331 Bild 6.3: Dieses Pentium-Mainboard bietet die heute üblichen Onboard-Devices; die Buchsen für die Schnittstellen (RS232, LPT) befinden sich auch hier direkt auf dem Mainboard (unten), wie es bei ATX-Boards generell der Fall ist Es gibt zwar auch einige Standard-Mainboards mit integriertem Grafikchip, die den »normalen« PC-Speicher (RAM) als Grafikspeicher verwenden können, was je nach gewünschter Größe sogar konfigurierbar ist, allerdings ist der notwendige Treiber- Support hierfür meist ungenügend (organisiert), und wie bei den Kompakt-PCs kann hier vielfach nicht einfach eine leistungsfähigere Grafikkarte bei Bedarf nach- gerüstet werden. Shared Memory System Bezeichnet Mainboards oder allgemein Chipsets, bei denen für den Grafikspeicher Teile des Systemspeichers verwendet werden. In der Mehrzahl der PC-Ausführungen beschränkt man sich jedoch auf die oben angegebenen On-Board-Devices, die mitunter auch nicht immer abschaltbar sind, wie es wünschenswert wäre, wenn sie sich einmal als defekt erweisen sollten. Dem- nach benötigt man gleich ein neues Mainboard, auch wenn vielleicht nur der Par- allel-Port (LPT) für den Drucker defekt sein sollte. Da diese Mainboard-Realisierung mit den typischen On-Board-Devices nun einmal dem heute üblichen PC-Standard entspricht, wird auf die hier wichtigen Zusam- menhänge noch in den folgenden Kapiteln näher eingegangen. Es ist jedoch immer Mainboard-Elektronik Teil 4 · Mainboard-Elektronik 332 anzuraten, einen PC zu erwerben, der mit einem als Standard geltenden Mainboard (BAT, ATX) aufgebaut ist, weil sich dies in der Praxis als die flexibelste Lösung herausgestellt hat. 6.1.3 Mainboard mit steckbaren Prozessormodulen Es gibt eine Reihe von PC-Ausführungen, die nicht über einen PGA- oder ZIF-Sockel – Näheres hierzu im Kapitel 7 – für die Aufnahme der CPU auf dem Mainboard verfügen, sondern über einen speziellen herstellerspezifischen Slot, der eben auch ein spezielles Prozessormodul aufnimmt. Die Firma AMI hatte beispielsweise ihre so genannten Flex-CPUs im Programm. Dies sind im Prinzip konventionelle Platinen, auf denen sich neben der CPU der Cache-Speicher oder auch noch ein mathemati- scher Coprozessor befinden. Das Mainboard selbst ist aber in konventioneller Bau- weise, also mit Slots und dem Chipsatz, realisiert. Je nach Version ist dieses Modul mit einem anderen Mikroprozessor (verschiedene 386- und 486-CPUs) und einigen dazugehörigen Peripheriechips bestückt. Für ein CPU-Upgrade ist daher nur dieses Modul zu ersetzen, es sind keine Jumper zu stecken oder sonst irgendwelche Veränderungen am System vorzunehmen. Nicht nur die Firma AMI, sondern auch zahlreiche weitere wie beispielsweise ALR haben mit diesem Konzept jahrelang gearbeitet. Da dies jedoch jeweils einer hersteller- eigenen Auslegung entsprach, war keine Kompatibilität zwischen den Modulen un- terschiedlicher Hersteller gegeben, und diese Systeme verschwanden wieder vom Markt. Bild 6.4: Bereits lange vor dem Pentium II gab es verschiedene Prozessor-Module für Mainboards, wie hier von der Firma ALR Die Firma Intel hat dieses Prinzip allerdings im Jahre 1997 wieder aufgenommen, und zwar mit ihrem Slot One, der ab dem Pentium II verwendet wird. Neben der eigentlichen Pentium-II-CPU sind auf diesem Modul auch der Cache-Speicher und noch