481 Einige Hersteller wie First International Computer (FIC) oder Asus verwenden bei ihren Mainboards jedoch nicht die AMD-Southbridge, sondern den VIA-Typ VT82C686A, der demgegenüber auch die Hardware-Monitoring-Funktionalität und ein AC97-In- terface mit Soundblasterkompatibilität beinhaltet. Da dieser VIA-Chip auch auf Slot-1-Mainboards zum Einsatz kommt, wird deutlich, dass lediglich die Northbridge-Seite zur CPU eine Neuentwicklung nötig macht und zur anderen Seite hin im Grunde genommen (fast) alles so bleibt, wie es auch bei den anderen Chipsets für Intel-CPUs der Fall ist. Die ersten Mainboards mit einer verbesserten Southbridge, die auch PC-133-DIMMs optimal nutzen kann und den 4x-AGP-Modus unterstützt, soll Anfang 2000 von VIA (KX133) auf den Mainboards zu finden sein. 6.12.8 Mainboard-Peripherieeinheiten Für jedes Mainboard – quasi Chipsatz-unabhängig – sind noch die im folgenden angegebenen Einheiten notwendig, die mit unterschiedlichen Bausteinen realisiert sein können. Einige davon werden als Beispiele mit angegeben, nachdem sie teil- weise bereits in den vorigen Kapiteln erläutert wurden. > Taktgenerator: IMI 42C25 oder AV9107 oder MX8315 oder PhaseLink 52C59 Versorgt die CPU und die weitere Elektronik (z.B. Timer, Bus) mit dem Arbeits- takt, der auf dem Mainboard über Steckbrücken (Jumper) für die jeweils ver- wendete CPU festgelegt wird. Meist wird hierfür ein Baustein verwendet, der eine Eingangsfrequenz von 14,318 MHz, die durch einen Quarz erzeugt wird, entsprechend umsetzt (PLL-Schaltung). > BIOS-ROM: 28F001BXT und kompatible Enthält den Basisprogammcode für die CPU, der für den Start des PC sorgt und zahlreiche Funktionen für das Ansprechen der einzelnen Komponenten (Lauf- werke, Grafikkarte) zur Verfügung stellt. Der Speicherbaustein ist meist mit einem Aufkleber, der den Hersteller und die Version des ROM-Codes identifi- ziert (z.B. Award, AMI), versehen. > Tastaturcontroller (Keyboardcontroller): INTEL 8042 oder VIA VT82C42 oder AMIKEY-2 Dieser Controller ist für die Kommunikation der angeschlossenen Tastatur mit der weiteren Mainboard-Elektronik zuständig und setzt die gesendeten Befeh- le entsprechend um. Des Weiteren übernimmt er gegebenenfalls die Unterstüt- zung eines vorhandenen Maus-Interface (PS/2-Typ). > CMOS-RAM und Real Time Clock: Dallas DS12886 oder Benchmarq bq328MT oder ODIN OEC12C887 Die jeweilige Konfiguration des PC wird im CMOS-Setup – auch BIOS-Setup genannt – festgelegt. Hier sind beispielsweise das Datum, die Uhrzeit oder der Diskettenlaufwerkstyp und weitere wichtige Dinge festzulegen. Die Speiche- rung dieser Daten erfolgt im CMOS-RAM, dessen Inhalt auch nach dem Ab- schalten des PC erhalten bleibt, da es von einem Akku oder einer Batterie versorgt wird. Entweder ist der Akku auf dem Mainboard unmittelbar zu er- kennen, oder er ist im Baustein integriert. Des Weiteren enthält er die Real Time Clock (RTC, Echtzeituhr) mit Kalenderfunktion. Mainboard-Elektronik Teil 4 · Mainboard-Elektronik 482 Bei allen neueren Mainboards ist ein RTC/CMOS-RAM-Chip nicht mehr zu finden, denn er ist mittlerweile in der Southbridge untergebracht. Eine Batterieknopfzelle auf dem Mainboard sorgt dabei für den Datenerhalt des integrierten CMOS-RAM. > Multi I/O-Controller, Super I/O-Controller: National Semiconductor 87307 oder SMC