Шина является неотъемлемой частью материнской платы, на которой располагаются разъемы (слоты) для подключения плат адаптеров устройств (видеокарты, звуковые карты, внутренние модемы, накопители информации, устройства ввода–вывода и т. д.) и расширений базовой конфигурации (дополнительные пустующие разъемы). Внешне она не просматривается, а находится между текстолитовыми пластинам материнской платы.

Как отмечалось раннее, на производительность компьютерной системы в целом большое влияние оказывает системная шина. Шины – это артерии, по которым передаются электрические сигналы. Строго говоря, это каналы связи, применяемые для организации взаимодействия между устройствами компьютера. А те разъемы, в которые устанавливаются платы расширения, поддерживаются локальными шинами, или интерфейсами. Эти разъемы выполнены в виде слотов, и с их помощью осуществляется подключение дополнительных устройств (компонентов) через локальные шины, которых, как и системную шину, не видно на материнских платах. Схематично структура взаимосвязи шин отражена на рис. 9.

Дадим характеристику шинам, которые присутствуют на материнской плате. Основной считается системная шина FSB (Front Side Bus). По этой шине передаются данные между процессором и оперативной памятью, а также между процессором и остальными устройствами персонального компьютера. Вот тут и есть один подводный камень. Дело в том, что существует главная шина, шина процессора. Одни авторы утверждают, что системная шина и шина процессора это одно и то же, а другие – нет. Большинство приходят к выводу: поначалу процессор подключался к основной системной шине через собственную, процессорную, шину, в современных же системах эти шины стали одним целым. Мы говорим: “системная шина”, а подразумеваем процессорную, мы говорим: “процессорная шина”, а подразумеваем системную. Фраза: «материнская плата работает на частоте 100 МГц» означает, что именно системная шина работает на тактовой частоте в 100 МГц. Разрядность FSB равна разрядности CPU. Если используется 64–разрядный процессор, а тактовая частота системной шины 100 МГц, то скорость передачи данных будет равна 800 Мбайт/сек (что и приведено ниже в расчетах).

Существует три основных показателя работы шины. Это тактовая частота, разрядность и скорость передачи данных.

Тактовая частота. Чем выше тактовая частота системной шины, тем быстрее будет осуществляться передача информации между устройствами и, как следствие, увеличится общая производительность компьютера, т. е. повысится скорость передачи данных и, следовательно, быстродействие компьютера.

Тактовая частота, применительно к персональным компьютерам, измеряется в МГц, где герц – это одно колебание в секунду, соответственно 1 МГц – миллион колебаний в секунду. Теоретически, если системная шина компьютера работает на частоте в 100 МГц, то значит она может выполнять до 100 000 000 операций в секунду. Совсем не обязательно, чтобы каждый компонент системы обязательно что-либо выполнял с каждым тактом. Существуют так называемые пустые такты (циклы ожидания), когда устройство находится в процессе ожидания ответа от какого–либо другого устройства. Персональные компьютеры класса Pentium I оснащались материнскими платами с поддержкой частоты системной шины 33 МГц, Pentium II - 66 МГц, Pentium III – 133 МГц. Современные материнские платы поддерживают работу системной шины на частотах 400, 533, 800, 1066 и даже 1600 МГц.

Разрядность. Шина состоит из нескольких каналов для передачи электрических сигналов. Если шина тридцатидвухразрядная, то это означает, что она способна передавать электрические сигналы по тридцати двум каналам одновременно. Шина любой заявленной разрядности (8, 16, 32, 64) имеет, на самом деле, бо льшее количество каналов. То есть, если взять ту же тридцатидвухразрядную шину, то для передачи собственно данных выделено 32 канала, а дополнительные каналы предназначены для передачи специфической информации, например сигналов управления.

Скорость передачи данных. Название этого параметра говорит само за себя. Он высчитывается по формуле

тактовая частота * разрядность = скорость передачи данных.

Сделаем расчет скорости передачи данных для 64–разрядной системной шины, работающей на тактовой частоте в 100 МГц.

100 * 64 = 6400 Мбит/сек;

6400 / 8 = 800 Мбайт/сек.

Но полученное число не является реальным. В жизни на шины влияют всевозможные факторы: неэффективная проводимость материалов, помехи, недостатки конструкции и сборки, а также многое другое. По некоторым данным, разность между теоретической скоростью передачи данных и практической может составлять до 25%.

Кроме системной шины на материнской плате есть еще шины ввода–вывода, которые отличаются друг от друга по архитектуре. Они получили название локальные.

В персональных компьютерах разных поколений использовались шины стандартов ISA, EISA, VESA, VLB и PCI. ISA, EISA, VESA и VLB, в настоящее время они являются устаревшими и не выпускаются на современных материнских платах. Сегодня все материнские платы базируются на шине PCI.

Все стандарты различаются как по числу и использованию сигналов, так и по протоколам их обслуживания.

ISA (Industrial Standard Architecture – промышленная стандартная архитектура). Первая 8–разрядная шина ISA появилась в 1981 году, а в 1984 году появился ее 16–разрядный вариант. Первые шины ISA фактически были единственным типом, но различались затем по тактовой частоте 8 МГц и 16 МГц. Следует отметить, что шины ISA практически 10 лет являлись единственными на материнских платах и до сих пор встречаются на некоторых из них. До 1987 года IBM отказывалась публиковать полное описание ISA, многие производители железа решились на разработку собственных шин. Так появилась 32-разрядная ISA, которая не нашла применения, но фактически предопределила появление шин следующих поколений MCA и EISA. В 1985 году фирма Intel разработала 32–разрядный 80386 процессор, который увидел свет в конце 1986 года. Появилась насущная необходимость в 32–разрядной шине ввода–вывода. Вместо того что бы продолжить дальнейшую разработку ISA, в IBM создали новую шину MCA (Micro Channel Architecture – микроканальная архитектура), которая во всех отношениях превосходила свою предшественницу. Но этот стандарт просуществовал не долго, и вскоре фирмой Compaq была разработана новая шина EISA.

EISA (Extended Industry Standard Architecture – расширенная промышленная стандартная архитектура). Основное ее отличие заключалось в 32–разрядной технологии, что привело к увеличению скорости обмена данными. При этом была сохранена совместимость с платами, рассчитанными для работы с ISA. Скорость передачи данных уже равнялась 33 Мбайт/сек. Но по-прежнему внутренняя тактовая частота осталась низкой – 8,33 МГц. С повышением тактовых частот и разрядности процессоров настала насущная проблема в повышении скорости передачи данных в шинах. В 1992 году появился еще один расширенный вариант ISA – VLB (VESA Local Bus) - Video Electronic Standard Association . VLB была локальной шиной, которая не изменяла, а дополняла существующие стандарты. Просто к основным шинам добавлялось несколько новых быстродействующих локальных слотов. Популярность шины VLB продлилась до 1994 года. Скорость передачи данных VLB равнялась 128 – 132 Мбайт/сек, а разрядность –32. Тактовая частота достигала 50 МГц, но реально не превышала 33 МГц в связи с частотными ограничениями самих слотов. Основная функция, для которой была предназначена новая шина, – обмен данными с видеоадаптером. Но новая шина имела ряд недостатков, которые не позволили ей долго просуществовать на рынке.