einige weitere »CPU-nahe« Komponenten lokalisiert. Ausführliche Erläute- rungen zum Pentium II sind im Kapitel 7.10 zu finden. Da dieser Slot für die Aufnahme des Pentium-II-Moduls von Intel definiert wurde, ist diese Lösung zwar längerfristiger Natur, gleichwohl bietet allein die Firma Intel hierfür passende CPU-Module an. Der Slot One sollte laut Intel die endgültige Ab- kehr vom bis dato als Standard geltenden Sockel 7 markieren, für den auch andere Hersteller wie AMD, Cyrix oder IDT entsprechende Mikroprozessoren herstell(t)en. 333 Diese Strategie hat Intel jedoch nicht lange durchgehalten und ist mit dem Celeron im PPGA-Gehäuse wieder zu einer Sockellösung zurückgekehrt, die nicht mit dem Sockel 7 kompatibel ist. Des Weiteren hat AMD mit dem Athlon den Slot A einge- führt, der zwar mechanisch, jedoch nicht elektrisch mit dem Slot One identisch ist. Bild 6.5: CPUs für den Slot One, oder auch wie hier die Athlon-CPU für den Slot A, befinden sich in einer Cartridge mit einem montierten Lüfter (hinten) 6.1.4 Slot-CPU-Karten und Backplane-Systeme PCs, die mit einer als Slot-CPU-Karte bezeichneten Einheit aufgebaut sind, verfü- gen über ein (rein) passives Mainboard. Das bedeutet, dass sich auf dem Mainboard ausschließlich die Slots und keine weitere Elektronik befindet. Lediglich ein Tasta- tur- und der Spannungsanschluss sind vorhanden, und daher ist die Bezeichnung »Mainboard« hier eigentlich auch nicht mehr zutreffend. Die normalerweise auf dem Mainboard lokalisierte Elektronik befindet sich auf ei- ner Slot-CPU-Karte, wofür in Bild 6.6 ein Beispiel gezeigt wird, welches auch die wesentlichen Elektronikkomponenten erkennen lässt. Entsprechende Slot-CPU-Kar- ten gibt es mittlerweile natürlich auch mit PCI-und ISA-Busanschluss, einer Pentium- CPU und in noch kleineren Dimensionen. Die grundsätzliche Funktion ist aller- dings stets mit der eines konventionellen Mainboards identisch. Soll ein derartiges System auf- oder umgerüstet werden, braucht weder das Main- board noch alle anderen Komponenten ausgebaut zu werden. Es wird lediglich die Slot-CPU-Karte gegen eine leistungsfähigere ausgetauscht, was eine Sache von we- nigen Minuten ist. Eine Slot-CPU-Karte und dementsprechend ein passives Mainboard kommen durch- aus auch in üblichen PCs zum Einsatz, was von außen nicht erkennbar ist. Das Haupteinsatzgebiet einer Slot-CPU-Karte ist aber vielmehr in speziellen PC-Syste- men, wie sie in der Kommunikations- und der Medizintechnik und ganz besonders in der Industrieautomation vorkommen. Mainboard-Elektronik Teil 4 · Mainboard-Elektronik 334 Bild 6.6: Diese Slot-CPU-Karte enthält die wichtigsten Einheiten eines PC allesamt auf einer ein- zigen ISA-Einsteckkarte Da ein handelsübliches Mainboard preiswerter ist als eine Slot-CPU-Karte, lohnt es sich vom Kostenaspekt her aber nicht, ein derartiges PC-System (für den Büro- gebrauch) umzubauen. Im folgenden Bild ist ein PC mit einem (flachen) Slim-Line- Gehäuse der Firma Siemens gezeigt, der eben mit einer Slot-CPU-Karte ausgestattet ist. Es ist erkennbar, dass diese Anordnung keinem typischen PC-Standard ent- spricht und auch das Netzteil eine spezielle Bauform besitzt. Slot-CPUs werden insbesondere in (sehr) flachen PC-Gehäusen einsetzt, wobei diese Konstellation aber vor einiger Zeit durch den NLX/LPX-Standard (siehe Kapitel 6.2) abgelöst wurde. Bild 6.7: Dieser PC arbeitet mit einer Slot-CPU-Karte und ist kaum sinnvoll umzubauen oder aufzurüsten Bei den industriellen Anwendungen werden dann auch spezielle Gehäuse und Ta- staturen sowie Grafikanzeigen verwendet, die in der rauhen Industrieumgebung bestehen können. 