FDC37C665GT oder UM8569F der Firma UMC oder Winbond W83977 Wurden zu früheren Zeiten zusätzliche ISA-Einsteckkarten benötigt, die die seriellen Schnittstellen (RS232), einen Drucker- und einen Gameportanschluss sowie einen Controller für die Disketten- und Festplattenlaufwerke zur Verfü- gung stellten, ist hierfür mittlerweile nur noch ein einziger Baustein wie bei- spielsweise der Typ UM8569F notwendig, der gleich mit auf dem Mainboard integriert ist. Von diesen Bausteinen gibt es die unterschiedlichsten Varian- ten. Bild 6.89: Der PC87307-Super-I/O-Controller (rechts neben dem PIIX4) wird auf dem Intel-AL440LX- Mainboard eingesetzt, welches unter anderem in den zweiten PC von Aldi (266 MHz- Pentium-II-CPU) eingebaut wurde Der PC87332VLJ ist ein weit verbreiteter Multi-I/O-Controller und bietet in einem 100-poligen Gehäuse zwei RS232-Ports, eine parallele Schnittstelle (IEEE1284) sowie ein Floppy-Disc-Drive- und ein Hard-Disc-Interface (ohne die 16-Bit-Buffer). Derartige I/O-Controller sind schaltungstechnisch betrachtet als Ergänzung zur Southbridge auf dem Mainboard zu verstehen, arbeiten demgegenüber aber oftmals als 8 Bit breites Device am X-Bus, was für die eher langsame Peripherie, die hier angeschlossen wird, von der Leistung her auch keine Rolle spielt. Gleichwohl gibt es auch die Super-I/O-Controller, die am PCI-Bus oder am I/O-Controller-Hub (ab Intel-810-Chipset) angeschlossen sind, wie es bei neueren Mainboards generell der Fall ist. 483 Bild 6.90: Der PC87332VLJ der Firma National Semiconductor bietet in einem Gehäuse alle übli- chen Interfaces, die in früheren Zeiten über Einsteckkarten im PC realisiert wurden Mainboard-Elektronik Teil 4 · Mainboard-Elektronik 484 > System-Monitoring, Supervisory-Chips, System Health-Chips: National Semi- conductor LM78, LM75, Winbond W83781D Bei neueren Mainboards finden sich ein oder auch mehrere Bausteine, die für die Überwachung von Spannungen, die Kontrolle der Lüfteraktivität und für die Messung verschiedener Temperaturen (CPU, interne Umgebung) vorgese- hen sind. Der erste bekannte Baustein für diese Aufgaben ist der Typ LM78 der Firma National Semiconductor, welcher beispielsweise auf dem TX97-Mainboard der Firma Asus zum Einsatz kommt. Der LM78 besitzt integrierte Watchdog- Register, die beim Überschreiten der festgelegten Grenzwerte zwei Interrupt- Ausgänge (/SMI, NMI/IRQ) aktivieren können. Als Interfaces zum Chipsatz ist eines vom Typ ISA und ein serielles vorgesehen. Üblicherweise wird das serielle Interface, bestehend aus dem Taktsignal SCL und dem Datensignal SDA, verwendet, welches auch als SMB (System Management Bus) bezeichnet wird. Der SMB entspricht in seiner Funktionalität im Prinzip dem I 2 C- Bus und wird von einem Funktionsblock der Southbridge (z.B. PIIX4, AMD-756) gesteuert. Das EEPROM, welches sich auf dem SDRAM-DIMM befindet, ist im übri- gen ebenfalls am SMB angeschlossen. Bild 6.91: Der LM78 verfügt über verschiedene Überwachungsfunktionen und veranlasst im Fehler- fall ein rechtzeitiges Herunterfahren des PC. 485 Der LM78 verfügt über neun Register sowie über ein 32 Byte großes POST- und ein 64 Byte großes Value-RAM. Das POST-RAM (Power On Self Test) kann die vom BIOS gesendeten POST-Codes speichern, und das Value-RAM enthält die Ergebnisse der einzelnen Überwachungseinheiten sowie die