В 1991 году начались разработки новой локальной шины PCI. PCI (Peripheral Component Interconnect bus) – шина соединения периферийных компонентов. И в июне 1992 года появился этот новый стандарт – PCI (2.0), разработчиком которого была фирма Intel совместно с другими компаниями Compaq, HP и др. Это было своеобразной революцией. Разнообразие плат расширения, использующих шину PCI, было велико. Тактовая частота шины PCI была равна 33 МГц и 66 МГц. Разрядность – 32 или 64. Скорость передачи данных – 132 Мбайт/сек или 264 Мбайт/сек. Шина PCI обеспечивает самоконфигурируемость периферийного (дополнительного) оборудования - поддержку стандарта Plug and Play, исключающего ручную конфигурацию аппаратных параметров периферийного оборудования при его изменении, или наращивании. Операционная система, поддерживающая этот стандарт, сама настраивает оборудование, подключенное по шине PCI, без вмешательства пользователя.

Постоянное усовершенствование видеокарт привело к тому, что физических параметров шины PCI стало не хватать, что и привело к появлению в 1996 г. AGP. До 1997 года графическая подсистема сильно нагружала шину PCI. Выпуск вместе с чипсетом Intel 440LX ускоренного графического порта AGP (Accelerated Graphics Port) послужил двум целям: увеличить графическую производительность и убрать графические данные с шины PCI. Поскольку графическая информация стала передаваться по другой "шине" перегруженная шина PCI смогла освободиться для работы с другими устройствами.

На материнской плате этот порт существует в единственном виде. Ни физически, ни логически он не зависит от PCI. Первый стандарт AGP 1.0 появился в 1997 году благодаря инженерам фирмы Intel. Этой спецификации соответствовала тактовая частота 66 МГц. Следующая версия, AGP 2.0, появилась на свет в 1998 году и скорость передачи данных – 533 Мбайт/сек (2х) и 1066 Мбайт/сек (4х). Последней версией AGP явилась AGPх8 (2004–2005гг.). Основным (базовым) режимом AGP является 1х. В этом режиме происходит одиночная передача данных за каждый цикл. В режиме 2х передача происходит два раза за цикл, в режиме 4х передача данных происходит четыре раза за каждый цикл, и так далее. Ширина полосы пропускания AGP 1.0 – 32 бита. Большим достижением AGP является то, что эта спецификация позволяет получить быстрый доступ к оперативной памяти.

Однако AGP явился лишь первым шагом в деле уменьшения нагрузки шины PCI. Шина PCI Express, ранее известная как шина ввода–вывода третьего поколения (3rd Generation I/O, 3GIO), призвана заменить шину PCI и взять на себя задачу по связи компонентов внутри компьютера на ближайшие десять лет.

Что касается стоимости внедрения, то новая шина призвана соответствовать уровню PCI или даже быть ниже него. Последовательная шина требует наличия меньшего числа проводников на печатной плате, облегчая дизайн платы и увеличивая его эффективность – ведь освободившееся место можно использовать для других компонентов.

Шина поддерживает совместимость с PCI на программном уровне, то есть существующие операционные системы будут загружаться без каких-либо изменений. Кроме того, конфигурация и драйверы устройств PCI Express будут совместимы с существующими PCI-вариантами.

Одна из наиболее впечатляющих функций PCI Express заключается в возможности масштабирования скорости, используя несколько линий передачи. Физический уровень поддерживает ширину шины X1, X2, X4, X8, X12, X16 и X32 линий. Передача по нескольким линиям прозрачна для остальных слоёв.

Поскольку PCI Express обеспечивает скорость передачи 200 Мбайт/с уже при ширине X1, шина является очень эффективным решением по отношению стоимость/число контактов. Шин PCI Express х16 позволяет достичь пропускной способности 4 Гбайт/с в каждом направлении (суммарная пропускная способность 8 Гбайт/с) для графики, что более чем в два раза больше пропускной способности AGP 8X.

Другими словами, спецификация описывает несколько видов соединений и разъемов: PCI Express 1x, 4x, 8x, 16x. Первый состоит из одной так называемой Lane. Последний – из шестнадцати. Соответственно, пропускная способность первого составляет 500 Мбайт/с в обе стороны, а последнего – 8 Гбайт/с (по 4 Гбайт/с в каждую сторону). При этом все 20 имеющихся групп Lane могут быть произвольным образом распределены между разъемами 1х, 4х, 8х, и 16х. Разъемы совместимы снизу вверх, то есть PCI Express 1х карту можно вставить в разъем PCI Express 4х, 8х, или же 16х. Но не наоборот. Остается добавить, что на настольных ПК в основном применяются шины 1х и 16х. Следует также обратить внимание на уменьшение габаритов PCI Express по сравнению с просто с PCI. На начальных этапах PCI Express был предназначен для подключения видеокарты, которые были достаточно дороги (400$ и более). В настоящее время видеокарты низшего и среднего ценового диапазона для шины PCI Express стали доступны. И производители других компонентов компьютера начинают активно разрабатывать новые устройства под эту шину. И как указывается в прогнозах, как минимум на 10 лет шина PCI Express будет являться основной для подключения внутренних устройств ПК и постепенно вытиснит шину PCI.

Чипсет

Как уже можно было убедиться на примере системной и локальных шин, материнская плата является довольно сложным устройством и включает следующий важный компонент – чипсет. От чипсета напрямую зависят все основные характеристики материнской платы, а следовательно, и конструируемой на ее базе компьютерной системы.

Чипсет является основой любой материнской платы. Фактически функциональность материнской платы и ее производительность на 90% определяются именно чипсетом, от которого зависят поддерживаемый тип процессора, тип памяти, а также функциональные возможности по подключению периферийных устройств.

