Česká zemědělská univerzita v Praze

Provozně ekonomická fakulta

Katedra informačních technologií

ZÁKLADNÍ DESKY

1. PŘÍPADOVÁ STUDIE

Obsah

Obsah

Základní charakteristika

Rozdělení základních desek

Formáty

Princip činnosti základní desky

Čipová sada (Chipset)

North Bridge

South Bridge

Současné čipové sady

Sběrnice

Jednotlivé druhy sběrnice

Sběrnice FSB

Sběrnice ISA (AT bus)

Sběrnice EISA

Sběrnice VL bus

Sběrnice PCI

AGP - Accelerated Graphics Port

PCI Express

Sockety – procesorové patice

Stručný popis dnes používaných soketů

AMD - Socket A

AMD - Socket 754 a Socket 939

AMD - Socket AM2

Intel - Sockety 478 a LGA775

I/O PORTY

Sériový port (RS-232C)

USB

FireWire

DIN

PS/2

LPT (Paralelní port)

IDE

Druhy IDE

XT IDE

MCA IDE

(P)ATA IDE

Obrázek č. – schéma ATA IDE radiče

Rozhraní ATA-1

Rozhraní ATA-2

Rozhraní ATA-3

Rozhraní ATA-2 a ATA-3

Rozhraní ATA /ATAPI-4

Rozhraní ATA /ATAPI-5

Rozhraní ATA /ATAPI-6

Rozhraní ATA - 133

SATA IDE (SerialATA)

Napájení

Hlavní verze napájecích konektorů formátu ATX

WTX

Paměť typu Cache

BIOS (Basic Inpus Output System)

Pířklad moderní desky

Gigabyte GA-G1975X

Seznam tabulek

Seznam obrázků

Literatura

Základní charakteristika

Základní deska (anglicky Motherboard nebo Mainboard) je základním prvkem počítače, který propojuje všechny ostatní komponenty počítače. Fyzicky je to několikavrstvá deska plošného spoje s mnoha chipy (integrovanými obvody) a konektory pro připojení vnitřních i vnějších komponent počítače (harddisk, grafická karta, klávesnice, myš, atd).

Základní desku lze označit za páteř počítače a procesor jeho mozek. Dalšími nezbytnými interními periferiemi pro běh standardního počítače potom jsou paměť, grafický adaptér a pevný disk. Ve speciálních případech tato mohou některé z těchto periferiích chybět. Naopak zcela běžné je, že je připojeno mnoho dalších, např. zvukové karty, DVD-ROM mechaniky, přídavné řadiče. Mezi hlavní externí periferie patří zmíněná klávesnice, myš a monitor (pokud je na základní desce integrován i grafický adaptér). Ty mohou být dále doplněny o zařízení jako je tiskárna, scanner, modem, apod.

Obrázek č.1 – schéma počítače

Stručná historie

Zřejmě se nedá přesně určit od kdy bychom mohli počítat historii samotných základních desek, protože jejich vývoj šel vždy ruku v ruce s procesory. Standart PC, jak jej jak s úpravami známe dnes, vznikl v roce 1981 vytvořený firmou IBM na procesoru Intel x86. Základní desky dostaly svou podobu až o dva roky později, kdy Intel uvedl formát AT. Dnes rozšířené desky typu ATX vyvinul Intel v roce 1995.

Obrázek č.2 - Základní deska typu ATX

Rozdělení základních desek

Primárně dělíme desky podle toho s jakým procesorem pracují. Z hlediska dnešního trhu je to mezi procesory výrobců Intel a AMD. Tito výrobci zaujímají 99% Podle toho s jakým procesorem deska pracuje, je potom osazena danou čipovou sadou a také paticí (dríve i slotem). Pro každou řadu procesorů existuje adekvátní řada čipových sad.

Druhý způsobem dělení desek je podle jejich formátu. Odlišný formát neznamená pouze jinou velikost, ale i zásadní změny na architektuře desky. Desky se liší ve více parametrech, jako je například rozmístění konektorů, obvodů, zkráceně jednotlivých prvků na desce. V tabule jsou uvedeny základní dnes používané nebo přicházející formáty.

Formáty

Dnes suverénně nejpoužívanějším je formát ATX, který nalezneme ve většině domácích a kancelářských PC. Po neúspěchu Intel s jeho formátem BTX (není kompatibilní s běžně dostupnými skříněmi), který se dnes používá spíše výjimečně (např. desktopy Optiplex řady 600 firmy Dell), se rozhodlo AMD prosadit nový formát DTX. Ten jak už velikost napovídá bude určen především do menších tzv. barboone PC. Ty se začínají pomalu stávat základem pro audio-video centrum obývacích pokojů.

Formát ATX přinesl přemístění procesu z prostoru dnešních PC slotů do horní časti desky, kde bylo možné zajistit lepší proudění vzduchu a tím i chlazení. S příchodem Pentií v roce 1993 bylo již jasné, že stávající řešení nemůže dostatečné chlazení zajistit. Základní desky a zdroje byly také přizpůsobeny funkci Soft Power, která změnila způsob práce vypínače a umožnila například operačnímu systému přímé vypnutí počítače. Spolu se základní deskou prošel deskou tak prošel změnami i zdroj ze kterého mimo jiné zmizela zásuvka pro monitor. Jeho napájení je dnes řízeno detekcí napětí na VGA/DVI kabelu.

