие усложнения внутренней схемы, тепловыделение чипа, современные мощные микросхемы северного моста помимо пассивного охлаждения (радиатора) для своей бесперебойной работы требуют использования индивидуального вентилятора или системы жидкостного охлаждения, что в свою очередь увеличивает энергопотребление всей системы и требует более мощного блока питания.
Минуя северный мост согласно нашей схеме двигаясь на юг на материнской плате расположен южный мост.
Южный мост ( ICH)
Южный мост (от англ. Southbridge) (функциональный контроллер), также известен как контроллер-концентратор ввода-вывода (от англ. I/O Controller Hub, ICH).
Если взять функциональность, то южный мост включает в себя:
- контроллеры шин PCI, PCI Express, SMBus, I2C, LPC, Super I/O;
- PATA (IDE) и SATA контроллеры;
- часы реального времени (Real Time Clock);
- управление питанием (Power management, APM и ACPI);
- энергонезависимую память BIOS (CMOS);
- звуковой контроллер (обычно AC'97 или Intel HDA).
Опционально южный мост также может включать в себя контроллер Ethernet, RAID-контроллеры, контроллеры USB, контроллеры FireWire, аудио-кодек и др. Реже южный мост включает в себя поддержку клавиатуры, мыши и последовательных портов, но обычно эти устройства подключаются с помощью другого устройства — Super I/O (контроллера ввода-вывода).
Поддержка шины PCI включает в себя традиционную спецификацию PCI, но может также обеспечивать и поддержку шины PCI-X и PCI Express. Хотя поддержка шины ISA используется достаточно редко, она все таки является неотъемлемой частью современного южного моста. Шина SM используется для связи с другими устройствами на материнской плате (например, для управления вентиляторами). Контроллер DMA позволяет устройствам на шине ISA или LPC получать прямой доступ к оперативной памяти, обходясь без помощи центрального процессора.
Системная память CMOS, поддерживаемая питанием от батареи, позволяет создать ограниченную по объёму область памяти для хранения системных настроек (настроек BIOS).
Меню настроек Bios.
Северный и южный мосты материнской платы вкупе составляют одно целое устройство управления всей системой так сказать глаза, уши, руки ЦП. Вкупе эти два чипа называются – чипсет.
Чипсет (англ. chipset) — набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. Так, в компьютерах чипсет, размещаемый на материнской плате выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, центрального процессора (ЦП), ввода-вывода и других. Чипсеты так можно встретить и в других устройствах, например, в радиоблоках сотовых телефонов.
Чаще всего чипсет современных материнских плат компьютеров состоит из двух основных микросхем северного и южного моста (иногда объединяемых в один чип, т. н. системный контроллер-концентратор (англ. System Controller Hub, SCH):
Иногда в состав чипсета включают микросхему Super I/O, которая подключается к южному мосту по шине Low Pin Count и отвечает за низкоскоростные порты: RS232, LPT, PS/2.
Существуют и чипсеты, заметно отличающиеся от традиционной схемы. Например, у процессоров для разъёма LGA 1156 функциональность северного моста (соединение с видеокартой и памятью) полностью встроена в сам процессор, и следовательно, чипсет для LGA 1156 состоит из одного южного моста, соединенного с процессором через шину DMI.
Создание полноценной вычислительной системы для персонального и домашнего компьютера на базе, состоящих из столь малого количества микросхем (чипсет и микропроцессор) является следствием развития техпроцессов микроэлектроники развивающихся по закону Мура.
В создании чипсетов, обеспечивающих поддержку новых процессоров, в первую очередь заинтересованны фирмы-производители процессоров. Исходя из этого, ведущими фирмами (Intel и AMD) выпускаются пробные наборы, специально для производителей материнских плат, так называемые англ. referance-чипсеты. После обкатки на таких чипсетах, выпускаются новые серии материнских плат, и по мере продвижения на рынок лицензии (а учитывая глобализацию мировых производителей, кросс-лицензии) выдаются разным фирмам-производителям и, иногда, субподрядчикам производителей материнских плат.