Watchdog-Einstellungen – die festge- legten Grenzwerte. Zur Selektierung des LM78 werden ein Adressregister (typisch 295h) und ein Datenregister (typisch 296h) verwendet, wobei sich die verwendeten I/O-Ports des Mainboards durchaus von Hersteller zu Hersteller unterscheiden können. In Designs mit dem LM78 kommt meist auch ein Temperatursensor vom Typ LM75 zum Einsatz, der sich unter der CPU (im Sockelhohlraum) befindet und elektrisch direkt mit dem LM78 verbunden ist. Auf Grund des Abstandes des Temperatursensors von der CPU ist diese Messung jedoch nicht besonders präzise und hängt in ihrer Genauigkeit zudem vom Mainboard-Design und auch der eingesetzten CPU ab. Im BIOS wird daher eine Tabelle geführt, die für den jeweils verwendeten Prozessor einen Aufschlag zum gemessenen Wert addiert, der keineswegs von Mainboard zu Mainboard identisch ist. Für den Sensor selbst wird ein Messbereich von –55 bis 125 ºC bei einem maximalen Fehler von 3ºC angegeben. Eine drohende Überhitzung der CPU lässt sich jedoch auch frühzeitig anhand der Lüfterdrehzahl erkennen, wofür der LM78 drei »Tachometer-Eingänge« besitzt. Dem- nach werden hierfür spezielle Lüfter benötigt, die typischerweise zwei Impulse pro Umdrehung generieren. Zur Überwachung verschiedener Analogspannungen ver- fügt der LM78 insgesamt über fünf Eingänge für positive und zwei für negative Spannungen. Im einfachsten Fall werden hiermit die Versorgungsspannungen des PC-Netzteils gemessen, die vom LM78 intern mit einem 8-Bit-A/D-Wandler verar- beitet werden. Des Weiteren enthält der LM78 einen Eingang (Chasis Intrusion) für einen Sensor, der das Öffnen des PC-Gehäuses detektieren kann. Allerdings unterstützen diese Möglichkeit nicht alle Mainboards, die über einen LM78 oder auch ähnlichen Bau- stein verfügen. Ein Problem ist dabei, dass der PC normalerweise im ausgeschalte- ten Zustand aufgeschraubt wird. Demnach muss der Schalter auch ohne Spannung das Öffnen feststellen können und nach dem Wiedereinschalten des PC diese Infor- mation an den LM78 übergeben. Zurzeit gibt es hierfür verschiedene Lösungen wie etwa mechanische Schalter, die jedoch leicht zu manipulieren sind, und optische Sensoren mit integriertem, batteriegepuffertem Speicher. Der LM78 wird üblicher- weise mit von der Batterie, die für das CMOS-RAM verwendet wird, versorgt. Mainboard-Elektronik Teil 4 · Mainboard-Elektronik 486 Bild 6.92: Die Meldung des CPU-Lüfterausfalls wird mit Hilfe der LANDesk-Client-Manager-Software visualisiert und über das Netzwerk gesendet. Zu Mainboards, die mit einem Supervisory-Chip ausgestattet sind, gehört ein ent- sprechender Treiber und eine mehr oder weniger komfortable Software zur Kon- figurierung und Anzeige der einzelnen »Überwachungsdaten«. Zum Asus-TX97- Board wird beispielsweise eine Software auf der Basis des Intel-LAN-Desk-Managers mitgeliefert (LDCM), die es ermöglicht, die Daten des PC auch über ein Netzwerk abzufragen, und im Fehlerfall wird außerdem ein entsprechender Alarm über das Netzwerk gesendet. 