HET MOEDERBORD

HET MOEDERBORD
Belangrijkste hwcompon in de PC. Processor is het brein, maar het moederbord
en de componenten die erbij horen zoals de chipset, de BIOS, de cache e.d. zijn
essentieel voor de werking van de procesor.
Goed begrip van moederbord draagt dus bij tot begrijpen hoe computers werken.
Moederbord speelt hoofdrol in volgende computersyst-functies :
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
Organisatie hardware
Controle
Communicatie
Processor ondersteuning
Ondersteuning randapparatuur
Performantie
Aanpasbaarheid
1) Organisatie hardware
Verbindingen via connectors van alles met moederbord.
Layout moederbord bepaalt de ganse interne structuur van de PC.
2) Controle
Heeft controle over de chipset en de BIOS programmatuur.
Deze 2 bepalen zowat alle transport van data in de PC.
3) Communicatie
Alle communicatie tussen PC en eventuele randapparatuur verloopt via het
moederbord.
4) Processor ondersteuning
Ook de processor bevindt zich op het moederbord (vast op gemonteerd –
hoewel tegenwoordig ook op processorvoet – zie later).
5) Ondersteuning randapparatuur
Mogelijkheden om randapp aan te sluiten wordt door moederb bepaald.
Type videokaart dat PC aankan is bvb rechtstr afhank van type bus dat het
moederbord gebruikt (mogelijkheden: ISA (8 & 16 bit), VLB, PCI, AGP,
PCI-X, PCI-E(xpress), …).
6) Performantie
Prestaties PC :
- type processor meestal vast met moederbord verbonden
- hoeveel intern geheugen mogelijk
- breedte systeembussen
- snelheid waarmee je kan interfacen met andere componenten
- kwaliteit bevestigde chipset Æ moederbord kwalit.
7) Aanpasbaarheid
- upgraden naar nieuwe technologieën bepaald door moederbord
De printplaat
Form factor AT en baby AT (AT = Advanced Technology)
- Afmetingen verschillend :
i. AT : 30,5 cm x30,5 cm
ii. Baby AT : 25,4 cm breed, iets langer dan AT
- Grote AT-bord paste niet in mini-desktop en mini-towers
Oude AT borden nog in 386 machines
- Baby AT tot +- 1997 meest gebruikt
- Agressieve campagne Intel voor ATX
(foto : 386 DX40 MB : AT moederbord)
Baby AT :
(foto = baby AT moederkaart)
-
-
kleiner formaat
onboard keyboard connector
seriële en parall poorten meestal met kabeltjes verbonden die van
de fysische poort in de PC behuizing naar de overeenkomstige
connectoren op de printplaat
(ook AT) slots van de processor en intern geheugen :
i. vooraan het moederbord
ii. daarachter uitbreidingssloten zodat
iii. de daarin geplugde kaarten BOVEN processor en geheugen
komen
iv. IN die tijd was dat geen probleem (geen marge nodig
toen) :
1. processors en geheugenchips waren klein en vast
gemonteerd – uitbreiding hoefde niet
2. tegenwoordig geheugen-uitbreiding(RAM) via :
a. SIMM/DIMM
3. tegenwoordig ook koelplaten en extra geheugenchips
nodig voor processoren om performantie op peil !
4. PROBLEEM :
a. ofwel uitbreidingssloten onbruikbaar (door
koelplaten en extra geheug chips afgeschermd)
b. ofwel geen uitbreiding
vandaar … ATX
Form factor ATX en mini ATX (ATX = Advanced Technology Extended)
(afbeelding = Abit kt7 ATX moederkaart)
-
-
1995 ATX van Intel (Pentium Pro + andere)
voordelen :
i. andere layout
ii. behuizing en voeding ook gespecifieerd
geïntegreerde IO poort connectoren
geïntegreerde PS/2 muis aansluiting
minder interferenties met de drives
minder interfer met uitbreidingskaarten
verbeterde voedingsconnector
soft power ondersteuning
betere luchtcirculatie
meer uitbreidingsmogelijkheden
Form factor LPX en mini LPX (LPX = Low Profile Extension)
Vooral : men wilde layout die zeer weinig ruimte of ze nog benutten
Daarom : bij LPX vooral in hoogte werken
Opvallend : zgn. Riser card gemonteerd
Hierin kan men zwevend boven eigenlijke moederb een aantal uitbreidingskaarten
(max 3) monteren.