Чипсет – это набор микросхем системной логики (называют сокращенно НМС или МСЛ). Общеизвестно, что персональный компьютер состоит из некоторого количества устройств, которые так или иначе подключены к материнской плате и занимаются тем, что принимают, обрабатывают и передают какую-либо информацию. Логической организацией всей этой работы и занимаются чипсеты. На первых поколениях ПК, когда НМС еще не существовало, материнские платы несли на себе до ста микросхем, которые занимались логической организацией работы отдельных устройств, что было крайне неудобно. Вот некоторые из них: контроллеры прерываний, контроллер прямого доступа, контроллер клавиатуры, часы, системный таймер, контроллер шин и прочее и прочее. Такое положение просуществовало до 1986 года, когда фирма Chip and Technologies предложила поистине революционное решение. Микросхема называлась 82С206 и стала основной частью набора микросхем системной логики. Она выполняла такие функции, как:

Контроллер шин;

Генератор тактовой частоты;

Системный таймер;

Контроллер прерываний;

Контроллер прямого доступа к памяти;

С появлением процессора i80486 отдельные микросхемы стали объединять в одну–две большие микросхемы, которые и получили наименование чипсета. В буквальном переводе чипсет (chipset) означает «набор микросхем». Чипсет, который также называют набором системной логики, - это одна или чаще всего две микросхемы (чипы), предназначенные для организации взаимодействия между процессором, памятью, портами ввода-вывода и остальными компонентами компьютера.

С появлением шины PCI отдельные микросхемы чипсета стали называть мостами - так появились устоявшиеся термины: северный мост (North Bridge) и южный мост (South Bridge) чипсета, при этом северный мост соединяется непосредственно с процессором, а южный - с северным. В некоторых случаях производители объединяют северный и южный мост в одну микросхему, и такое решение называют одночиповым, а если микросхемы две, то это - двухмостовая схема.

В северный мост чипсета традиционно включены контроллер оперативной памяти (за исключением чипсетов для процессоров с архитектурой AMD64), контроллер графической шины (AGP или PCI Express x16), интерфейс взаимодействия с южным мостом и интерфейс взаимодействия с процессором. В некоторых случаях северный мост чипсета может содержать дополнительные линии PCI Express x1 для организации взаимодействия с картами расширения, имеющими соответствующий интерфейс.

На южный мост чипсета возлагается функция организации взаимодействия с устройствами ввода-вывода. Южный мост содержит контроллеры жестких дисков (SATA и/или PATA), USB-контроллер, сетевой контроллер, контроллер PCI-шины и PCI-Express-шины, контроллер прерывания и DMA-контроллер. Также в южный мост обычно встраивается звуковой контроллер, и в этом случае еще необходима внешняя к чипсету микросхема кодека. Кроме того, южный мост соединяется с еще двумя важными микросхемами на материнской плате: микросхемой ROM-памяти BIOS и микросхемой Super I/O, отвечающей за последовательные и параллельные порты и за флоппи-дисковод.

Для соединения северного и южного мостов друг с другом используется специальная выделенная шина, причем разные производители используют для этого разные шины (с различной пропускной способностью):

· Intel- DMI (Direct Media Interface),

· VIA Technologies (основной производитель для процессоров AMD)-V-Link;

· SiS (Silicon Integrated System Corporation) - MuTIOL;

· ATI- HyperTransport, PCI Express;

· NVIDIA- HyperTransport.

Как правило, название чипсета совпадает с названием северного моста, хотя более правильным является указание именно совокупности северного и южного мостов, поскольку во многих случаях один и тот же северный мост чипсета может сочетаться с различными вариантами южных мостов.

Выбор чипсетов на сегодня очень велик. И если процессоры выпускают всего две компании – Intel и AMD–, то чипсеты производят и Intel, и VIA, и SiS, и NVIDIA, и ATI, и ULi.

Рассмотрим некоторые особенности современных чипсетов компании Intel. Сегодня компания Intel выпускает весьма разнообразный спектр чипсетов для процессоров Intel Pentium D, Intel Pentium 4 и Intel Celeron D. В 2004–2005гг. применялось семейство Intel 915, Intel 925, в 2006 г. – Intel 945. Вместе с новыми процессорами Intel Pentium Extreme Edition 8хх и Intel Pentium D компания Intel представила и новый чипсет Intel 955X Express (кодовое название Glenwood). Все отмеченные чипсеты предназначены для корпуса микропроцессора LGA775.

Чипсет Intel 955X Express является на сегодня старшей моделью и логическим продолжением чипсетов серии Intel 945, Intel 925X Express. Он может поддерживать двухъядерный процессор Intel Pentium Extreme Edition 8хх с частотой FSB 800 МГц или одноядерный процессор Intel Pentium 4 Extreme Edition c частотой FSB 1066 МГц и обычные процессоры Intel Pentium 4. Для процессора Intel Pentium D предназначен чипсет Intel 945X Express. А теперь перечислим основные особенности набора системной логики Intel 955X Express (рис. 10) по сравнению с предыдущими сериями.

Контроллер памяти этого чипсета поддерживает память DDR2-667 в двухканальном режиме, а шина памяти имеет пропускную способность 8,5 Гбайт/с. Всего поддерживается до 8 Гбайт памяти, причем реализована поддержка памяти с ECC. Кроме того, в контроллере памяти реализована технология оптимизации производительности памяти (Performance Memory Optimizations).

Для совместимости с процессорами Intel Pentium 4 Extreme Edition частота FSB может быть как 800, так и 1066 МГц. Особенностью северного моста чипсета Intel 955X Express является также поддержка двух графических шин с внешним мостом, обеспечивающим два физических слота PCI Express x16. Южный мост чипсета ICH7 - это новая версия уже хорошо знакомого контроллера ввода-вывода ICH6. Среди функциональных особенностей - поддержка четырехканального SATA RAID-контроллера, восьмиканального аудиоформата Intel High Definition Audio, PCI-шины и шести слотов шины PCI Express x1.

Чипсеты разрабатываются под конкретные поколения процессоров и конкретные модели процессоров. Так, например, компании VIA Technologies, NVIDIA, SiS в большей степени разрабатывают чипсеты для процессоров AMD. А фирма Intel, естественно, работает на собственный модельный ряд Pentium 4. Основные характеристики чипсетов Intel отражены в табл. 5. Как видно, чем старше модельный ряд, тем большие возможности по производительности и функциональности заложены в них. Поддержка высокоскоростных шин (FSB 800/1066 МГц), современный процессорный разъем (LGA 775), быстрая и большой емкости памяти (DDR2), увеличенное количество USB портов, высокоскоростные интерфейсы винчестера (SATA II) и другие.

Рис. 10. Структурная схема чипсета Intel 955X Express

BIOS (Basic Input/Output System - базовая система ввода–вывода) - это встроенное в компьютер на чипе программное обеспечение, которое ему доступно на первом этапе без обращения к диску. Оно представляет собой набор программ проверки и обслуживания аппаратуры компьютера, в частности необходимых для управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и называемой «холодной» загрузке) и сбросе («горячей» загрузке) системной платы, тестирует саму плату и основные блоки компьютера - видеоадаптер, клавиатуру, контроллеры дисков и портов ввода–вывода, настраивает чипсет и передает управление загрузчику операционной системы. Образец микросхемы BIOSа представлен на рис. 11.