335 Bild 6.8: Ein Gehäuse für einen Industrie-PC ist mechanisch stabiler, elektrisch besser gegen Störungen abgeschirmt, verfügt über Luftfilter sowie einige andere besondere Ausstat- tungsmerkmale und ist für den Einsatz einer Slot-CPU-Karte ausgelegt Ein so genannter Industrie-PC kann in der erläuterten Art und Weise aufgebaut sein, allerdings ist es auch möglich, dass – wie oben erwähnt – eine Backplane zum Einsatz kommt, also eine Rückwandplatine, die dann die Einsteckkarten aufnimmt. Demnach können hier keine konventionellen PC-Einsteckkarten mit ISA- oder PCI- Bus zum Einsatz kommen, sondern spezielle, die für den Backplane-Anschluss aus- gelegt sind. Industrieversionen (19 Zoll) des ISA-Bus sind der AT96-Bus der Firma Siemens sowie der ISA96-Bus, die beide eine unterschiedliche Anschlussbelegung aufweisen, elektrisch aber dem altbekannten ISA-Bus entsprechen. Die Weiterent- wicklung des AT96-Bus ist der SMP-16-Bus, der demgegenüber als gepuffertes Bus- system ausgelegt ist, was zu einem störungssichereren und schnelleren System führt. Wie es allgemein für industrielle Systeme üblich ist, sind die einzelnen Ein- steckkarten nicht wie bei ISA oder PCI mit Platinenkontakten ausgestattet, son- dern es kommen kontaktzuverlässigere ISO-Steckverbindungen zum Einsatz. Bild 6.9: Compact-PCI-Karten werden in industriellen Systemen eingesetzt und unterscheiden sich Interface-technisch nicht von den üblichen PCI-Einsteckkarten Mainboard-Elektronik Teil 4 · Mainboard-Elektronik 336 Industrielle PCI-Implementierungen gibt es ebenfalls, und zwar Industrial-PCI (IPCI) der deutschen Herstellervereinigung SIPS und Compact PCI der Industrial Manu- facturers Group (PCIMG). Compact PCI (cPCI) setzt sich in zunehmendem Maße am Markt durch, und von zahlreichen Herstellern sind hierfür entsprechende Karten erhältlich. Sie sind im Europakartenformat ausgelegt, und als Steckverbindung kommt ein Anschluss mit 7 x 25 Kontakten im 2-mm-Raster zum Einsatz. 6.1.5 Embedded-PCs Besonders kompakte PC-kompatible Systeme, welche für die Mess-, Steuer- und Automatisierungstechnik eingesetzt werden, ergeben sich durch die Verwendung von PC/104-Modulen (Embedded-PC-Standard), die über eine Platinengröße von lediglich 3,6 x 3,8 Zoll verfügen und von zahlreichen Herstellern in unterschiedli- chen Ausführungen (I/O-, IEEE-488-, CPU-Module) angeboten werden. Eine Stan- dardisierung ist hierfür in IEEE-P996.1 Standard for Compact Embedded-PC-Modules festgeschrieben. Daneben gibt es zahlreiche weitere Varianten von Embedded-PC- Realisierungen, die allerdings herstellerspezifisch sind und sich nicht mit Modulen unterschiedlicher Hersteller kombinieren lassen. Bild 6.10: Als Standard für den Aufbau von kleinen PC-Systemen in der MSR-Technik stellen sich PC-104-Module dar, die in speziellen Gehäusen nebeneinander oder auch übereinander platziert werden können Unabhängig davon, woraus sich ein PC-System im Einzelnen zusammensetzt, ob nun mit einem Standard-Mainboard