Deze bevinden zich dan parallel met moederb boveneen
Dus wel : limiet tot 3 kaarten voor uitbreiding.
Vaak ook : onboard video display adapter.
Æ on board meestal slechtere kwaliteit (en als je externe wil, moet je
(a) uitschakelen (b) uitbreidingsslot opofferen)
De Pentium II had ook een beter airflow nodig om af te kunnen koelen, waarbij zo’n
riser card veel airflow tegen houdt.
Ook de komst van AGP vereiste dat die riser card een hogere pin count zou hebben.
Weinig standaardisatie voor LPX en dus niet zo veel gebruikt. Gebruikt in de jaren
’90 tot ongeveer 1998.
Ook weinig mogelijkheden voor do-it-yourself.
Form factor NLX (NLX = New Low Profile Extension)
NLX alternatief voor LPX zoals ATX voor AT, met aantal verbeteringen –
vooral beter kwa uitbreiding naar nieuwe technologieën.
Passive backplane concept
Is de metalen achterzijde PC waar poorten keyboard, muis inzitten.
Ook in-en uitgang soundcard zit daar, evenals COM en LPT poorten.
Momenteel fysiek moederbord binnenin PC, hoeft niet zo te zijn, bij :
- Mainframes, servers , telefooncentrales …
- Geen moederbord, wel een passive backplane – niet meer dan de
achterkant computer met :
i. heleboel connectoren
ii. en zaken aankoppelbaar
= zou zo alle componenten apart kunnen aankoppelen aan het
backplane van de PC
= lijkt erop dat Intel in die richting evolueert
Pentium II heeft bvb processor en de cache op een aparte kaart
staan (niet meer op moederbord) :
- single edge card (SEC) packaging.
Form factor BTX
Deze form factor is door Intel voorgesteld als de opvolger van de ATX standaard.
Om tegemoet de komen aan de steeds hogere power usage in de modernere
systemen.
Staat in contrast met de nieuwere trend bij Intel waarbij de nadruk meer ligt op
processors die minder energie verbruiken.
Is een standaard die niet gevolgd is door de markt. Dell brengt sinds september
2006 officieel geen systemen meer uit die gebaseerd zijn op de BTX form factor.
Micro ATX
Form factor afgeleid van ATX
24,4 cm x 24,4 cm
Kleinere cases, met minder sloten : typisch 3 (theoretisch maximum 4), terwijl dit
bij ATX normaal 5 tot 7 is. -> USB wordt belangrijker om zo’n systemen uit te
breiden.
(foto : micro ATX moederkaart)
Flex ATX
Form factor afgeleid van ATX
22,9 cm x 19,1 cm
Specificatie released door Intel in 1999, samen met de specificatie voor de micro
ATX form factor
Is de kleinste ATX form factor.
Mini ITX
17,0 cm x 17,0 cm
Gericht naar de industriële markt
Klein, low power consuming, weinig of geen noise
Ook handig voor case modding wegens zijn afmetingen
Embedded devices
Vb. muziek in supermarkten en advertentie borden.
Nano ITX
12 cm x 12 cm
Very low power consuming
Smart digital entertainment devices
Î set-top boxes
Î media centers
Î auto pc’s
Î lcd pc’s
PC/104
9,017 cm x 9,589 cm
Gebruik in ruwe omgevingen waar betrouwbare data opname vereist is, veelal zelfs
in extreme omstandigheden.
Geen backplane
Kan gestapeld of gestacked worden.
(foto : PC/104)
Kan je het onderscheid tussen deze form factoren terugvinden ?
Beschrijf de moderne printplaat beknopt.