Рис. 11. Микросхема BIOSа компании American Megatrends Inc (AMI).

Таблица 5

Основные характеристики чипсетов для микропроцессоров Intel

По сути дела, BIOS – это набор драйверов (драйвер – программа управления устройством), обеспечивающих работу системы при запуске компьютера или при загрузке в безопасном режиме. При включении питания компьютера еще до загрузки операционной системы можно управлять им с клавиатуры, видеть все действия на мониторе. Кроме этого, если загрузка происходит в безопасном режиме, то осуществляется отказ от драйверов операционной системы и в работе остаются только драйвера BIOS.

При работе под операционными системами DOS и Windows 9x BIOS также управляла основными устройствами, то есть выступала посредником между операционной системой и аппаратурой компьютера. При работе под Windows NT/2000/XP, разновидностями UNIX, OS/2 и другими альтернативными ОС BIOS практически не используется, выпол­няя лишь начальную проверку и настройку.

BIOS состоит из следующих частей:

1. POST (Power On Self Test) - программа, ответственная за тестирование аппаратных средств компьютера при включении питания.

2. System Setup - программа настройки системы.

3. Набор программ для управления работой аппаратуры ПК.

BIOS, вообще говоря, уникален для каждой модели материнской платы компьютера, то есть он разрабатывается с учетом особенностей функционирования той комбинации оборудования, которая характерна именно для данной модели.

BIOS для современных системных плат разрабатывается чаще всего одной из специализирующихся на этом фирм - Award Software (поглотившей Phoenix Technology – одного из самых известных в прошлом производителей BIOS), American Megatrends Inc. (AMI ), Microid Research. В настоящее время наиболее популярен Award BIOS. Некоторые производители материнских плат - Intel, IBM или Acer - сами разрабатывают BIOS для своих плат. Они или существенно расширяют набор настроек или (как в случае с Intel), наоборот, ограничивают количество настроек только минимально необходимыми.

Первоначально BIOS размещалась в микросхеме ПЗУ (постоянное запоминающее устройство - ROM, Read-Only Memory: только для чтения), размещенной на материнской плате компьютера. Эта технология позволяет BIOS всегда быть доступной, несмотря на повреждения, например, дисковой системы. Это также позволяет компьютеру самостоятельно загружаться с других носителей. Поскольку доступ к оперативной памяти осуществляется значительно быстрее, чем к ПЗУ, производители компьютеров создавали системы таким образом, чтобы при включении компьютера выполнялось копирование BIOS из ПЗУ в оперативную память. Задействованная при этом область памяти называется теневой памятью.

Во всех современных платах BIOS хранится в электрически перепрограммируемых ПЗУ (Flash ROM), которые допускают перепрошивку BIOS средствами самой платы при помощи специальной программы. Это позволяет исправлять заводские ошибки в BIOS, изменять заводские умолчания, вносить другие изменения, обновлять BIOS под новые материнские платы или компоненты компьютера.

Однако кроме явных плюсов в этой технологии есть и слабые стороны. Например, в настоящее время существует группа вирусов, которые, пользуясь возможно­стью изменять содержимое BIOS, стирают или изменяют его и таким образом делают компьютер неработоспособным. Из-за неправильного или отсутствующего BIOSа компьютер отказывается загружаться. Исправить такую ситуацию можно только в сервисном центре, где в специальном устройстве - программаторе - на микросхему Flash ROM будет записана исходная версия BIOS. Например, известный вирус «Чернобыль», эпидемия которого была 26 апреля 1999 г., уничтожил миллионы BIOS по всему миру. После этой эпидемии некоторые производители стали снабжать свои материнские платы двумя копиями BIOS. В случае повреждения основной копии загружается содержимое резервной микросхемы. Однако такие платы встречаются достаточно редко.

Свои настройки BIOS хранит в так называемой CMOS RAM. CMOS RAM называется так потому, что она выполнена на основе CMOS-структур (CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor), которые отличаются малым энергопотреблением. CMOS-память является энергонезависимой только потому, что постоянно подпитывается от аккумулятора, расположенного на системной плате. В то время, когда компьютер включен, CMOS RAM питается от блока питания компьютера. Энергопотребление CMOS RAM настолько мало, что даже при выключенном компьютере и отсутствующей батарее ее содержимое может сохраняться более суток только за счет остаточных зарядов на конденсаторах блока питания.

В CMOS RAM хранится информация о текущих показаниях часов, значении времени для будильника, конфигурации компьютера: количестве памяти, типах накопителей и т. д. В случае повреждения микросхемы CMOS RAM (а также разряде батареи или аккумулятора) BIOS имеет возможность воспользоваться настройками по умолчанию.

Общий принцип, которого следует придерживаться: если компьютер работает стабильно и никаких недостатков в его работе, связанных с BIOS, не выявлено, то обновлять BIOS не следует.

Однако существуют ситуации, когда обновление BIOS необходимо. Обычно это выход нового процессора, поддержка которого не была заложена в прежней версии. Прежде чем устанавливать новую версию, нужно отправиться на сайт технической поддержки фирмы-производителя системной платы, прочитать спецификации новой версии BIOS и при необходимости скачать их, удостоверившись, что эта версия исправляет именно те недостатки, которые были выявлены в вашем компьютере.

При включения компьютера на процессор подается напряжение питания, и он «просыпается». Первыми прочитанными процессором командами являются инструкции из чипа BIOS (об этом заботятся микросхемы системной платы). Первым запускается POST - программа самотестирования. POST выполняет следующие шаги:

· инициализирует системные ресурсы и регистры чипсетов, систему управления электропитанием;

· определяет объем оперативной памяти (RAM) и тестирует ее;

· инициализирует видеоадаптер;

· включает клавиатуру;

· тестирует последовательные и параллельные порты;

· инициализирует дисководы и контроллеры жестких дисков;

· отображает итоговую системную информацию.

Все эти действия скоротечно отображаются на экране монитора (в черно-белом варианте) и их можно проследить и даже проанализировать, нажав клавишу «Pause».

В процессе работы BIOS сравнивает данные текущей системной конфигурации с информацией, хранящейся в CMOS, и при необходимости обновляет ее. Если при выполнении какого-либо шага возникли сбои, BIOS информирует об этом сообщениями на экране монитора, а если это невозможно (например, еще не был проинициализирован видеоадаптер), выдает звуковые сигналы через системный динамик. Количество гудков соответствует кодам ошибки, которые можно узнать из документации. Некоторые системные платы снабжаются жидкокристаллическим индикатором, где отображаются стадии прохождения POST-тестов и коды возникших ошибок.