Tabulka č.1 – Formáty desek^[

Trpaslíkem mezi všemi formáty je Mini-ITX, kterou vyvinula firma VIA pro své řešení VIA Eden a počítá s miniaturním zdrojem o výkonu pouhých 50 W . Na desce o velikosti 17 × 17 cm, je integrován procesor i grafická karta a nabízí jen jeden slot PCI a dva sloty pro paměti.

Obrázek č.3 a č.4 - Umístění procesoru na desce AT (vlevo) a ATX (vpravo)

Princip činnosti základní desky

Základní deska slouží, jak již bylo uvedeno, pro připojení periférií, tvoří tedy kostru počítače. Zároveň musí zajišťovat komunikaci mezi jednotlivými periferiemi počítače. Přenos dat, signálu mezi jednotlivými částmi počítače zajišťují tzv. sběrnice. Fyzicky je sběrnice soustavou vodičů. Podrobněji se o sběrnicích (fungování, typech) zmíníme později.

O komunikaci mezi jednotlivými částmi a spoluprací periferií počítače se stará čipová sada (tzv. chipset). Chipset je jádrem základní desky a skládá se ze dvou modulů – horního tzv. North Bridge a jižního tzv. South Bridge. Dalo by se tedy říct, že sběrnice jsou dopravní cesty mezi jednotlivými komponenty a chipset je pak dispečerem provozu po těchto cestách.

Obrázek č.5 – Princip propojení periferií na desce s chipovou sadou Intel BX

Čipová sada (Chipset)

Chipset je tedy jádrem základní desky. Pro každý typ desky, dělených podle typu procesoru, pro který je deska vyrobena, existuje více druhů čipové sady. Čipová sada ovlivňuje, není to ovšem nijak zásadní, výkonnostní profil počítače, dále pak limituje parametry komponent, periferií. Z toho vyplývá, že i chipset má svůj vliv na rychlost počítače.

Jednotlivé části mají tyto funkce: North Bridge (System Controller = systémový řadič) a South Bridge (Peripherial Bus Controller = řadič periférií).

North Bridge

South Bridge

Obrázek č.6 - North Bridge a South Bridge

North Bridge

Systémový řadič je blíže procesoru a má na starosti rychlé přesuny dat mezi klíčovými částmi počítače. K procesoru je připojen pomocí největší sběrnice a to tzv. FSB – Front Size Bus, čímž zajišťuje všechna jeho spojení, jeho spolupráci s ostatními částmi základní desky a i počítače jako takového.

Dále se k North Bridge připojuje sběrnice AGP, kterou využíváme pro výkonné grafické karty a paměťová sběrnice. Všechny tyto uvedené sběrnice mají vysoké nároky na rychlost přenesení dat, na frekvenci, a to je hlavní důvod, proč jsou tedy připojeny k North Bridge.

South Bridge

Řadič periferií je druhou částí chipsetu a na rozdíl od systémového řadiče zajišťuje, resp. se stará o připojení periferií k základní desce. Standardně je mezi South Bridge a North Bridge sběrnice PCI. Stejná jako je, vede k PCI slotům. Její nevýhodou ovšem je, že není příliš rychlá.

K řadiči periférii se především připojují pevné disky. Z toho je patrné, že rychlost čtení z pevných disků nezávisí pouze na jejich parametrech, ale svou roli v tom hraje i South Bridge, resp. celý chipset. Dále se připojuje paralelní a sériové rozhraní, porty (LPT a COM), USB rozhraní, porty (Universal Serial Bus). Navíc ještě South Bridge zajišťuje služby BIOSu.

Současné čipové sady

Mezi nejznámější výrobce chipsetů v současnosti patří firmy Intel, VIA, nVidia, ATI, SiS a již také AMD. Intel jako jediný vyrábí čipové sady pouze pro své procesory. Ostatní výrobci se snaží pokrýt celý trh, vyrábějí tedy i čipové sady pro firmu AMD. Intel se snaží své chipové sady vytváření kompatibilní se staršími typy procesorů oproti tomu AMD poslední dobou mění nejen že neudržuje zpětnou kompatibilitu sad, ale často mění i patice pro procesory.

Pokud jde o oblast čipových sad, tak lze rok 2004 podle dvou význačných událostí. Ta první se stala 21.6.2004 a jednalo se o dopředu dlouho avizované vypuštění čipových sad série i915 a i925X pro platformu Intel. Tyto čipové sady s kódovými značeními Grantsdale (série i915) a Alderwood (i925X) s sebou totiž jako první přinesly do praxe rozhraní PCI Express na což všichni zainteresovaní výrobci následovali, ať už šlo o grafické čipy nebo čipové sady.

Obrázek č.7 – Čipová sada Intel P965

Vedle sběrnice PCIe přinesly také jako první podporu pro paměťový standard DDR II (o frekvenci 400 a 533MHz), což bylo mnohými uživateli Intelu vyčítáno, protože zejména ze začátku byly příslušné paměťové moduly výrazně dražší, než kapacitou srovnatelné moduly typu DDR první generace s tím, že výkon nijak vyšší v podstatě ani nebyl (díky o poznání vyšším latencím u prvních modulů DDR II). Proto byly uvedeny i mainstreamové varianty i915P/G/GV podporují i paměťové moduly DDR první generace a bylo tedy ponecháno na rozhodnutí výrobců základních desek, který standard využijí (někteří u svých vybraných modelů umožnili spolupráci s oběma typy). Dále se s touto generací čipových sad objevil také nový způsob usazování intelovských procesorů v podobě LGA775, kdy procesory namísto nožiček obsahují pouze kontaktní plošky a na manipulaci citlivá část tak byla přenesena na základní desky.