Onderdelen die bij het moederbord horen
Gebruiksaanwijzing
Alg.info : Modelnummer moederbord, naam producent en contactadres (ivm BIOS en upgr)
Installatie instructies : hoe moederbord in PC moet, hoe jumpers en hoe bord config
Configuratie info :
processor en geheugen configruaties ondersteund door moederb.
BIOS handleiding :
Nuttig om extern geheugen toe te voegen.
BIOS settings op het bord, betekenis en hoe in te stellen.
Floppy Cable
Grijze, opgevouwen kabel met 5 connectoren.
Halverwege 7 draden plots gedraaid.
Lijkt op IDE maar te herkennen aan :
conncecoren
draaiing kabels halverwege
Motherboard connector (controller moederb)
Drive A, B connectors (floppy verbinden)
IDE/ATA interface kabel :
40pins platte kabel met 2 of 3 connectoren : harddisk/CDROM.
Ieder toestel dat IDE/ATA kanaal nodig heeft, moet zo’n kabel.
Indien master/slave config (2 Harddisks) worden beide via versch connectoren aan dezelfde
kabel gehangen.
IDE=
b. 40 parallel lopende draden.
c. Rode streep langs zijkant is waar pin 1 zich bevindt (voor nummering
connectorpinnen)
d. Mag niet te lang zijn anders EM interferentie risico tijdens gegevenstransport.
i. IDE is nl niet afgeschermd
ii. Data kan dus corrupt raken
iii. Kan dus problemen geven met hard disk
Dus : zo kort mogelijk houden.
Serial ATA kabel :
Serial ATA is een nieuwere technology dan die IDE/ATA (nu ook Parallelle ATA interface
genoemd), die hogere snelheden toelaat dan de oudere technologie. In tegenstelling tot de
IDE kabels, waar tot 2 devices op dezelfde kabel kunnen hangen, kan er bij sATA slechts 1
device per kabel worden gehanteerd.
Er zijn verschillende versies van sATA :
SATA 1,5 -> maximum transfer rate : 150 MB/s (ook SATA I genoemd)
SATA 3,0 -> maximum transfer rate : 300 MB/s (ook SATA II genoemd)
De volgende versie waar op dit moment aan gewerkt wordt, is SATA 6,0 die een maximum
transfer rate van 600 MB/s zou ondersteunen.
(foto : sATA stroom kabel)
(foto : sATA data kabel)
Geïntegreerde componenten
Vb
onboard video
Onboard sound
Onboard lan
DE PROCESSOR
Processorvoet : ZIF zero insertion force, LIF low insertion force
Performantie
kloksnelheid + aantal bits in één keer (16,32, 64).
Overklokken
Hz, Mhz, Ghz
Beschikbaarheid werkgegevens
snel verwerken is één ding, data die klaar staat aan de inganggen van de
processor is er een andere
CPU Cache
gegevens uit RAM halen, vraagt zekere tijd – is niet supersnel
daarom cache-geheugen (snel tussengeheugen) L1, L2 cache.
Hoe kleiner een cache, hoe sneller hij doorzocht kan worden of er een bepaalde
waarde in zit of niet. Maar hoe groter de cache, hoe hoger de hit-rate (hoe meer
kans dat er een specifieke waarde gevonden zal worden). Daarom wordt met
verschillende caches gewerkt, waarbij telkens eerst de kleinste cache zal
doorzocht worden voor in de grotere caches zal gekeken worden. Wordt de
gezochte waarde of instructie niet in de caches gevonden, dan wordt het tragere
systeemgeheugen aangesproken.
Level 1 : cache effectief deel van CPU, met enorme impact op verwerking.
Level 2 : chips met statische RAM ipv dynamische, veel sneller, maar ook duurder
(kan niet uitgebreid worden)
Level 3 : omdat het verschil tussen de L1 cache en het systeem geheugen te
groot wordt om door de L2 cache opgevangen te worden, kan een L3 cache
worden geïmplementeerd. Deze kan variëren van grote tussen 2 en 256 MB.