После того как все POST-задания завершены, BIOS приступает к поиску программы-загрузчика. Современные версии BIOS позволяют загружать операцион­ную систему не только с флоппи-дисководов и жесткого диска, но и с привода CD-ROM, ZIP-устройств или Flash накопителей. Программа-загрузчик обычно располагается в первом секторе диска (винчестера), на котором размещена операционная система. Порядок перебора дисков при поиске загрузчика задается в настройках BIOS. Если загрузчик найден, он помещается в память и ему передается управление. После этого он находит и помещает в память собственно программу загрузки операционной системы (operation system loader), которая загружает, инициализирует и конфигурирует операционную систему и драйвера устройств. И уже в завершение, когда операционная система загружена, все управление передается ОС Windows, а затем запускаются другие программы, и в первую очередь из папки «Автозагрузка».

Как уже говорилось ранее, в системах под управлением DOS или Windows 9х BIOS берет на себя роль управления аппаратной частью ПК и служит посредником между операционной системой и оборудованием.

BIOS реализует свои функции через систему прерываний программного обеспечения. Прерывания программного обеспечения приводят к тому, что микропроцессор приостанавливает выполнение текущей задачи и начинает выполнять подпрограмму по обработке прерывания.

Проблема BIOS в том, что ограниченным числом подпрограмм невозможно оптимальным образом накрыть все потребности программного обеспечения и все особенности работы оборудования. Таким образом, использование подпрограмм BIOS не всегда является благом. В частности, эти подпрограммы реализуют некоторые функции компьютера очень медленно. Другим отрицательным моментом является то, что BIOS не позволяет полностью использовать возможности имеющегося оборудования, например его возможности, которые были реализованы после написания BIOS. Поэтому все современные операционные системы, обладая развитой системой обнаружения, конфигурирования и работы с аппаратным обеспечением компьютеров посредством драйверов, не пользуются услугами BIOS.

В будущем ряд производителей системных плат намерены отказаться от использования BIOS. Например, Intel разрабатывает ряд технологий, которые позволят перераспределить функции BIOS между чипсетом и расширениями операционной системы и избавиться от самой старой из доживших до наших дней части ПК.

Полное название BIOSа – ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input/Output System – только для чтения основная система ввода–вывода). На начальных этапах развития персональных компьютеров BIOS кратко назвали ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство). ПЗУ является связующим звеном, между операционной системой и железом. Не будь ROM BIOS, то операционная система была бы привязана к аппаратным средствам (как это и было практически на всех моделях микро-ЭВМ) и полностью бы от них зависела. Поскольку операционные системы имеют единый интерфейс для работы с различной аппаратурой, то проблем в несовместимости hardware и software, как правило, не происходят, так как между ними как раз и стоит BIOS. Напомним, что в компьютерном мире по принятой терминалогии hardware – это аппаратная часть компьютера, а software – программное обеспечение. Все это может выглядеть примерно так (рис.12):

Рис. 12. Роль BIOSа в создании единого аппаратно-программного комплекса

Каждая материнская плата оснащена микросхемой BIOS, которых существует четыре типа:

1. ROM (Read Only Memory) или ПЗУ;

2. PROM (Programmable ROM) или ППЗУ (Программируемое ПЗУ);

3. EPROM (Erasable PROM) или СППЗУ (Стираемое ППЗУ);

4. EEPROM (Electrically EPROM) или ЭСППЗУ (Электронное – Стираемое ППЗУ), второе название – flash ROM.

ROM. Первые ПЗУ представляли собой матрицу, на которой был выжжен код программы. Матрица представляла собой кремниевый кристалл. Перезаписать данные не представлялось возможным. Эта технология продержалась не слишком долго.

PROM. В конце 70-х годов фирма Texas Instruments разработала впервые программируемое ПЗУ. Первое ППЗУ имело емкость до 2 Мбайт. Запись на микросхему PROM можно сделать один раз. Но в отличие от ПЗУ, ППЗУ можно было запрограммировать в домашних условиях. Нужно было лишь купить новую ИС и иметь дома программирующее устройство, подключенное к компьютеру. Микросхемы ППЗУ имели свои идентификационные номера по которым можно было определить тип ППЗУ и объем в Кбайтах.

EPROM. На новых микросхемах имелось кварцевое окошко, довольно дорогое. Через окошко под воздействием ультрафиолетовых лучей возникала химическая реакция, которая восстанавливала ячейки. Для стирания записанной информации применялось специальное устройство. По физическим и функциональным параметрам микросхемы EPROM особо не отличались от PROM.

EEPROM. Основное преимущество этих микросхем заключается в том, что для перепрограммирования не требуется их снятия с материнской платы и не требуется никакого дополнительного оборудования. Уже с 1994 года почти все системные платы оснащаются flash ROM, а на данный момент времени другого BIOS на современной материнской плате не встретишь.

Компьютер состоит из множества различных компонентов, это центральный процессор, память, жесткий диск, а также огромное количество дополнительных и внешних устройств, таких как экран, мышка клавиатура, подключаемые флешки и так далее. Всем этим должен управлять процессор, передавать и получать данные, отправлять сигналы, изменять состояние.

Для реализации этого взаимодействия все устройства компьютера связаны между собой и с процессором через шины. Шина - это общий путь, по которому информация передается от одного компонента к другому. В этой статье мы рассмотрим основные шины компьютера, их типы, а также для соединения каких устройств они используются и зачем это нужно.

Как я уже сказал - шина - это устройство, которое позволяет связать между собой несколько компонентов компьютера. Но к одной шине могут быть подключены несколько устройств и у каждой шины есть свой набор слотов для подключения кабелей или карт.

Фактически, шина - это набор электрических проводов, собранных в пучок, среди них есть провода питания, а также сигнальные провода для передачи данных. Шины также могут быть сделаны не в виде внешних проводов, а вмонтированы в схему материнской платы.

По способу передачи данных шины делятся на последовательные и параллельные. Последовательные шины передают данные по одному проводнику, один бит за один раз, в параллельных шинах передача данных разделена между несколькими проводниками и поэтому можно передать большее количество данных.

Виды системных шин

Все шины компьютера можно разделить за их предназначением на несколько типов. Вот они:

• Шины данных - все шины, которые используются для передачи данных между процессором компьютера и периферией. Для передачи могут использоваться как последовательный, так и параллельный методы, можно передавать от одного до восьми бит за один раз. По размеру данных, которые можно передать за один раз такие шины делятся на 8, 16, 32 и даже 64 битные;
• Адресные шины - связаны с определенными участками процессора и позволяют записывать и читать данные из оперативной памяти;
• Шины питания - эти шины питают электричеством различные, подключенные к ним устройства;
• Шина таймера - эта шина передает системный тактовый сигнал для синхронизации периферийных устройств, подключенных к компьютеру;
• Шина расширений - позволяет подключать дополнительные компоненты, такие как звуковые или ТВ карты;

В то же время, все шины можно разделить на два типа. Это системные шины или внутренние шины компьютера, с помощью которых процессор соединяется с основными компонентами компьютера на материнской плате, такими как память. Второй вид - это шины ввода/вывода, которые предназначены для подключения различных периферийных устройств. Эти шины подключаются к системной шине через мост, который реализован в виде микросхем процессора.