V roce 2005 Intel uvedl novou High-Endovou čipovou sadu i975X, která jako první od Intelu nabízí oficiální podporu pro souběžný provoz dvou grafických karet. Tím vytrhl nVidii toto privilegium, které doposud měla. Navíc společně s i975X přišly i nové 65nm procesory. Tato moderní sada má ale zásadní slabinu – nepodporuje procesory Intel Dual Core, které se po roce vydaní drží na vrcholu popularity. Proto musela vzniknout nová ( i když méně výkoná) chipová sada i965P. Posléze byla chyba napravena revizí i975X, která již dvoujádrové procesory podporuje. Odpovědí nVidie na Intelovskou i975 je nForce 650 SLI, která má dnes již nástupce nForce 680 SLI.

Obrázek č.8 – nVidia nForce 650i SLI

Na poli procesorů AMD jsou hlavními rivaly ve výrobě chipový sad již zmíněná nVidia a ATI. ATI bylo nedávno koupeno společností AMD a je možné předpokládat podobnou politiku jako vede Intel, tedy že vývoj nových sad bude již pouze pro procesory AMD.

Obrázek č.9 – Schéma moderní chipové sady nVidia n Force 680i SLI

Sběrnice

Sběrnice (bus) je fyzicky soustava vodičů, která umožňuje přenos signálu mezi jednotlivými částmi počítače. Těmito vodiči mezi sebou jednotlivé časti počítače komunikují a přenášejí data. Zařízení jako jsou procesor, koprocesor, cache (dnes je již integrovaná v procesoru), operační paměť a některá další zařízení jsou propojena systémovou sběrnicí (CPU bus). Počítače jsou konstruovány tak, aby nebyl problém je rozšířit o některá další zařízení - např. zvukové karty, síťové karty, řadiče disku apod. Takovéto rozšiřování je velmi často realizováno pomocí rozšiřující sběrnice (často pojmenovávané jen jako sběrnice), na kterou se jednotlivá přídavná zařízení připojují.

Sběrnice je tedy tvořena vodiči a to přesněji třemi typy – datovými, řídícími a adresovými. Po datových jsou posílány konkrétní data, která chceme přenést, resp. se mají přenést. Adresovými vlastně „voláme“, adresujeme určité zařízení a počítače a konečně řídícími říkáme, jestli se mají data číst nebo psát.

Obrázek č.10 – princip sběrnice

V souvislosti se sběrnicemi je třeba ještě zmínit termín IRQ (žádost o přerušení) a její úrovně.

^IRQ (Interrupt Reguest) Levels (úrovně žádosti o přerušení) jsou využívány některými zařízeními pro přerušení činnosti CPU. V okamžiku, kdy je takové přerušení vyvoláno, CPU přeruší svou dosavadní činnost a zavede obslužný program, který žádost o přerušeni vyřídí. Tento mechanismus je nutný, protože některé akce v počítači nesnesou odklad a v okamžiku, kdy by se k nim procesor dostal, by mohlo být pozdě. Například při stisku klávesy na klávesnici je vyvoláno přerušení IRQ L Pokud by klávesnice nevyužívala tohoto mechanismu, vzniklo by velké riziko, že dříve než procesor (zaměstnaný jinou činností) zaregistruje stisk této klávesy, dojde ke stisku klávesy jiné a tím k zapomenutí první klávesy. DMA (Direct Memory Access) Channels (kanály přímého přístupu do paměti) jsou mechanismy využívané některými nařízeními (zvukovou kartou, CD - ROM mechanikou apod.) k přenosu dat do a z paměti bez účasti procesoru počítače.

Příčiny přerušení:

Ø      programové přerušení (přeplnění, nepřístupný operační znak, nesprávná adresa)

Ø      technické přerušení (výpadek napájení, porucha technického vybavení)

Ø      I/O přerušení od periférie (reprezentuje informaci, že nějaká periférie změnila stav)

Ø      vnější přerušení (příchod signálu na tzv. přerušovací vstupy procesoru)

Ø      instrukční přerušení (pomocí specifických instrukcí)

Jednotlivé druhy sběrnice

Sběrnice FSB

FSB je zkratka z anglického Front Side Bus. FSB je systémová sběrnice, která propojuje procesor a operační paměť. Její frekvence tedy výrazně ovlivňuje výkon celého systému, neboť čím je tato frekvence vyšší, tím je dosaženo většího datového toku. Aby byla zaručena homogennost frekvence, je tato sběrnice řízena quartzovým krystalem (stejný jako najdeme v hodinkách typu Quartz).

U sběrnic pro novější procesory od společnosti Intel se používá takzvaný Quad Pumped Bus přenos. To znamená, že jsou během jednoho cyklu jsou přeneseny čtyři signály a potom si jednoduchým výpočtem stanovíme frekvence FSB:

• 4x100MHz = 400MHz
• 4x133MHz = 533MHz
• 4x200MHz = 800MHz
• 4x266MHz = 1066MHz
• 4x333 MHz = 1333MHz

U novějších procesorů od AMD (počínaje modely Duron a Athlon) se začal používat přenos DDR, to znamená průchod dvou signálů za jeden cykl. Potom jednoduchým výpočtem vznikají následující 'marketingové' frekvence FSB:

• 2x100MHz = 200MHz
• 2x133MHz = 266MHz
• 2x166MHz = 333MHz
• 2x200MHz = 400MHz

Sběrnice ISA (AT bus)

ISA znamená Industry Standard Architecture. Jedná se o dnes již nepoužívaný typ sběrnice, který se objevil s příchodem procesoru 80286 z toho důvodu, že PC bus již nedostačoval a omezoval výkon celého počítače. Tato sběrnice měla 16bitovou šířku datové sběrnice a 24bitovou šířku adresové sběrnice. Byla kompatibilní tak, že uživatel mohl používat přídavné karty pro PC bus i v počítači se sběrnicí ISA.