oder aus PC/104-Modulen, ist die Gemeinsam- keit der zu verwendenden Software gegeben. DOS, Windows und Anwenderpro- gramme können – müssen aber nicht zwangsläufig – auf diesen unterschiedlichen PC-Architekturen in der gleichen Art und Weise lauffähig sein. Der Schlüssel zu dieser Kompatibilität ist das BIOS, welches einerseits, je nach System, die Verbindung zur unterschiedlichen Hardware herstellt und andererseits die üblichen Softwareschnittstellen bietet, auf die die Programme aufsetzen. Der große Vorteil PC-basierender Systeme ist generell der, dass zur Softwareentwicklung die PC-üblichen Programmiersprachen und Tools verwendet werden können. Bei anderen Industriesystemen wie etwa dem VMEBus oder auch den zahlreichen her- stellerspezifischen Bussen sind die Entwicklungstools demgegenüber meist sehr viel teurer, da sie eben nicht wie die PCs den Massenmarkt abdecken. 337 6.2 BAT, ATX und andere Standards Mittlerweile gibt es für Mainboards und die dazu passenden Gehäuse verschiedene Standards, wobei der älteste als AT (Advanced Technology) bezeichnet wird. Im Laufe der Jahre sind die Mainboards mechanisch immer kleiner geworden, was zum Baby AT-Standard (BAT) geführt hat, unter dem auch die noch kleineren Boards wie etwa Mini-Baby firmieren. An der Spannungsversorgung hat sich dabei jedoch nichts geändert, die bei all diesen Boards über zwei Stecker (P8, P9) hergestellt wird. Erst mit dem ATX- und dem NLX-Standard ist auch dieser Anschluss sowie einige weitere Dinge (siehe folgende Kapitel) überarbeitet worden. Bild 6.11: Der Spannungsanschluss bei Mainboards nach dem BAT-Standard Die wichtigsten Daten für die PC-Mainboard-Größen sind in der folgenden Tabelle angegeben, wobei sich das Maß der Mainboard-Breite auf die Seite mit dem Tasta- turanschluss bezieht, der damit auch die Lage des Mainboards im PC-Gehäuse ein- deutig bestimmt. Mainboard-Typ Abmessungen in mm Übliche Anwendungen (Breite x Länge) (PC-Typen) AT-Board 305 x 335 alte 8088-486-PCs, EISA-PCs Baby-Board 220 x 330 ISA-, EISA-, PCI-PCs ¾ Baby 220 x 275 ISA-, PCI-, VLB-PCs Mini-Baby 220 x 220 ISA-, VLB-PCs Tabelle 6.1: Die Abmessungen der üblichen Mainboards nach dem (B)AT-Standard Mainboard-Elektronik Teil 4 · Mainboard-Elektronik 338 Vor der Weiterverwendung eines bereits vorhandenen Gehäuses oder eines Mainboards zum Aufbau eines (Zweit-)PC sollten zunächst die mechanischen Gegebenheiten überprüft werden, wobei einem das folgende Bild eine Orientierung bieten kann. Es sollten die üblichen Bohrungen und Schlitze (Langlöcher), in denen die Halte- schrauben und die Abstandshalter aus Plastik für das Mainboard ihren Platz fin- den, vorhanden sein. Bild 6.12: Für die unterschiedlichen Mainboard-Größen sind in den PC-üblichen Gehäusen (Desktop, Tower) verschiedene Bohrungen und Aussparungen (Langlöcher) vorgesehen Ob nun beispielsweise ein Desktop-Gehäuse (siehe auch Bild 6.21) ein paar Milli- meter höher oder tiefer ist, spielt für die Montage eines Mainboards nicht die ausschlaggebende Rolle. Vielmehr ist unbedingt darauf zu achten, dass das Main- board auch problemlos in das Gehäuse hineinpasst und zu befestigen ist. Falls etwa zusätzliche Löcher gebohrt und Öffnungen im Gehäuse hergestellt werden müssen, sollte man von einem Umbau Abstand nehmen, denn es werden mit großer Wahr- scheinlichkeit weitere Probleme auftreten, wie etwa, dass die Laufwerke nicht be- festigt werden können. Außerdem kann dabei die Gehäusestabilität sowie die elek- trische Sicherheit (Erdung) auf der Stecke bleiben. 339 Gehäusetyp Höhe Breite Tiefe Netzteil Mainboards Super Slim Line 76 406 390 150 W Mini-Baby, NLX, LPX Slim Line 110 435 420 180-200 W Mini-Baby, NLX, LPX Desktop 160 430 420 200-230 W AT, BAT, ATX, mini ATX, micro ATX Mini-Tower 350 180 430 180-230 W BAT, ATX, mini ATX, micro ATX Midi-Tower 480 170 400 180-230 W BAT, ATX, mini ATX, micro ATX Tower 620 190 430 200-230 W AT, BAT, ATX, mini ATX, micro ATX Big Tower 680 230 450 230-300 W AT, BAT, ATX, mini ATX, micro ATX Tabelle 6.2: Typische Maße von Gehäusetypen und welche Mainboards sowie Netzteile dabei Verwen- dung finden Bild 6.13: Ein BAT-Mainboard in einem Tower-Gehäuse; bei der Montage wird das Mainboard mit den montierten Plastikabstandshaltern in die Langlöcher hineingeschoben und an den markierten Stellen mit Abstandsbolzen und Schrauben am Gehäuse befestigt Die Schnittstellenverbindungen werden bei BAT-Boards mit Flachbandkabeln zu den entsprechenden Slotblechanschlüssen geführt, wobei man keineswegs davon ausgehen kann, dass die jeweilige Pinbelegung auf dem Mainboard bei den unter- schiedlichen Herstellern übereinstimmt. Am Slotblechanschluss sind die standardisierten Signale selbstverständlich mit der üblichen Anschlussbelegung vorhanden, allerdings ist das Flachbandkabel mögli- cherweise unterschiedlich ausgeführt und funktioniert nur an demjenigen Main- board, für welches es vorgesehen ist. Bei einigen Mainboards von Intel ist bei- spielsweise das interne Kabel für RS232 anders belegt als bei Mainboards der Firma Gigabyte, so dass diese Kabel auch nicht untereinander austauschbar sind. Mainboard-Elektronik Teil 4 · Mainboard-Elektronik 340 Bei BAT-Boards sollten stets die mitgelieferten Kabel für die Schnittstellen verwendet werden, denn man keinesfalls davon ausgehen, dass die Kabelbelegungen von Her- steller zu Hersteller identisch sind. Generell führt diese Kabelverlegung – insbesondere, wenn sich die Controller und Schnittstellen auf einer Einsteckkarte befinden – nicht selten zu einem Kabel- wirrwarr und auch zu Problemen mit den EMV- und CE-Richtlinien, weil die Kabel hier quasi als Antennen wirken und elektrische Störungen verursachen können. Bild 6.14: Bei den meisten Mainboards im BAT-Format sind die Schnittstellen integriert und wer- den per Flachbandkabel auf die passenden Slotbleche geführt 6.2.1 ATX-Board-Standard Seit dem Jahre 1995 gibt es den ATX- und LPX- und seit 1996 den NLX-Standard. Alle drei Versionen definieren neue Formfaktoren für Mainboards und Netzteile, die weder untereinander noch mit dem BAT-Standard kompatibel sind. Allerdings sind die Netzteile für NLX- und ATX- mitunter austauschbar, denn beide verwenden den gleichen Spannungsanschluss für das Mainboard, und es gibt Mainboards und auch Gehäuse, die sowohl für ATX als auch für BAT geeignet sind. Verlassen kann man sich darauf aber nicht. Mit ATX wurde ein Baby-AT-Board mechanisch um 90° gedreht, und die Anschlüsse für den Drucker (IEEE1284), die beiden RS232-Schnittstellen und die Maus (PS/2) sind nun direkt auf dem Mainboard platziert, wodurch keine Flachbandkabel vom betreffenden Mainboard-Anschluss zu den jeweiligen Slotblechbuchsen mehr ge- führt werden müssen. Weitere Anschlüsse, wie für den Universal Serial Bus (USB), Firewire (IEEE-1394) oder auch Audioverbindungen, sind hier ebenfalls üblich. [...]