Также к шинам ввода/вывода подключается шина расширений. Именно к этим шинам подключаются такие компоненты компьютера, как сетевая карта, видеокарта, звуковая карта, жесткий диск и другие и их мы более подробно рассмотрим в этой статье.

Вот наиболее распространенные типы шин в компьютере для расширений:

• ISA - Industry Standard Architecture;
• EISA - Extended Industry Standard Architecture;
• MCA - Micro Channel Architecture;
• VESA - Video Electronics Standards Association;
• PCI - Peripheral Component Interconnect;
• PCI-E - Peripheral Component Interconnect Express;
• PCMCIA - Personal Computer Memory Card Industry Association (также известна как PC bus);
• AGP - Accelerated Graphics Port;
• SCSI - Small Computer Systems Interface.

А теперь давайте более подробно разберем все эти шины персональных компьютеров.

Шина ISA

Раньше это был наиболее распространенный тип шины расширения. Он был разработан компанией IBM для использования в компьютере IBM PC-XT. Эта шина имела разрядность 8 бит. Это значит что можно было передавать 8 бит или один байт за один раз. Шина работала с тактовой частотой 4,77 МГц.

Для процессора 80286 на базе IBM PC-AT была сделана модификация конструкции шины, и теперь она могла передавать 16 бит данных за раз. Иногда 16 битную версию шины ISA называют AT.

Из других усовершенствований этой шины можно отметить использование 24 адресных линий, что позволяло адресовать 16 мегабайт памяти. Эта шина имела обратную совместимость с 8 битным вариантом, поэтому здесь можно было использовать все старые карты. Первая версия шины работала на частоте процессора - 4,77 МГц, во второй реализации частота была увеличена до 8 МГц.

Шина MCA

Компания IBM разработала эту шину в качестве замены для ISA, для компьютера PS/2, который вышел в 1987 году. Шина получила еще больше усовершенствований по сравнению с ISA. Например, была увеличена частота до 10 МГц, а это привело к увеличению скорости, а также шина могла передавать 16 или 32 бит данных за раз.

Также была добавлена технология Bus Mastering. На плате каждого расширения помещался мини-процессор, эти процессоры контролировали большую часть процессов передачи данных освобождая ресурсы основного процессора.

Одним из преимуществ этой шины было то, что подключаемые устройства имели свое программное обеспечение, а это значит что требовалось минимальное вмешательство пользователя для настройки. Шина MCA уже не поддерживала карты ISA и IBM решила брать деньги от других производителей за использование этой технологии, это сделало ее непопулярной с сейчас она нигде не используется.

Шина EISA

Эта шина была разработана группой производителей в качестве альтернативы для MCA. Шина была приспособлена для передачи данных по 32 битному каналу с возможностью доступа к 4 Гб памяти. Подобно MCA для каждой карты использовался микропроцессор, и была возможность установить драйвера с помощью диска. Но шина все еще работала на частоте 8 МГц для поддержки карт ISA.

Слоты EISA в два раза глубже чем ISA, если вставляется карта ISA, то она использует только верхний ряд разъемов, а EISA использует все разъемы. Карты EISA были дорогими и использовались обычно на серверах.

Шина VESA

Шина VESA была разработана для стандартизации способов передачи видеосигнала и решить проблему попыток каждого производителя придумать свою шину.

Шина VESA имеет 32 битный канал передачи данных и может работать на частоте 25 и 33 МГц. Она работала на той же тактовой частоте, что и центральный процессор. Но это стало проблемой, частота процессора увеличивается и должна была расти скорость видеокарт, а чем быстрее периферийные устройства, тем они дороже. Из-за этой проблемы шина VESA со временем была заменена на PCI.

Слоты VESA имели дополнительные наборы разъемов, а поэтому сами карты были крупными. Тем не менее сохранялась совместимость с ISA.

Шина PCI

Peripheral Component Interconnect (PCI) - это самая новая разработка в области шин расширений. Она является текущем стандартом для карт расширений персональных компьютеров. Intel разработала эту технологию в 1993 году для процессора Pentium. С помощью этой шины соединяется процессор с памятью и другими периферийными устройствами.

PCI поддерживает передачу 32 и 64 разрядных данных, количество передаваемых данных равно разрядности процессора, 32 битный процессор будет использовать 32 битную шину, а 64 битный - 64 битную. Работает шина на частоте 33 МГц.

В PCI можно использовать технологию Plug and Play (PnP). Все карты PCI поддерживают PnP. Это значит, что пользователь может подключить новую карту, включить компьютер и она будет автоматически распознана и настроена.

Также тут поддерживается управление шиной, есть некоторые возможности обработки данных, поэтому процессор тратит меньше времени на их обработку. Большинство PCI карт работают на напряжении 5 Вольт, но есть карты, которым нужно 3 Вольта.

Шина AGP

Необходимость передачи видео высокого качества с большой скоростью привела к разработке AGP. Accelerated Graphics Port (AGP) подключается к процессору и работает со скоростью шины процессора. Это значит, что видеосигналы будут намного быстрее передаваться на видеокарту для обработки.

AGP использует оперативную память компьютера для хранения 3D изображений. По сути, это дает видеокарте неограниченный объем видеопамяти. Чтобы ускорить передачу данных Intel разработала AGP как прямой путь передачи данных в память. Диапазон скоростей передачи - 264 Мбит до 1,5 Гбит.

PCI-Express

Это модифицированная версия стандарта PCI, которая вышла в 2002 году. Особенность этой шины в том что вместо параллельного подключения всех устройств к шине используется подключение точка-точка, между двумя устройствами. Таких подключений может быть до 16.

Это дает максимальную скорость передачи данных. Также новый стандарт поддерживает горячую замену устройств во время работы компьютера.

PC Card

Шина Personal Computer Memory Card Industry Association (PCICIA) была создана для стандартизации шин передачи данных в портативных компьютерах.

Шина SCSI

Шина SCSI была разработана М. Шугартом и стандартизирована в 1986 году. Эта шина используется для подключения различных устройств для хранения данных, таких как жесткие диски, DVD приводы и так далее, а также принтеры и сканеры. Целью этого стандарта было обеспечить единый интерфейс для управления всеми запоминающими устройствами на максимальной скорости.

Шина USB

Это стандарт внешней шины, который поддерживает скорость передачи данных до 12 Мбит/сек. Один порт USB (Universal Serial Bus) позволяет подключить до 127 периферийных устройств, таких как мыши, модемы, клавиатуры, и другие устройства USB. Также поддерживается горячее удаление и вставка оборудования. На данный момент существуют такие внешние шины компьютера USB, это USB 1.0, USB 2.0, USB 3.0, USB 3.1 и USB Type-C.