Sběrnice EISA

EISA znamená Extended Industry Standard Architecture. Má vyšší výkon než ISA, ale zároveň je s ní kompatibilní. Na trh uvedena v roce 1989 a dnes se již také nepoužívá. Šířka její datové sběrnice byla 32 bitů a šířka její adresové sběrnice taktéž 32 bitů. Z důvodu kompatibility s ISA pracovala na frekvenci 8Mhz. Sběrnice EISA byla používána hlavně u počítačů s procesory 80386 a 80486.

Co se týče slotu, tak slot sběrnice EISA měl stejnou velikost jako slot ISA a obsahoval tedy i stejné vývody (62+36). Kromě těchto vývodů měl ještě 59 nových vývodů situovaných mezi starými vývody sběrnice ISA. Tyto nové vývody zůstávaly v případě zasunutí karty pro ISA sběrnici nezapojeny, čímž se dosahovalo zpětné kompatibility EISA s ISA.

Obrázek č.11 – Vývody typu ISA a EISA

Sběrnice VL bus

VL bus znamená VESA (Video Electronic Standards Association) Local bus. Sběrnice VL bus (VESA Local Bus) byla navržena v roce 1992 konsorciem VESA a jednalo se o klasickou lokální sběrnici. Šířka sběrnice pro přenos dat i adresy byla 32 bitu. Podporovala maximálně 3 přídavné sloty a platí, že čím více bylo zasunutých karet na sběrnici VL bus, tím menší byla maximální možná frekvence, se kterou mohla sběrnice pracovat. Teoretická mez VL busu byla 50 MHz a při třech obsazených slotech bylo prakticky možné, aby pracovala s frekvencí 33 Mhz.

Mezi nevýhody VL busu oproti PCI sběrnici patřila silná procesorová závislost způsobená přímým zapojením slotu VL busu na systémovou sběrnici. Tato závislost nedovolovala de facto použít VL bus v jiném počítači, než byl počítač s procesorem Intel nebo kompatibilním. Sběrnice VL byla vyráběna a dodávána na základní desce vždy se sběrnicí ISA, protože při své práci využívala některých jejích signálu. Touto skutečností byla zajištěna její kompatibilita s ISA, ale i její neoddělitelnost od sběrnice ISA Konektor VL busu se nachází v jedné řadě za 16bitovým konektorem ISA a má 2x58 vývodu.

Všechny tyto tři sběrnice (které jsme zatím uvedli) se již dnes nepoužívají, resp. základní desky s těmito sběrnicemi se už nevyrábí.

Sběrnice PCI

PCI znamená Peripheral Component Interconnect a narozdíl od dříve uvedených typů sběrnice se stále používá na současných deskách, i když je pravda, že poslední rok tento druh sběrnice začíná vytěsňovat PCI Express. Avšak stále se ještě na nových základních deskách vyskytuje. Ještě před nedávnem (cca. 2, 3 roky zpět) byla nejpoužívanějším typem sběrnice pro počítače PC.

PCI byla vyrobena firmou Intel pro počítače s procesory Pentium. Není již lokální sběrnicí jako např. VL bus, ale je připojena k systémové sběrnici přes tzv. mezisběrnicový můstek. To přináší některé výhody, např. že můstek umožňuje provádět přizpůsobování napěťových úrovní nebo že sběrnici PCI můžeme využít i v jiných typech počítače, nejen v PC, např. u počítačů MacIntosh.

Sběrnice PCI (máme na mysli první typ sběrnice PCI, PCI – 33) má šířku datové sběrnice 64 bitů, čímž plně využívá (resp. dnes už využívala) šířku datové sběrnice Pentia (také 64b). Pro starší procesory, pro procesor 80486, dovolovala přenos o šířce 32 bitů. Maximální frekvence sběrnice PCI je 33Mhz, což v praxi znamená, že propustnost sběrnice má hodnotu 264MB/s (při šířce datové sběrnice 64b). Stejně tak, jako sběrnice VL bus, umožňuje tzv. burst režim, což znamená, že se vyššího výkonu dosahuje redukcí přenášených položek (např. adres), ale narozdíl od VL bus není shora omezen počtem čtyř taktu. Stejně tak jako EISA (ovšem narozdíl od VL bus) sběrnice PCI podporuje dále tzv. busmastering, což umožňuje vyšší výkon počítače, protože přenosy řízené procesorem počítače vyžadují spoustu času. Dále podporuje standard Plug and Play, který dovoluje snadnou konfiguraci karet pro PCI, případně tedy i jejich automatickou konfiguraci bez jakéhokoli zásahu uživatele. Tato sběrnice se používala, či stále ještě používá u počítačů s procesorem 80486 a dále u počítačů s procesory Pentium a vyšší.