Список основных производителей чипсетов для архитектуры x86: Intel, NVidia, ATI/AMD: (после перекупки в 2006 году ATi вошла в состав Advanced Micro Devices), Via, SiS
Микропроцессор (ЦП)- является полным механизмом вычисления.
BIOS (Basic Input-Output System) микросхемы основной системы ввода/вывода.
Технология Dual Bios на материнских платах производства Gigabyte. В случае сбоя основного bios его можно восстановить из резервной микросхемы.
Батарейка CMOS. Служит для хранения настроек BIOS и для поддержания системного времени в актуальном состоянии.
Аудиокодек (англ. Audio codec; аудио кодер/декодер) — компьютерная программа или аппаратное средство, предназначенное для кодирования или декодирования аудиоданных.
Сетевой контроллер (Onboard LAN).
Сетевой контроллер (Onboard LAN) представляет собой отдельную микросхему. Как и в случае с аудио кодеком при выходе из строя может сильно греться. Ремонтируется так же заменой или демонтажем.
Иногда, при неисправности внуренней сетевухи или звуковухи компьютер может не стартануть вводя в ступор южник. Можно починить материнскую плату просто отпаяв микросхему и как правило с вероятностью 80% компьютер заводится и тогда отключив в BIOS
сеть и/или звук и вставив внешнюю плату можно пользоваться компьютером без опаски.
Тактовый генератор – электронная схема, производящая тактовый сигнал для синхронизации работы цифровых схем. Такой сигнал может иметь любую форму: и простую прямоугольную, и более сложную. Основными элементами генератора являются резонансная схема и усилитель.
Тактовые сигналы
В электронике, в особенности в синхронных цифровых сетях, тактовый сигнал – это сигнал, имеющий постоянную частоту, два устойчивых состояния (верхнее и нижнее), предназначенных для согласования работы цифровых схем.
Тактовые сигналы создаются тактовыми генераторами. Наиболее распространенной формой тактового сигнала является меандр (сигнал с рабочим циклом 50%). Рабочий цикл – отношение длительности к периоду импульса. Другими словами, это часть периода, в течение которой сигнал активен.
Схемы, использующие тактовые сигналы, могут становиться активными во время переднего фронта, заднего фронта, или, в случае удвоенной скорости передачи данных, переднего и заднего фронтов импульса.
Принцип формирования тактового сигнала
Источником тактовых колебаний является кварцевый кристалл, расположенный в оловянном корпусе. При подаче на кварцевую пластинку напряжения, он начинает совершать механические колебания. Под действием пьезоэлектрического эффекта на электродах кристалла наводится ЭДС. Колебания электротока следуют на генератор, который, собственно, и преобразует их в импульсы.
Генератор тактовых импульсов для компьютера
В компьютере генератор отвечает за синхронную работу всех его устройств: процессора, оперативной памяти, шин данных. Работу процессора при этом можно сравнить с работой часов. Исполнение инструкции центральным процессором осуществляется за определенное число тактов. Точно также функционируют и часы. Такты в механических часах определяются колебаниями маятника.
Производительность процессора напрямую зависит от частоты тактов. Чем больше частота тактов, тем больше инструкций процессор способен выполнить за определенный промежуток времени. Одна команда или инструкция может выполняться процессором за часть такта или за несколько сотен тактов. Общая тенденция современного развития компьютерной техники заключается в снижении количества тактов, выделяемых для выполнения одной простейшей инструкции.
Оверклокинг
Особый интерес тактовый генератор процессора представляет для оверклокеров. К оверклокерам относят специалистов в области компьютерных технологий и просто любителей, стремящихся повысить производительность своей техники. В настоящее время оверклокинг доступен даже простым пользователям. Для изменения настроек компонентов компьютера иногда достаточно просто зайти в BIOS.