Deze caches kunnen inclusief of exclusief zijn. Bij inclusief kunnen gegevens in de
L1 cache ook in de L2 cache voorkomen. Bij exclusief zijn de gegevens die in de
L1 cache zitten, gegarandeerd niet in de L2 te vinden. Wanneer gegevens die niet
in de L1 zitten, in de L2 gevonden worden, worden deze gegevens bij een
inclusieve cache naar de L1 cache gekopieerd. Bij een exclusieve cache worden
gegevens uit de L1 cache verwisseld met die gegevens in de L2 cache. Dit
kopiëren bij een inclusieve cache is sneller dan het vervangen bij een exclusieve
cache. Daar staat dan weer tegenover dat bij een exclusieve cache meer
gegevens in de verschillende caches kunnen opgeslagen worden.
Von Neumann-cyclus
Een processor zoals die normaal voorkomt in computers is een Von
Neumannmachine die in principe eeuwig de drie stappen van Von Neumann
uitvoert: Haal de volgende instructie op - decodeer de instructie - voer de
instructie uit.
Instruction Fetch
Een instructie wordt als een rij bits
ingelezen uit het werkgeheugen van
de computer.
Instruction Decode
De ingelezen instructie wordt
gedecodeerd in de werkelijke
processor-instructie en de eventuele
parameters die aan de instructie
meegegeven worden.
Instruction Execution
De gedecodeerde instructie wordt
uitgevoerd.
Tijdens het uitvoeren van dit werk heeft de processor een plaats nodig om zijn
invoer en eventuele tussenresultaten op te slaan. Iets dergelijks geldt voor het
uitvoeren van instructies zoals het optellen of vermenigvuldigen van twee
waarden: invoer, uitvoer en tussenresultaten moeten allemaal ergens opgeslagen
worden totdat de processor het resultaat wegzet en met de volgende instructie
kan beginnen.
Omdat gegevens niet snel genoeg van en naar het RAM geheugen kunnen worden
gebracht, worden deze gegevens opgeslagen in een speciaal soort geheugen, dat
op de processor zit : de registers.
Registers
Intern beschikt een processor ook over geheugen, nl. registers.
CPU heeft aantal registers ter beschikking (afh van type processor).
Er zijn verschillende soorten registers te onderscheiden:
•
•
•
•
•
•
•
Dataregisters slaan gehele getallen op. In sommige oudere architecturen
en eenvoudige moderne processoren is er een speciaal dataregister, de
accumulator, die impliciet wordt gebruikt voor veel bewerkingen.
Adresregisters bevatten geheugenadressen en worden gebruikt om
computergeheugen te benaderen. In sommige processeren is er een
speciaal adres register, het index register.
General purpose-registers (GPRs) Deze registers kunnen zowel
getallen als adressen bevatten.
Floating point-registers (FPRs) worden gebruikt om floating point
getallen op te slaan.
Constante-registers bevatten waarden die constant zijn (nul, een, pi,
...).
Vectorregisters bevatten gegevens voor vector processoren uitgevoerd
met SIMD (Simple Instruction, Multiple Data) instructies.
Special purpose-registers bevatten de status van een programma. Over
het algemeen worden hier de instructie pointer, de stack pointer en het
status register bijgehouden.
o Instructieregisters bevatten de instructies die op dat moment
worden uitgevoerd.
Indexregisters worden gebruikt voor het aanpassen van operand
adressen tijdens de uitvoering van een programma.
Registers die worden gebruikt voor het lezen van gegevens uit het
hoofdgeheugen, een verzameling van opslagregisters die op andere chips
dan de processor aanwezig zijn:
o Geheugen buffer register
o Geheugen data register
o Geheugen adres register
o
•
EAX, EBX, ECX, EDX = 32 bit registers vrij te gebruiken door programmeur.
Andere registers : ESP – de stackpointer.
Stack
gereserveerde plaats in geheugen om tijdelijke informatie bij te
houden, wanneer processor bvb onderbroken wordt door Interrupt.