Tabulka č.2 - Přehled konfigurace jednotlivých typů PCI sběrnic^[

AGP - Accelerated Graphics Port

AGP = Accelerated Graphics Port. Jedna se o specializovanou sběrnici určenou pro připojení 3D grafického akcelerátoru, pro připojení výkonných grafických karet. Tudíž i tato sběrnice je vysoce výkonná. Tato sběrnice je rozšířením sběrnice PCX AGP. Ovšem to neznamená, že by nahrazovala sběrnici PCI. Jde totiž pouze o rychlý port, který je fyzicky, logicky i elektricky zcela nezávislý na PCI. Byl vyvinut pro jediný účel, resp. pro připojení jediné komponenty a to 3D grafického akcelerátoru. Ostatní zařízení se připojují na sběrnici PCI. Konektor AGP používá nový konektor, který není kompatibilní s PCI a proto tedy PCI a AGP karty jsou nezaměnitelné.

3D akcelerace klade vysoké nároky na přenos dat z operační paměti. S rozvojem 3D hardware i software byla stále častější nutnost přistupovat k částem paměti obsahující základní stavební prvky 3D zobrazení. Zvýšením přenosové rychlosti mezi grafickým akcelerátorem a operační pamětí mohla být některá data (textury) efektivně přesunuty z relativně drahé grafické paměti do levnější operační paměti. To tedy přineslo i snížení ceny grafického subsystému, což je kromě vysokého výkonu jeden z hlavních cílů AGP.

Nejen textury ale mohou být přenášeny do operační paměti. Ale existuje několik důvodů, proč právě textury mají nejlepší výsledky. Zde jsou ty důvody:

^{Textury slouží pouze ke čtení a proto tedy nevyžadují speciální přístupy (např. pro zajištění koherence dat)}

^{Přesunem textur dojde k vyvážení zátěže mezi operační a grafickou pamětí}

^{Odpadá počáteční načítání textur do grafické paměti a při vlastním zobrazení jsou používány obě paměti současně. V porovnání s vykreslováním, z-bufferem představují textury největší objem dat}

^{Velikost textur je závislá na kvalitě zobrazení nastavené v aplikaci a ne na nastaveném rozlišení a proto se velikost textur neustále zvyšuje}

^{AGP sběrnice je navržena jako rozšíření 66Mhz PCI sběrnice o 3 výkonnostní rozšíření:}

^{o         Velmi zřetězené operace čtení a zápisu}

^{o         Demultiplexing adres a dat na sběrnici}

^{o         Přenos dat při každé hraně (vzestupné i sestupné). Zvyšuje kmitočet na 133 Mhz a dovoluje tak průchodnost dat okolo 500MB/S}

AGP se v současné době již na nových deskách nevyskytuje a je nahrazována sběrnicí PCI Express.

PCI Express

PCI Express můžeme označit za nástupce sběrnice PCI. Nenahrazuje ovšem pouze tuto sběrnici, ale také AGP. V současnosti na nových deskách PCI najdeme, kdežto AGP již, dá se říct „odzvonilo“.

Řekněme si, co vedlo, jaké byly příčiny  vyvinutí této sběrnice. Periferní zařízení počítačů zaznamenávaly (a stále zaznamenávají) v posledních letech nebývalý rozvoj. Ten byl hnán neustálým tlakem na zvyšování a zkvalitňování toku dat v uživatelských aplikacích. Dnešní aplikace nepožadují pouze vysokou přenosovou rychlost, ale také tzv. quality of service, což znamená, že data musí být v určitý čas přístupná pro zpracovaní. Příkladem může byt typické trhání videa při přehrávání, kdy počítač má dostatek systémových prostředků, ale nemá přístup k právě požadovaným datům. Pro splnění těchto náročných požadavků se v roce 1999 začala formovat skupina firem IBM, HP a Compaq pod vedením firmy Intel. V té době byla vytvořena specifikace '3GIO (Third Generation Input and Output) ARCHITECTURE' tedy třetí generace vstup-výstupních zařízení. Dnes je specifikace známa pod obchodním názvem PCI Express. Specifikaci zastřešuje skupina PCI-SIG, tak jako všechny předcházející specifikace PCI a PCI-X.

PCI Express svým návrhem vychází ze standardního PCI, avšak výrazně zvyšuje přenosové rychlosti, konkrétně umožňuje přenos 16 GB/s při použití 32 paralelních komunikačních linek. To je dostatečná rychlost pro výkonné grafické karty, gigabitový Ethernet, InfiniBand či druhou verzi FireWire (FireWire = alternativa k USB, slouží k přenosu vysokoobjemových dat).

Tabulka č.3 - Přehled přenosových rychlostí sběrnice PCI Express^[

PCI Express Link reprezentuje komunikační kanál mezi dvěma zařízeními sběrnice PCI Express. Základní PCI Express Link je sestaven ze dvou nízkonapěťových diferenciálních párů a to přijímacího a vysílacího komunikačního páru označovaného jako Lane. Činnost vysílače i přijímače je na sobě nezávislá a Link tvoří plně duplexní komunikační kanál.

Obrázek č.12 – PCI Express Link

Rozměry přídavných karet by měly splňovat některá omezení, co se týče maximálních rozměrů. Karty připojované pomocí kabelů mohou mít jiné rozměry a uspořádání.

Využití sběrnice PCI Express přináší zvýšení propustnosti dat v oblasti počítačů PC, zmenšení rozměrů karet, zjednodušení návrhu plošných spojů a sjednocení různých platforem, jako jsou síťové karty, grafické karty a komponenty přenosných počítačů. Dále specifikace umožňuje připojovat zařízení pomocí kabelů, což vede k vysoké univerzálnosti standardu (nepředpokládá se nahrazení rozhraní SerialATA).

Sockety – procesorové patice

V dřívějších dobách byl procesor napevno připájen na desce. Jak se tempo vývoje zrychlovalo, nastala potřeba procesor rychle a snadno vyměnit za novější a tak vznikly patice. Patice sama o sobě je tedy mechanický prvek na desce, který k ní připevňuje procesor, případně slouží i jako opora pro chladič procesoru. Patice se přizpůsobuje vývoji chipsetů a procesorů. Podle typu procesoru má určité rozměry a počet otvorů pro kontakty procesoru.

Tabulka č.4 – Přehled patic používaných v posledních 25 letech^[

Stručný popis dnes používaných socketů

AMD - Socket A

Jedná se o patici základní desky určenou pro procesory AMD. Socket A (také nazývaný Socket 462 podle počtu pinů) spatřil světlo světa v červnu roku 2000. Základ tvoří sběrnice FSB a North Bridge. FSB je taktována na frekvenci 100, 133, 166 nebo 200 MHz.

AMD - Socket 754 a Socket 939

Socket 754 a jeho pokračovatel socket 939 jsou moderní základnou pro procesory Athlon 64 a z něj odvozené. Socket 754 byl uveden 2003, kdy sloužil jako základ Athlonů 64. Postupně se z něj stává alternativní sada pro levnější řadu Sempron a Athlony 64 na něj již přestávají být dostupné. Druhý jmenovaný - socket 939 - byl uveden v létě 2004 a je určen pro výkonné modely: řady Athlon 64, hráčský Athlon 64 FX a konečně také dvoujádrový Athlon 64 X2 určený pro tzv. prosumers (professional consumer).

Sockety 754 a 939 vnáší do oblasti PC revoluční architekturu. Klasické uspořádání (Procesor - FSB - čipset - řadič pamětí) je zde postaveno na hlavu. Řadič pamětí je umístěn přímo v procesoru. Při komunikaci s pamětí se data nepřenáší přes pomalou sběrnici FSB, což umožňuje dosahovat zlomkových latencí při přístupu do paměti.

AMD - Socket AM2

Socket AM2 je upravený socket 939 o zásadní vlastnost a tou je podpora DDRII pamětí. Bohužel kvuli tomu musela být upravena i architektura samotného procesoru a tím i jeho patice.

Obrázek č.13 – Socket 939

Intel - Sockety 478 a LGA775

Sockety 478 a LGA775 jsou základnou pro procesory z dílny Intelu - tedy pro Celerony, Celerony D, Pentia 4, Pentia 4 eXtreme Edition, Pentia D a Pentia eXtreme Edition. Základním rozdílem mezi oběma sockety je to, že LGA775 je novější a připravený pro extrémní proudové odběry - procesory do něj pasující nemají klasické piny, nýbrž patice v základní desce má jakési kuličky, které pak zapadnou do důlků v procesoru. To má menší odpor a umožňuje přenášet obrovské proudy. Dalším rozdílem je to, že LGA775 je připraven na 64bit rozšíření a dvoujádrové procesory.

Obrázek č.14 – Socket LGA 775

I/O PORTY

Obrázek č.15 – I/O porty

Sériový port (RS-232C

Standard pro sériovou komunikace RS-232 byl přijat organizací EIA (Electronic Industries Association) už v roce 1962. RS-232 umožňuje propojení a sériovou komunikaci dvou zařízení, tzn. že jednotlivé bity přenášených dat jsou vysílány postupně v sérii po jediném vodiči. Jeho poslední varianta (RS-232C z roku 1969) sloužila u osobních počítačů převážně pro připojení myši a modemu. Dnes se sériové rozhraní RS-232 u osobních počítačů téměř nepoužívá na rozdíl od průmyslu, kde je díky svým specifickým vlastnostem tento standart velmi rozšířen (především v modifikacích RS-422 a RS-485).

USB

Univerzální sériová sběrnice (USB - Universal Serial Bus) nahrazuje dříve používané způsoby připojení periférií jako např. sériový a paralelní port, PS/2, GamePort apod. Používá se jak pro běžné druhy periférií (klávesnice, myši, tiskárny, modemy atd.), tak i pro přenos dat (z fotoaparátů, videokamer, externích disků a vypalovacích mechanik, MP3 přehrávačů).

Obrázek č.16- USB (Typ A a B) konektor

USB vzniklo ze spolupráce firem Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, NEC a Philips a bylo standardizováno v roce 1995 a v revizi 2.0 v roce 2000 (jako reakce na FireWire). Podle této specifikace lze sběrnici provozovat v několika režimech rozdělených podle maximálně dosažitelné přenosové rychlosti.

Tabulka č.5 – verze USB a jejich rychlosti

Základní vlastnosti USB:

- přenosová rychlost od 1,5 Mbps do 480 Mbps

- komunikační vzdálenost do 5 m

- možnost připojení více zařízení

- rozhraní obsahuje 5 V napájení

- lze připojit až 127 zařízení pomocí jednoho typu konektoru

- USB zajišťuje správné přidělení prostředků (IRQ, DMA, )

- konektivita Plug-and-Play

FireWire

FireWire bylo vyvinuto firmou Apple a na konci roku 1995 přijato IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) jako standard IEEE 1394. Mělo sloužit jako sériová náhrada paralelní SCSI sběrnice, ale v dnešní době se používá zejména na připojení digitálních videokamer externích datových nosičů.