487 7 Mikroprozessoren für PCs Der Mikroprozessor wird vielfach zur Klassifizierung eines PC verwendet, wobei jedoch nicht vergessen werden darf, dass der Prozessor (CPU, Central Processing Unit) nur eine Komponente von vielen verschiedenen innerhalb eines PC ist, die erst im Zusammenspiel die PC-Performance ergeben. Ein verhältnismäßig schneller Prozessor und ein relativ kleiner RAM-Speicher oder auch eine langsame Festplatte machen leistungstechnisch keinen Sinn und können die Gesamtleistung eines PC durchaus auf das Niveau einer älteren CPU-Leistungs- klasse herabsetzen. Des Weiteren hängt es auch maßgeblich von der Art der ver- wendeten Software ab, ob die Prozessorleistung überhaupt ausgenutzt werden kann. Bestimmend für die Leistung eines PC sind im Wesentlichen die folgenden Kompo- nenten oder Kriterien: > Der Typ des Mikroprozessors > Die Taktfrequenz des Mikroprozessors > Die Größe des RAM-Speichers > Die Größe des Cache-Speichers > Die Mainboard-Architektur (Chipsatz) > Das Bussystem (ISA, EISA, PCI) > Die Festplatte (Typ, Kapazität) > Die Grafikkarte (Typ, Kapazität des Grafikspeichers) > Die Funktionalität des BIOS (optimaler Setup?) > Das Betriebssystem (Single User, Multi-User/Multitasking) > Die verwendete Software (DOS, Windows, Emulationen) Der erste Mikroprozessor, der in einem PC eingesetzt wurde – der 8088 –, ist mitt- lerweile 20 Jahre alt und es ist klar, dass gerade auf diesem Gebiet eine besonders rasante Weiterentwicklung stattgefunden hat, wie es die Tabelle 7.1 anhand der Anzahl der verwendeten Transistoren verdeutlichen mag. Was vielleicht aber nicht so klar ist, ist die Tatsache, dass die mit dem ersten PC geschaffenen Standards und auch Eigentümlichkeiten bis heute einen maßgeblichen Einfluss selbst auf die neue- sten Mikroprozessoren und Mainboard-Architekturen für PCs ausüben. Mikroprozessoren für PCs Teil 4 · Mainboard-Elektronik 488 Prozessor Anzahl der Transistoren Erscheinungsjahr 8086 29.000 1980 80286 130.000 1982 80386DX 280.000 1985 80386SX 275.000 1987 486DX 1,2 Mio 1989 486SX 1,185 Mio 1991 486DX2 1,2 Mio 1992 Pentium 3,2 Mio 1993 486DX4 1,6 Mio 1994 PentiumPro 5 Mio 1995 Pentium MMX 4,5 Mio 1996 Pentium II 7,5 Mio 1997 AMD K6 8,8 Mio 1997 Celeron 7,5 Mio 1998 Pentium III 90,5 Mio 1999 AMD Athlon (K7) 22 Mio 1999 Tabelle 7.1: Die Anzahl der verwendeten Transistoren (ohne L2-Cache) in den Prozessoren verdeut- licht die rasante technologische Weiterentwicklung der Mikroprozessoren Die Mikroprozessoren für Personal Computer werden in immer kürzeren Zeitinter- vallen immer leistungsfähiger, was eine höhere Taktfrequenz und Komplexität be- deutet und sich in einer Vielzahl an verwendeten Transistoren in der CPU nieder- schlägt. Alle Prozessoren für Personal Computer sind für die Software jedoch grundsätzlich abwärtskompatibel. Das bedeutet, dass ein Programm, welches für einen 8088 geschrieben wurde, auch auf einem Pentium III funktionieren wird – wie sinnvoll dies auch immer sein mag –, nur wesentlich schneller und ohne dabei natürlich die neuen Features des leistungsfähigeren Prozessors nutzen zu können. Bisher hat kein neuer PC-Prozessor radikal mit der Tradition der vorhergehenden gebrochen und die mit dem jeweiligen Prozessor eingeführten Features werden bei der nächsten Generation weitergeführt. 489 7.1 Die 8088/8086-Mikroprozessoren Der Siegeszug des PC begann mit dem Original IBM-PC im Jahre 1981, welcher einen 8088-Prozessor der Firma Intel verwendete. Dieser Prozessor arbeitet intern mit einer Datenbreite von 16 Bit, extern jedoch nur mit 8 Bit. Der Datenbus hat also lediglich eine Breite von 8 Bit. Ein Prozessor mit 16-Bit-Datenbus war bereits seit 1978 verfügbar. Dieses ist der 8086, doch zum damaligen Zeitpunkt entschied man sich bei IBM für den »abgespeckten« und damit preisgünstigeren 8088, der voll kompatibel zum 8086 ist. Zum PC-Bus hin – zum Slot, der die Einsteckkarten aufnimmt – verhalten sich beide Typen völlig identisch, es existiert lediglich eine unterschiedliche Datenbus- breite zum Speicher (DRAM). Da sowohl der 8086 als auch der 8088 intern mit 16- Bit-breiten Registern arbeiten, benötigt der 8088 immer zwei Zugriffe, um Befehle oder Daten aus dem Speicher lesen zu können. Die interne Kommunikations- geschwindigkeit eines 8088-Systems ist dadurch um etwa 25% niedriger als bei einem 8086-System. Damals war sicherlich nicht abzusehen, in welch rasantem Tempo sich die für den Prozessor notwendigen Peripherie-Chips entwickeln würden, so dass man stattdes- sen ebenso gut den leistungsfähigeren 8086 hätte einsetzen können. Ein weiterer Grund für die Verwendung des 8088 war sicherlich auch, dass das Layout des Mainboards einfacher gehalten werden konnte, da ein 16-Bit-Datenbus plus ent- sprechender Steuerungssignale nun mal ein Vielfaches an Leitungen gegenüber einem 8-Bit-Design benötigen. Bild 7.1: Der Mikroprozessor 8088 befindet sich auf einem PC-Standard-Mainboard in einem 40- poligen DIP-Gehäuse (Dual-In-Line-Package). Für den zusätzlichen mathematischen Coprozessor ist ebenfalls ein entsprechender Sockel vorgesehen Beide CPU-Typen besitzen einen 20 Bit breiten Adressbus, womit 1 Mbyte (1024 Kbyte) Speicherzellen adressierbar sind. Für die Programme stehen jedoch lediglich 640 Kbyte zur Verfügung, da im oberen Bereich das System-BIOS, die Grafikkarte und weitere Adressen und Register für die PC-Hardware reserviert sind. Diese Be- grenzung auf einen (unter DOS, Real Mode) direkt adressierbaren Speicher von 640 Kbyte rührt genau aus dieser Tatsache und dieser Umstand ist selbst beim Pentium II gültig. Mikroprozessoren für PCs Teil 4 · Mainboard-Elektronik 490 Beide Prozessoren können grundsätzlich in zwei Betriebsarten betrieben werden, die mit Minimal- beziehungsweise mit Maximalmodus bezeichnet sind. Mit dem Signal MN/MX (Pin 33) kann zwischen beiden Modi umgeschaltet werden, wobei für PCs der Maximalmodus üblich ist, denn hierbei werden über die Kontakte 24-32 Statussignale an einen nachgeschalteten Buscontrollerbaustein gesendet, welcher die Kommunikation über den Bus steuert. Bild 7.2: Die Anschlüsse der 8086-CPU Die Adressen und Daten werden sowohl vom 8088 als auch vom 8086 über einen gemultiplexten Bus (ADx) zur Verfügung gestellt. Zur Trennung dieser Informatio- nen wird ein externes Adressen/Daten-Latch verwendet, welches durch das Prozessor- signal ALE (Address Latch Enable) gesteuert wird. Da der 8088 extern lediglich 8 Bit breit ist, führen bei diesem Typ die oberen Leitungen (A8-A19) lediglich die Adressen- aber keine Dateninformation. Bezeichnung Pin-Nr. Richtung Bedeutung/Funktion GND 1 – Masse AD15-AD0 2-16, 39 Eingänge Adress-Datenbus. Bei einem Low an Ausgänge ALE (Adress Latch Enable) werden Daten übertragen. ALE wird im PC- üblichen Max-Modus mit Hilfe des Buscontrollers (8288) generiert. Der 8088 verwendet als Datensignale lediglich AD7-AD0. NMI 17 Eingang Non Maskable Interrupt. Bei Auslö- sung verzweigt die CPU zum Interrupt-Vektor Nr.2. [...]... hardwarekompatibel zum Original -PC und werden daher (auch heute noch) eher für Spezialanwendungen, wie in der Mess-, Steuerungs-, und Regelungstechnik eingesetzt Zahlreiche »aktive« ISDN-Karten verwenden beispielsweise einen 80186 und bei Embedded -PC- Systemen wird immer wieder auf diesen Typ zurückgegriffen 7.2 Der 80286-Mikroprozessor Als Weiterentwicklung des traditionellen PCs versteht sich der XT, der... Verarbeitungsgeschwindigkeit erzielt werden 492 Mikroprozessoren für PCs Eher selten wurden in Personal Computern der 80186 oder der 80188 eingesetzt, die im Prinzip den Prozessoren 8086 und 8088 entsprechen Sie beinhalten zusätzlich einige Bausteine (Taktgenerator, Interrupt-Controller, DMA-Controller), welche sich in einem traditionellen PC als einzelne Bauelemente auf dem Mainboard befinden Durch diese... VCC 40 Eingang Versorgungsspannung +5V Tabelle 7.2: Die Signale der 8088/8086-Prozessoren Der 8086-Prozessor hat sich in Deutschland besonders durch die Computer der Firmen Schneider und Amstrad (PC1 512, PC1 640) sowie mit dem Modell 30 der Firma IBM verbreitet In 8088/86-Laptops wurden bevorzugt die stromsparenden CMOS-Versionen 80C88 oder 80C86 verwendet und für mathematische Anwendungen wurde ein... Mainboard-Elektronik Fortsetzung der Tabelle: Bezeichnung Pin-Nr Richtung Bedeutung/Funktion /RD 32 Ausgang Umschaltung zwischen Lesen und Schreiben MN-/MX 33 Eingang Umschalten zwischen Minimal- und Maximal-Modus; bei PCs ist der Pin auf GND (Max-Mode), da ein eigener Bus-Controller (8288) verwendet wird /BHE-/S7 34 Ausgang Bus High Enable kennzeichnet mit A0 die Breite des jeweiligen Datenzugriffs /BHE A0 Zugriff 0...Mikroprozessoren für PCs Fortsetzung der Tabelle: Bezeichnung Pin-Nr Richtung Bedeutung/Funktion INTR 18 Eingang Interrupt Request, Anforderung eines Interrupts (vom 8259) CLK 19 Eingang CPU-Taktsignal (5, 8, 10 MHz) GND 20... stehen jeweils einzelne Anschlüsse für Adressen (A0-A23) und Daten (D0-D15) zur Verfügung, was eine schnellere Kommunikation mit den weiteren Schaltungselementen, wie dem Speicher (RAM), ermöglicht Ein PC mit 80286-Prozessor ist daher bis zu sechsmal schneller als ein 8086-Computer Bild 7.4: Die Gehäuseformen und Anschlüsse des 80286-Prozessors Da beim 80286 mehr Anschlüsse als bei den Vorgängertypen... auf den oberen Datenbusleitungen (D15-D8) /BHE A0 Zugriff 0 0 16 Bit 0 1 8 Bit, D15-D8 1 0 8 Bit, D7-D0 1 1 nicht definiert N.C 2, 3, 55, 56 – No Connection, nicht angeschlossen 494 Mikroprozessoren für PCs Bezeichnung Pin-Nr (PLCC) Richtung Bedeutung/Funktion /S1, /S0 4, 5 Ausgänge Signalisiert den Bus Cycle Status in Verbindung mit COD-/INTA und M-/IO COD-/ M-/ /S1 /S0 Bedeutung INTA IO 0 0 0 0 Interrupt . Varian- ten. Bild 6.89: Der PC8 7307-Super-I/O-Controller (rechts neben dem PIIX4) wird auf dem Intel-AL440LX- Mainboard eingesetzt, welches unter anderem in den zweiten PC von Aldi (266 MHz- Pentium-II-CPU). Super-I/O-Controller, die am PCI-Bus oder am I/O-Controller-Hub (ab Intel-810-Chipset) angeschlossen sind, wie es bei neueren Mainboards generell der Fall ist. 483 Bild 6.90: Der PC8 7332VLJ der Firma. des PC- Gehäuses detektieren kann. Allerdings unterstützen diese Möglichkeit nicht alle Mainboards, die über einen LM78 oder auch ähnlichen Bau- stein verfügen. Ein Problem ist dabei, dass der PC