Прежде всего необходимо ответить на вопрос: за счет чего будет повышаться производительность? Здесь все очень просто. Производители компьютерных комплектующих для повышения надежности своих компонентов закладывают в них технологический запас. Именно этот запас и привлекает любителей выжать максимум из своего компьютера.
Одним из способов разгона компьютера будет замена кварцевого резонатора на кристалл, имеющий более высокую частоту. Или, например, можно убрать дополнительные элементы в виде делителей частоты из схемы генератора.
В современных компьютерах генераторы, как правило, реализуются на одной интегральной схеме. Значения тактовой частоты и множителя процессора, как уже было отмечено выше, можно изменить непосредственно из BIOS.
Начинающие оверклокеры нередко задаются вопросом, как определить модель тактового генератора. Программными средствами это сделать невозможно. Остается только открывать системный блок и искать генератор визуально.
С другой стороны, программным способом определяется модель материнской платы (AIDA64, Everest и другие). Затем для данной модели ищется подробная инструкция, а в ней вполне возможно будет найти информацию о названии генератора. А как узнать для тактового генератора значение тактовой частоты, установленное по умолчанию, и значение после разгона? Эти сведения также можно почерпнуть из инструкции для материнской платы.
Основные элементы
В качестве резонансной схемы генератора часто выступает кварцевый пьезо-электрический возбудитель. В то же время могут использоваться более простые схемы параллельного резонансного контура и RC-цепь (схема состоящая из конденсатора и резистора).
Генератор может иметь дополнительные схемы для изменения основного сигнала. Так процессор 8088 использует только две трети от рабочего цикла тактового сигнала. Это требует наличия в генераторе тактовых импульсов. И встроенной логической схемы для преобразования рабочего цикла.
По мере усложнения формы выходного синхросигнала в схеме генератора тактовых импульсов могут использоваться смеситель, делитель или умножитель частоты. Смеситель частоты генерирует сигнал, частота которого равна сумме или разности двух частот входных сигналов.
Схема фазовой автоподстройки частоты
Многие устройства используют схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для сравнения фазы сигнала с выхода генератора с фазой частоты и регулировки частоты генератора таким образом, чтобы значения фаз совпали.
На рисунке приведена схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Устройство сравнения фаз (компаратор) имеет 2 входа и 1 выход. В качестве входных сигналов используется сигнал от задающего генератора (сигнал на входе схемы ФАПЧ) и сигнал с выхода генератора, управляемого напряжением (ГУН). Компаратор сравнивает фазы двух сигналов и формирует сигнал ошибки, который следует на фильтр нижних частот (ФНЧ), а с него – на ГУН, управляя его частотой.
Виды тактовых генераторов
1. Генераторы общего назначения
Генераторы общего назначения, как правило, используют схемы ФАПЧ для генерирования выходных сигналов из общей входной частоты. Они для получения опорной частоты используют простые недорогие кварцевые кристаллы. Из сигнала опорной частоты они генерируют выходные тактовые сигналы с низким уровнем дрожания фронта сигнала.
2. Программируемые генераторы
Позволяют изменять коэффициент, используемый делителем или умножителем. Благодаря этому можно выбрать любую из множества выходных частот без изменения аппаратной части.
Применение генераторов синхронизирующих сигналов в сетях SONET
Это тактовый генератор, используемый сетями поставщиков услуг часто в виде встроенного источника сигналов (BITS) для центрального офиса.
Цифровые коммутационные системы и некоторые системы передачи (например, системы синхронной цифровой иерархии SONET) зависят от надежной высококачественной синхронизации. Чтобы обеспечить такое состояние, большинство поставщиков услуг применяют схемы распределения сигналов синхронизации между офисами и реализуют концепцию BITS для обеспечения синхронизации внутри офиса.
На вход генератора тактовой частоты поступают входные сигналы синхронизации, а из выхода следуют выходные сигналы синхронизации. В качестве входных опорных сигналов могут выступать сигналы синхронизации DS-1 или CC (составные сигналы), выходными сигналами также могут быть сигналы DS-1 или CC.
Читайте также: