Come funziona la scheda madre – parte 2

Gli slot per la RAM
I moduli di memoria RAM sono installabili sugli appositi slot presenti sulla
scheda madre per mezzo di moduli detti Dimm (Dual In-line Memory
Module). Questi moduli di capacità tipica di 256, 512 o 1024 KB si installano
a incastro sugli slot fino a ottenere la chiusura dei fermi di colore bianco
visibili nella figura.

Le attuali tipologie di memorie per i sistemi AMD sono le DDR,
mentre nei sistemi Intel possiamo trovare motherboard con supporto alle DDR
o alle DDR2. I Dimm di queste memorie sono incompatibili sia meccanicamente,
avendo i primi 184 contatti e i secondi 240, sia elettricamente, essendo che
i DDR operano a 2.6 volt mentre i DDR2 ad 1.8 volt. Le memorie di tipo DDR2
sono supportate attualmente solo dalle schede madri Intel Socket 775, ma presto
anche AMD si adeguerà al nuovo standard con le schede madri Socket M2.

I moduli DDR (Double Data Rate) sono in grado, rispetto alle vecchie memorie
sincrone SDR Pc133, di trasportare dati su entrambi i fronti, discendente e
ascendente, del segnale di clock, ottenendo così un quasi raddoppio della
banda di trasmissione dei dati (bandwidth) tra processore e memoria, al fine
di garantire maggiori prestazioni.

Grazie a un’ulteriore tecnica di sfasamento del segnale di clock le DDR2
possono trasmettere con una tecnica QDR (Quad Data Rate) quattro
dati per ciclo di clock, anche se le loro elevate latenze operative, necessarie
per compensare le elevate frequenze raggiunte, ne limitano in parte le prestazioni.
I moduli DDR400 rappresentano attualmente lo standard per le memorie di tipo
DDR, e rappresentano l’ultimo tassello evolutivo che si è susseguito
alle DDR266 e DDR333. Le DDR2 sono invece disponibili nelle tipologie DDR2-400,
DDR2-533 (formato attualmente più diffuso), DDR2-667, e sono in progetto
anche le DDR2-800.

Molte schede madri supportano l’inserimento di memorie a coppie, al
fine di ottenere un doppio canale di dati ricavato dalla bandwidth singolarmente
fornita da ciascuno dei due moduli Dimm. Si parla in questo caso di configurazione
Dual-Channel; essa ha per scopo un raddoppio della ampiezza
del memory-bus da 64 a 128 bit, e può migliorare la bandwidth effettiva
della memoria anche del 35%. Molte delle recenti schede madri Socket 775, Socket
A/462, e le più recenti Socket 939 supportano Dual-Channel, e spesso
questo supporto è riconoscibile da slot diversamente colorati.

L’architettura del chipset e l’FSB
Il chipset è il set (gruppo) di chip di controllo che governa le comunicazioni
tra i vari componenti installati sulla scheda madre. Solitamente, su una motherboard
il Chipset è composto da due chip denominati Northbridge (ponte-nord)
e Southbridge (ponte-sud).

Il Northbridge governa il trasferimento dei dati tra la CPU,
la memoria RAM di sistema e il bus specializzato destinato alla comunicazioni
con la scheda video. Il Northbridge è altresì collegato, spesso
attraverso un bus specializzato ad alta velocità (Dmi, Vlink, MuTIOL…)
al più piccolo Southbridge, a cui sono delegate le funzioni
di gestore delle comunicazioni verso gli slot di espansione PCI/PCI-Express,
le unità disco ATA/Atapi, e verso le periferiche esterne attraverso le
porte di comunicazione USB, Parallela, Seriali, Firewire… eventualmente
integrate sulla scheda madre. Per la sua funzione di gestore delle comunicazioni
tra processore e memoria, il chip Northbridge è anche chiamato memory-controller.

Le comunicazioni tra la CPU, il memory-controller e la memoria RAM passano
attraverso un bus dati dedicato, denominato FSB (Front Side Bus),
altrimenti detto bus di sistema. Su ogni scheda madre esiste un chip specializzato,
denominato clock generator, adibito a generare la frequenza di bus di sistema.

Nella precedente generazione di schede madri con memorie sincrone SDR Pc100
o Pc133, la frequenza di FSB (a parte casi particolari) era sincronizzata con
quella della memoria RAM. AMD, con l’introduzione dei sistemi Athlon,
introdusse sull’FSB una tecnica di tipo DDR a doppio fronte; in seguito
Intel, con i primi Pentium 4 ad architettura NetBurst, introdusse una tecnica
QDR. La velocità equivalente, detta Bus-Speed, è quindi pari al
doppio o al quadruplo dell’FSB.

Queste tecniche consentono di ridurre le pesanti latenze di trasmissione dei
dati, causa principale dei colli di bottiglia negli attuali sistemi. Una soluzione
ancora più drastica è stata presa da AMD con l’introduzione
dei sistemi Athlon 64 che prevedono il memory-controller direttamente integrato
nel core (nucleo) della CPU, al fine di evitare del tutto le latenze di trasmissione
dei dati verso un bus esterno. In questi sistemi non si parla più di
Bus-Speed, ma di frequenza di HT relativa al bus interno HyperTransport
di queste schede madri.

I bus di espansione e i bus grafici
La scheda madre prevede un certo numero di slot di espansione di colore bianco
di tipo PCI (Peripheral Component Interconnect) sui quali poter
installare hardware aggiuntivo quali schede audio, modem interni, schede per
il video-editing, e cosi via. Questo bus a 32 bit, introdotto da Intel nel 1990,
opera a 33 MHz e può trasmettere fino a 133 MB/sec. Nei primi sistemi
Pentium 1/Mmx sullo slot PCI andava installata anche la scheda video, ma con
l’evoluzione del 3D gaming si vide presto che l’hardware video mandava
in saturazione il PCI.

Fu cosi introdotto il bus dedicato AGP (Accelerated Graphic
Port), uno slot di colore marrone che troviamo ancora su un discreto numero
di schede madri. L’AGP nella versione 1x, operando a 66 MHz, era capace
di trasmettere 266 MB/sec. La successiva versione 2.0, grazie a tecniche DDR
e QDR applicate al bus, ha consentito di raggiungere i 1.066 MB/sec, mentre
nella versione 3.0 abbiamo l’attuale AGP 8x che può trasmettere
dati fino a 2.133 MB/sec. Gli slot AGP 4x e 8x operano a 1.5 Volt, contro i
3.3 Volt delle vecchie versioni 1x e 2x, e i pettini di innesto delle relative
schede video sono pertanto meccanicamente incompatibili.

Verso la fine del 2004 Intel ha voluto introdurre il PCI-Express.
Questo nuovo tipo di bus, che soppianterà gradualmente i bus di precedente
generazione, è basato su un trasferimento di dati di tipo seriale punto-punto
ad alta velocità, contro il parallelo usato da PCI. Un singolo canale
PCI-Express 1x è capace di una bandwidth di 266 MB/sec, mentre per la
scheda video è stato realizzato il connettore specifico PCI-Express 16x,
in grado di trasferire dati a 4 GB/sec, il doppio di AGP. La connessione PCI-Express
può anche funzionare in modalità full-duplex (2x), e lo slot PCI-Express
16x è inoltre in grado di fornire fino a 75 Watt di alimentazione alle
recenti schede video 3D, contro i 40 Watt di AGP. Usando questi bus, la GPU
della scheda video può accedere direttamente a un’area riservata
della memoria RAM per lo stoccaggio delle Texture.

Le porte ATA parallele e seriali
Le porte ATA (AT Attachment) di tipo parallelo sono adibite alla installazione
delle unità disco rigido e delle unità ottiche CD/DVD/Masterizzatori.
Questo standard usa un cavo a piattina da 80 poli che trasmette dati in modo
parallelo e raggiunge, nella sua più recente evoluzione, un transfert-rate
di 133 MB/sec teorici (104 MB/sec effettivi). Ogni porta Parallel-ATA può
collegare due unità disco, e su ogni porta è necessario definire
una configurazione Master/Slave.

Per supplire alle maggiori esigenze in termini di transfer-rate dei dati dei
moderni hard disk da 7.200 e 10.000 rpm (rotazioni per minuto) e dei sistemi
integrati in Raid-0, verso i primi del 2004 sono state introdotte le porte Serial-ATA.
Si tratta di un canale di comunicazione punto-punto seriale ad alta velocità
capace nella prima versione di 150 MB/sec, che diventano 300 MB/sec nel Serial-ATA
II. Con Serial-ATA ogni hard disk ha il suo specifico cavo dati di connessione,
sparendo il concetto di Master/Slave.

Le periferiche integrate
Per esigenze economiche alcune schede madri possono integrare, oltre a un chip
audio, anche un chip video. Quest’ultimo, dotato di funzioni 3D di base,
è spesso integrato nella microcircuiteria del Chipset, al fine di realizzare
PC da ufficio ove la potenza grafica 3D non è rilevante. Alcune schede
madri integrano chip per la gestione di controller Raid 0, 1 e 5 su porte Serial
ATA o Parallel-ATA. Sono spesso integrati chip ethernet LAN da 100 e 1.000 MBit,
mentre nelle motherboard più recenti troviamo talvolta chip per la gestione
Wireless 802.11G, nonchè chip per la gestione di porte IEEE1394 Firewire.

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