USB 1.0 был выпущен в 1996 году и поддерживал скорость передачи данных до 1,5 Мбит/сек. Стандарт USB 1.1 уже поддерживал скорость 12 Мбит/сек для таких устройств, как жесткие диски.

Более новая спецификация - USB 2.0 появилась в 2002 году. Скорость передачи данных выросла до 480 Мбит/сек, а это в 40 раз быстрее чем раньше.

USB 3.0 появился в 2008 году и поднял стандарт скорости еще выше, теперь данные могут передаваться со скоростью 5 Гбит/сек. Также было увеличено количество устройств, которые можно питать от одного порта. USB 3.1 был выпущен в 2013 и тут уже поддерживалась скорость до 10 Гбит/с. Также для этой версии был разработан компактный разъем Type-C, к которому коннектор может подключаться любой стороной.

Служит для обмена командами и данными между компонентами ЭВМ, расположенными на мат. плате. ПУ подключается к шине через контроллеры (открытая архитектура). передача информации по сист. шине осущ-ся по тактам.

Сист. шина включает в себя:

Кодовую шину данных для //-ой передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда из ОЗУ в МПП и обратно (64 разряда)

Кодовую шину адреса ячейки ОЗУ (32 разряда)

Кодовую шину инструкций (команд и управляющих сигналов, импульсов) во все блоки ЭВМ (32 разряда)

Шину питания для подключения блоков ЭВМ к системе энергопитания

Сист. шина обеспечивает 3 направления передачи информации: -между МП и ОЗУ; -между МП и контроллером устройств; -между ОЗУ и Внеш Устр-вами (ВЗУ и ПУ, в режиме прямого доступа к памяти)

Все устройства подключаются к сист. шине через контроллеры -- устр-ва, обеспечивающие взаимодействие ВУ и сист. шины.

Для освобождения МП от управления обменом информацией между ОЗУ и ВУ предусмотрен режим Прямого доступа в память (DMA - direct memory access).

Характеристики сист. шины: кол-во обслуживаемых ею устройств и пропускная способность, т.е. макс. возможная скорость передачи информации.

Пропускная способность шины зависит от:

Разрядности шины (или ширины) - кол-во бит, кот. м.б. передано по шине одновременно (сущ-ют 8,16,32, и 64-рязрядные шины);

Тактовой частоты шины - частоты, с кот. передаются биты информации по шине.

Основные характеристики шин:

PCI (Peripheral Component Interconnect) – самая распространенная системная шина. Быстродействие шины не зависит от количества подсоединенных устройств. Поддерживает следующие режимы:

- Plug and Play (PnP ) – автоматическое определение и настройка подключенного к шине устройства;

- Bus Mastering – режим единоличного управления шиной любым устройством, подключенным к шине, что позволяет быстро передать данные по шине и освободить ее.

AGP (Accelerated Graphics Port) – магистраль между видеокартой и ОЗУ. Разработана, так как параметры шины PCI не отвечают требованиям видеоадаптеров по быстродействию. Шина работает на большей частоте, что позволяет ускорить работу графической подсистемы ЭВМ.

Основные характеристики шин

Лекция 5

18. Память эвм и ее характеристики и назначение. Пзу, озу, взу. Организация и физическое представление данных в эвм.

Постоянное и оперативное ЗУ.

ЗУ в ЭВМ состоят из последовательности ячеек, каждая из которых содержит значение 1-ого байта и имеет собственный номер (адрес), по которому происходит обращение к ее содержимому. Все данные в ЭВМ хранятся в двоичном виде (0,1).

ЗУ характеризуется 2-мя параметрами:

Объем памяти - размер в байтах, доступных для хранения информации

Время Доступа к ячейкам памяти - средний временной интервал в течении кот. находится требуемая ячейка памяти и из нее извлекаются данные.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ; RAM – Random Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и чтения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ЭВМ в текущий период времени. После выключения питания ЭВМ, информация в ОЗУ уничтожается. (В ЭВМ на базе процессоров Intel Pentium используется 32-разрядная адресация. Т.е число адресов 2 32 , то есть возможное адресное пространство составляет 4,3 Гбайт. время доступа 0,005-0,02 мкс. 1 с = 10 6 мкс.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ; ROM – Read Only Memory) хранит неизменяемую (постоянную) информацию: программы, выполняемые во время загрузки системы, и постоянные параметры ЭВМ. В момент включения ЭВМ в его ОЗУ отсутствуют данные, так как ОЗУ не сохраняет данные после выключения ЭВМ. Но МП необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому МП обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес из ПЗУ. Основное назначение программ из ПЗУ состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками. Обычно изменить информацию ПЗУ нельзя. Объем ПЗУ 128-256 Кбайт, время доступа 0,035-0,1 мкс. Так как объем ПЗУ небольшой, но время доступа больше, чем у ОЗУ, при запуске все содержимое ПЗУ считывается в специально выделенную область ОЗУ.

Энергонезависимая память CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor RAM), в которой хранятся данные об аппаратной конфигурации ЭВМ: о подключенных к ЭВМ устройствах и их параметры, параметры загрузки, пароль на вход в систему, текущее время и дата. Питание памяти CMOS RAM осуществляется от батарейки. Если заряд батарейки заканчивается, то настройки, хранящиеся в памяти CMOS RAM, сбрасываются, и ЭВМ использует настройки по умолчанию.

ПЗУ и память CMOS RAM составляют базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic Input-Output System).

Внешние ЗУ. ВЗУ для долговременного хранения и транспортировки информации. ВЗУ взаимодействуют с сист. шиной через контроллеры ВЗУ (КВЗУ). КВЗУ обеспечивают интерфейс ВЗУ и сист. шины в режиме прямого доступа к памяти, т.е. без участия МП. ИНТЕРФЕЙС -- это совокупность связей с унифицированными сигналами и аппаратуры, предназначенной для обмена данными между устройствами вычислительной системы.

ВЗУ можно разделить по критерию транспортировки на ПЕРЕНОСНЫЕ и СТАЦИОНАРНЫЕ. Переносные ВЗУ состоят из носителя, подключ-ого к порту вв/вывода (обычно ЮСБ), (флеш-память) или носителя и привода (накопители на ГМД, приводы СиДи и ДВД). В стационарных ВЗУ носитель и привод объединены в единое устройство (НЖМД). Стационарные ВЗУ предназначены для хранения информации внутри ЭВМ.

Перед первым использованием или в случае сбоев ВЗУ необходимо ОТФОРМАТИРОВАТь - записать на носитель служебную информацию.