Obrázek č.17 – FireWire (Typ A a B)

Přenosové rychlosti u první verze IEEE 1394 (FireWire 400) byly 100, 200 a 400 Mbps a maximální délka kabelu 4,5 metru. Druhá verze (FireWire 800) představená firmou Apple v roce 2003 dosahuje přenosové rychlosti až 800 Mbps při délce kabelu až 100 metrů.

Mezi jednu z výhod FireWire (oproti USB) patří možnost propojovat jednotlivé periférie do stromové struktury bez nutnosti hubů; tak můžeme navzájem propojit až 63 zařízení (pro větší množství je již potřeba bridge).

Základní vlastnosti FireWire:

- přenosová rychlost až 800 Mbps

- komunikační vzdálenost až 100 m (FireWire 800)

- možnost připojení až 63 zařízení bez nutnosti hubu

- isosynchronní vysokorychlostní přenos dat

- napájení až 30 V na port

- konektivita Plug-and-Play

DIN

5pinový DIN konektor používaný k připojení klávesnice byl standardizován Německou národní standardizační organizací DIN (Deutsches Institut für Normung). Na moderních počítačích však byl na zcela nahrazen konektorem PS/2 resp. USB.

PS/2

Konektor PS/2 je používán pro připojení klávesnice a myši k počítači. Jméno pochází z počítače IBM Personal Computer/2 uvedeného společností IBM v roce 1987.

Konektor PS/2 nahrazoval sériový (RS-232) sloužící pro připojení myši a 5pinový DIN konektor pro připojení klávesnici. Dnes je ale nahrazován USB a tak se s ním na mnoha počítačích už nesetkáme.

Obrázek č.18 – PS/2

LPT (Paralelní port)

Název paralelní vychází z toho, že paralelní porty mají 8 vývodů pro současné vysílání jednotlivých bitů, tvořících 1 bajt. Paralelní porty byly většinou využívány pro připojování tiskáren k počítači, což bylo původně jejich jediné předpokládané využití (porty byly jednosměrné, sloužily pouze k vysílání dat). Později byly vyvinuty paralelní porty modemové umožňující vysílání i příjem dat. Počítač s periferií lze propojit na vzdálenost 2 m, při správném stínění komunikačního kabelu můžeme dosáhnout vzdálenosti až 5 m.

Stejně jako i některé dříve zmíněné konektory je i LPT dnes nahrazováno modernějšími typy jako je USB a FireWire.

IDE

IDE (Integrated Drive Electronics) je obecný název diskové jednotky se zabudovaným řadičem. U PC AT bylo rozhraní IDE, které je určeno pro pevné disky a pro floppy mechaniky, na samostatné přídavné kartě. V současné době se rozhranní IDE - ( Integrated Drive Electronics ) integruje na mainboard. Jedná se však jen o tzv. hostitelské adaptery, protože řadiče jsou integrovány do mechanik a pevných disků.

Obrázek č.19 – porty ATA IDE

Druhy IDE

XT IDE

Původní IDE standard navržený pro 8bitovou ISA sběrnici v počítačích PC XT.

MCA IDE

Clastní standard společnosti IBM vyvinutý speciálně pro jejich 16-bitovou MicroChannel Architecture sběrnici použitou v počítačích IBM PS/2. Díky neúspěchu řady počítačů IBM PS/2 však prakticky zanikla.

(P)ATA IDE

Název ATA je zkratkou (Paralel) AT Attachment, rozhraní vyvinutého pro AT počítače IBM. Na jeden kabel lze připojit dvě jednotky a vztah jednotlivých zařízení (Master/Slave) je určen buď pomocí propojky (jumperu) na zařízeních nebo pozicí na kabelu a speciálním vodičem CSEL.

Obrázek č.20 – schéma ATA IDE radiče

Rozhraní ATA-1

• využívá kabel s 40 nebo 44 vodiči
• kapacita disku byla omezena na 528 MB ( 63 sektorů, 16 hlav, 1023 cylindrů )
• možnost připojení dvou disků na jeden řadič Master/Slave nebo Cable Select
• režim DMA - přímý přístup do paměti ( data jsou přesunována přímo do paměti bez nutnosti řízení procesorem )
• rychlost přenosu 8 MB/sec

Rozhraní ATA-2

• podporuje vyjimatelné zařízení
• definuje překlad CHS/LBA ( Cylinder Head Sector / Logical Block Address ) umožňující správu disků do 8,4 GB
• rychlejší přístup DMA
• rychlost přenosu 16 MB/sec

Rozhraní ATA-3

• přidána technologie S.M.A.R.T ( Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology )
• vyřazení 8 bitových protokolů DMA
• rychlost přenosu 16 MB/vteřinu

Rozhraní ATA-2 a ATA-3

• jsou označována jako Enhanced IDE. Tato verze již umožňovala připojení až čtyř disků IDE na jeden řadič.

Rozhraní ATA /ATAPI-4

• nová technologie ATAPI ( AT Attachment Packet Interface ), která umožňovala připojení libovolné mechaniky ( CD-ROM, ZIP, páskové mechaniky apod. )
• volitelný 40ti žilový nebo 80ti žilový kabel
• správa disků umožňuje pracovat s disky do kapacity 128 GB
• rychlost přenosu 33 MB/sec - režim Ultra-DMA

Rozhraní ATA /ATAPI-5

• povinný 80ti žilový kabel
• standard podpory signalu Cable Select (modrý konektor na mainboard, černý na zařízení - MASTER, šedý na SLAVE )
• rychlost přenosu 66 MB/sec - režim Ultra-DMA

Rozhraní ATA /ATAPI-6

• povinný 80ti žilový kabel
• rychlost přenosu 100 MB/sec- režim Ultra-DMA

Rozhraní ATA - 133

• povinný 80ti žilový kabel
• správa disků umožňuje pracovat s disky nad kapacitu 128 GB ( fy Maxtor )
• rychlost přenosu 133 MB/sec - režim Ultra-DMA

SATA IDE (SerialATA)

Serial ATA ( SATA), jak je již z názvu patrné je rozhraní pracující na bázi sériového přenosu dat. Jak je vidět z obrázku, kabely pro SATA IDE jsou mnohem užší a obsahují pouze čtyři vodiče.

Obrázek č.21 – konektory SATA 1

• Nižším napětím 250mV ( max. 500 mV )
• Nižší náklady na výrobu - kulatý kabel
• Lepší kabeláž pro proudění vzduchu
• Odpadá řazení disků Master/Slave
• Podporuje velké disky ( pomocí nového adresování odpadá hranice 128 GB na HDD - viz kapitola Omezení disků )
• Vyšší přenosová rychlost až 150 MB/sec

Tabulka č.6 – Přenosové módy ATA^[

Tabulka č.7 – Přenosové módy SATA^[

Napájení

V dnešní době převažuje u osobních počítačů formát základní desky ATX (Advanced Technology Extended), který nahradil zastaralý formát AT. Základní desky formátu ATX se liší od AT mimo jiné svým napájením, které je u formátu AT realizováno dvěma šestižilovými kabely a desky ATX jedním kabelem s 20pinovým konektorem.

Základní desky ATX jsou také vybaveny elektronickým ovládáním zdroje. Tlačítkem umístěným na přední straně skříně se pouze aktivuje nebo deaktivuje elektronický obvod, který ovládá napájecí zdroj. Toto řešení nám umožňuje spuštění počítače i jiným způsobem, například po stisku klávesy nebo tlačítka myši, a nebo pomocí modemu či síťové karty (Wake on LAN, Wake on RING).

S nástupem nových a výkonnějších procesorů a jiných komponent byly přidány další pomocné konektory, např. 12voltový 4pinový pomocný konektor u procesoru Pentium 4, 6pinové konektory pro napájení grafických karet na sběrnici PCI Express a další (viz tabulka).

Obrázek č.22 a č.23 – napájení na deskách AT (nahoře) a ATX (dole)

Tabulka č.8 – Hlavní verze napájecích konektorů formátu ATX^[

Paměť typu Cache

Je třeba se zmínit ještě o pamětích cache, které před příchodem integrovaných procesorových cache byly výhradně součástí základních desek. Vyrovnávací paměť cache, slouží k dočasného, velmi rychle pracujícího ukládání mezivýpočtů, a často potřebných dat. Vnitřní struktura paměti cache je vyrobena technologií high-speed static RAM (SRAM), která je o mnoho rychlejší, než DRAM, dražší, a zabírá více místa, proto se cache vyrábějí do velikosti 1 MB Práce přes-cache je více efektivní, protože mnoho programů při nahráváni používá ty samá data nebo instrukce, které zůstávají v cache, a tak umožní mnohem rychlejší přistup a nahrávání, než přes klasickou vnitřní paměť.

Jak už jsme na začátku poznamenali, v současné době jsou cache zabudovány přímo v procesoru, cache integrovaná na základní desce se týká procesorů řady x86 (tedy doby „dávno minulé“).

BIOS (Basic Inpus Output System)

Deska, spojující různé hardwarové komponenty, se musí vždy domluvit s operačním systémem. K tomu jí slouží speciální program BIOS. BIOS obsahuje základní funkce nutné k provozu PC. BIOS je program umístěny v paměti typu ROM (fyzicky pouzdro DIP -integrovaný obvod, zasunutý do patice základní desky). Program BIOS působí jako. 'tlumočník' mezi hardwarem (různých typů a výrobců) a operačním systémem. Jinak řečeno, výstupy BIOSu vzhledem k operačnímu systému jsou přesně definovány, ale vstupy od hardwaru do BIOSu jsou věcí výrobce hardwaru a BIOSu. Díky tomu pracuje operační systém na každém PC. Součástí každého BIOSu program Setup, kterým se nastaví parametry BIOSu podle konfigurace konkrétního počítače.

Jedná se tedy o základní software motherboardu, který provádí především inicializace hardware a volání některých funkcí (toho se využívalo především v DOSu). V zásadě BIOS provádí následující operace:

1. Nastavení clock generátoru (ten vytváří frekvenci pro čipset, procesor, paměti, PCI).
2. Inicializace procesoru nastavením Model Specific Registers a nahráním microcode update.
3. Inicializace čipsetu a ostatních zařízení základní desky nastavením PCI Configuration Registers.
4. Základní testy spolehlivosti.
5. Zobrazování konfiguračních informací uživateli.
6. Nahrání přídavných BIOSů pro řadiče IDE / Serial ATA RAID, síťových karet a jiných zařízení.
7. Další dodatečné činnosti jako ovládání hardware měnícího násobič procesoru, vyhodnocování měření napětí a teplot, zobrazování loga atd.

Obrázek č.24 – Award Bios

Pířklad moderní desky

Gigabyte GA-G1975X

Příkladem dnešní moderní desky může být například tato od Firmy Gigabyte s čipovou sadou i975X a paticí LGA775. V tabulce jsou uvedeny bližší detaily.

Tabulka č.9 - Gigabyte GA-G1975X^[