PUSH, POP
Stackpointer wijst steeds naar het bovenste element van de stack en is dus een
maat voor hoeveel gegevens er reeds op de stack geduwd w.
Opgelet : Stack overflow & Stack underflow
Wie kan het verschil tussen overflow & underflow aanduiden?
Î overflow : een nieuw element wordt geschreven, als de stack al
vol is. Dit element overschrijft geheugen, dat ofwel niet tot de
stack behoort, ofwel aan het andere eind van de stack.
Î Underflow : een element wordt gelezen, als de stack al leeg is.
Dit levert een ongeldige waarde op.
ESI, DSI
= indexregisters
= adres bestaat nl steeds uit een segment en index
segment = adresblok waarin bepaald gegeven
index = exacte plaats van het gegeven binnen blok
SS, DS, CS, ES, FS, GS = segmentregisters waarin adresgementen in bewaard
kunnen worden. In combinatie met een index bepaalt een segment
eenduidig een welbepaalde byte in het geheugen.
EIP
= de instructie pointer. Register dat steeds het adres bevat waar
de processor de volgende uit te voeren instructie kan vinden.
EFLAGS
= hierin zitten 32 bits met elk andere betekenis :
zero-flag (restulaat bewerking 0 ? : vgl 2 getallen =
aftrekken van elkaar, als resultaat 0 dan gelijk)
carry flag (bij optellingen om overdracht te doen)
Wanneer illegale bewerking in programma, krijg je soms via een dialoogvenster
de inhoud van de registers voorgeschoteld.
Door al deze verschillende soorten registers, is het voor programmeurs van
compilers moeilijk om die compilers zo performant mogelijk te maken. Compilers
vertalen programma’s in machine-instructies en bouwen daarbij ook een
verdeling op van opslag van data over registers en geheugen. Het is voor de
programmeur een grote uitdaging om programma's zo te vertalen dat de
opgebouwde verdeling optimaal is en zo de beste prestaties uit het gehele
systeem haalt.
De chipset
Naast de microproc + systeembussen zijn er een aantal ondersteunende chips
nodig om de processor te laten werken.
Deze horen bij elkaar = chipset of Integrated Peripheral controllers.
= verbinding tussen processor en buitenwereld, zenuwcentrum vd computer.
O.a. : hoe snel de gegevens van de harde schijven en van het RAM bij de
processor geraken. 3 belangrijke functies :
1) als system controller
a. timing processor
b. onderbreken (interrupt) progr voor prior taken
c. gegtransport naar intern geh (DMA= dir mem access)
d. energiebeheer
2) als peripheral controller (verbindingen naar randapp)
a. businterface : voor uitbreidingskaarten
b. floppy disk interface
c. hard disk interface
d. toetsenbordcontroller
e. I/O poort controller voor o.a. : seriële/parall poorten
3) als memory controller
a. besturing level 2 cache
b. RAM + uitbreidingen controleren
Vind je deze 3 functies terug in de CDROM / Internet ?
Chipset is een vaak gebruikte term om de
geïntegreerde schakelingen aan te duiden die
in samenwerking met de processor worden
gebruikt op een bepaald moederbord. Meestal
worden die speciaal voor gebruik met een
bepaalde processor ontworpen. De chipset
bepaalt onder andere de maximumsnelheid
waarmee het interne geheugen en de Front
Side Bus kunnen werken. De chipset draagt
zorg voor de communicatie tussen de
processor en de rest van de computer
(randapparatuur, geheugen).
Meestal bestaat de chipset uit 2 aparte chips: de Northbridge en de Southbridge.
De eerste regelt het snelle verkeer tussen de processor en het geheugen en de
grafische kaart (via de AGP). De tweede zorgt voor communicatie met de relatief
tragere componenten van de PC: de harde schijven, diskettestations,
toetsenbord, USB en de andere PCI-sloten naast de AGP.
De termen Northbridge & Southbridge komen trouwens van de manier waarop
deze in schema meestal getekend worden (zie schema).