... bekannt (ISA, PCI usw.) und ausführlich im Kapitel Bussysteme erläutert sind Signalübersicht für NLX-Riser-Card Signale/Bezeichnung Signalanzahl Gruppe: PC Speaker, 2 Pins insgesamt PCSPKR_RT, PCSPKR_LFT 2 Gruppe: PCI-Signale, 69 Pins insgesamt /PCIINT0-3 4 PCICLK 5 REQ-/GNT0-4 10 AD0-31 32 /CBE3-0 4 MISC (diverse) 14 Gruppe: Power-Signale, 69 Pins insgesamt 5V 3,3 V 13 Sense 3,3 V 1 –5 V 1 –12 V 1 + 12... in zwei Reihen zu je 170 Anschlüssen aufgeteilt, bieten ein PCI-, ein ISA- und ein IDE/Floppy/Front-Panel-Segment und sind auch für neuere Entwicklungen wie den Firewire ausgelegt Die Riser-Card besitzt dementsprechend insgesamt 340 Kontakte, deren Signale den einzelnen Gruppen zugeordnet werden, wie sie aus dem PC- Bereich her bekannt (ISA, PCI usw.) und ausführlich im Kapitel Bussysteme erläutert sind... wird Die Slots (ISA, PCI) befinden sich also nicht auf dem Mainboard, sondern an der Seite einer Riser-Card ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ PCs auf Basis von LPX sind oftmals nicht untereinander kompatibel, erst der NLXStandard schreibt die einzelnen Signale der Riser-Card genau vor, was aber nicht bedeutet, das ein NLX -PC- System zwangsläufig... integriert, und daher müssen hierfür keine Flachbandkabel verlegt werden Den nicht vertauschungssicheren Anschluss (P8, P9) für die Spannungsversorgung des Mainboards gibt es bei ATX nicht mehr, und die für PCI-Systeme notwendige 3,3V-Spannung, für die verschiedene herstellerspezifische Lösungen existieren, ist mit ATX nunmehr klar definiert worden Ein Problem ist beim BAT-Standard, dass nicht alle Slots... von Einsteckkarten, die in voller Länge ausgelegt sind, nutzbar sein, und die Laufwerke (3.5", 5.25") befinden sich (ATX-Desktop) außerhalb des Mainboard-Bereichs Bild 6.16: Die Anordnung der einzelnen PC- Komponenten ist bei ATX optimiert worden, wodurch sich der Einbau von Erweiterungen vereinfacht 341 4 · Mainboard-Elektronik Teil Das Netzteil (siehe Spannungsversorgung) wurde ebenfalls elektrisch... Mikroprozessor mit einem genügend hohen Kühlkörper versehen, darf der Lüfter – je nach CPU-Typ – hierfür sogar entfallen Vielfach wird die CPU dennoch mit einem Extralüfter ausgestattet, weil sich die PC- Hersteller nicht allein auf den Netzteillüfter verlassen (wollen und können) Bild 6.17: Die Bohrlöcher für die Befestigung von ATX-Boards im Vergleich mit denen, die für ATBoards definiert sind Langlöcher . alte 8088-486-PCs, EISA-PCs Baby-Board 220 x 330 ISA-, EISA-, PCI-PCs ¾ Baby 220 x 275 ISA-, PCI-, VLB-PCs Mini-Baby 220 x 220 ISA-, VLB-PCs Tabelle 6.1: Die Abmessungen der üblichen Mainboards nach. NLX-Riser-Card Signale/Bezeichnung Signalanzahl Gruppe: PC Speaker, 2 Pins insgesamt PCSPKR_RT, PCSPKR_LFT 2 Gruppe: PCI-Signale, 69 Pins insgesamt /PCIINT0-3 4 PCICLK 5 REQ-/GNT0-4 10 AD0-31 32 /CBE3-0 4 MISC (diverse). Embedded-PCs Besonders kompakte PC- kompatible Systeme, welche für die Mess-, Steuer- und Automatisierungstechnik eingesetzt werden, ergeben sich durch die Verwendung von PC/ 104-Modulen (Embedded -PC- Standard),