Основные Технические Характеристики ВЗУ

Информационная емкость определяет наибольшее кол-во ед. данных, кот может одновременно хранить в ВЗУ (зависит от площади объема носителя и плотности записи.)

Плотность записи - число бит информации, записанных на единице поверхности носителя. Различают продольную плотность (бит/мм), и поперечную плотность.//

Время доступа - интервал времени от момента запроса (чтения или записи) до момента выдачи блока (включая время поиска инфции на носителе и время чтения или записи.)

Скорость передачи данных определяет кол-во данных, считываемых или записываемых в единицу времени и зависит от скорости движения носителя, плотности записи, числа каналов и тп.

Изучив эту тему, вы узнаете:

Какова структурная схема компьютера;
- что такое принцип программного управления;
- в чем состоит назначение системной шины;
- что означает принцип открытой архитектуры, используемый при построении компьютера.

Структурная схема компьютера

В предыдущих темах вы познакомились с назначением и характеристиками основных устройств компьютера. Очевидно, что все эти устройства не могут работать по отдельности, а только в составе всего компьютера. Поэтому для понимания того, как компьютер обрабатывает информацию, нёобходимо рассмотреть структуру компьютера и основные принципы взаимодействия его устройств.

В соответствии с назначением компьютера как инструмента обработки информации взаимодействие входящих в него устройств должно быть организовано таким образом, чтобы обеспечить основные этапы обработки данных.

Для пояснения сказанного рассмотрим приведенную на рисунке 21.1 структурную схему обработки информации компьютером, на которой в верхнем ряду указаны уже знакомые вам по разделу 1 основные этапы этого процесса. Выполнение каждого из этих этапов определяется наличием в структуре компьютера соответствующих устройств. Очевидно, что ввод и вывод информации осуществляется с помощью устройств ввода (клавиатура, мышь и др.) и вывода (монитор, принтер и др.). Для хранения информации используются внутренняя и внешняя память на различных носителях (магнитные или оптические диски, магнитные ленты и пр.).

Рис. 21.1. Структурная схема компьютера

Темные стрелки обозначают обмен информацией между различными устройствами компьютера. Пунктирные линии со стрелками символизцруют управляющие сигналы, которые поступают от процессора. Светлые пустые стрелки отображают потоки входной и выходной информации соответственно.

Компьютер представляет собой систему взаимосвязанных компонентов. Конструктивно все основные компоненты компьютера объединены в системном блоке, который является важнейшей частью персонального компьютера.

Системный блок и системная плата

Внутри системного блока располагаются следующие устройства:

♦ микропроцессор;
♦ внутренняя память компьютера;
♦ дисководы - устройства внешней памяти;
♦ системная шина;
♦ электронные схемы, обеспечивающие связь различных компонентов компьютера;
♦ электромеханическая часть компьютера, включающая блок питания, системы вентиляции, индикации и защиты. 

Компоновка компьютера IBM 286

Компоновка современного ПК

Все перечисленные устройства, входящие в состав системного блока, помещены в корпус, причем существуют различные типы корпусов. Тип корпуса системного блока зависит от вида персонального компьютера и определяет размер, размещение и количество устанавливаемых компонентов системного блока. Для стационарных персональных компьютеров наиболее распространенными корпусами являются горизонтальные или настольные (desktop) либо в виде башни (tower). В портативных компьютерах системный блок объединен с монитором и выполнен в стандарте booksize, то есть размером с книгу.

Технической (аппаратной) основой персонального компьютера является системная, или материнская, плата.

Системная плата является главной платой в системном блоке компьютера. На ней расположены важнейшие микросхемы - процессор и память. Системная плата связывает в единое целое различные устройства, обеспечивает условия работы и связь основных компонентов персонального компьютера. Процессор обеспечивает не только преобразование информации, но и управление работой всех остальных устройств компьютера.

В основе работы компьютера лежит так называемый принцип программного управления. В соответствии с ним команды программы и данные хранятся в закодированном виде в оперативной памяти. При работе компьютера команды, которые необходимо выполнить, и данные, которые им требуются, вчитываются по очереди из памяти и поступают в процессор, где они расшифровываются, а затем выполняются. Результаты выполнения различных команд, в свою очередь, могут быть записаны в память или переданы на различные устройства вывода. Скорость выполнения процессором операций по обработке информации является решающим фактором, определяющим его производительность. Дело в том, что любая информация (числа, текст, рисунки, музыка и т. д.) хранится и обрабатывается на компьютере только в цифровой форме. Поэтому ее обработка сводится к выполнению процессором различных арифметических и логических операций, предусмотренных его системой команд.

Системная шина

Для обеспечения информационного обмена между различными устройствами компьютера в нем должна быть предусмотрена ка- кая-то магистраль для перемещения потоков информации. Поясним эту мысль небольшим примером.

Вы знаете, что жизнь большого города - это постоянные потоки людей и транспортных средств, двигающихся в различных направлениях. Часто скорость транспортного или людского потока зависит не от скорости машины, велосипеда или пешехода, а от пропускной способности транспортной сети города, от его подземных и наземных магистралей.

В компьютере происходит движение не транспортных, а информационных потоков по соответствующей информационной магистрали. Роль такой информационной магистрали, связывающей друг с другом все устройства компьютера, выполняет системная шина, расположенная внутри системного блока. Упрощенно системную шину можно представить как группу кабелей и электрических (токопроводящих) линий на системной плате.

Все основные блоки персонального компьютера подсоединены к системной шине (рисунок 21.2). Основной ее функцией является обеспечение взаимодействия между процессором и остальными электронными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется передача данных, адресов памяти и управляющей информации.

Рис. 21.2. Назначение системной шины

От типа системной шины, так же как и от типа процессора, зависит скорость обработки информации персональным компьютером. К основным характеристикам системной шины относятся разрядность и производительность канала связи.

Разрядность шины определяет количество бит информации, передаваемых одновременно от одного устройства к другому.

Системные шины первых персональных компьютеров могли передавать только 8 бит информации, используя для этого 8 линий данных в виде 8 параллельных проводников. Дальнейшее развитие компьютеров привело к созданию 16-битной системной шины, а затем ее разрядность увеличилась до 32 и далее до 64 бит. Увеличение разрядности шины данных привело к повышению скорости обмена информацией, а увеличение разрядности адресной шины обеспечило больший объем оперативной памяти.

Производительность шины определяется объемом информации, который можно передать по ней за одну секунду.

Подобно транспортным магистралям, пропускная способность которых зависит от количества полос движения на дороге, производительность системной шины во многом определяется ее разрядностью. Чем выше разрядность шины, тем больше бит информации одновременно может передаваться по ней, например из процессора в память. Это приводит к более быстрому обмену данными и освобождению процессора для решения других задач.

Однако системная шина как основная информационная магистраль не может обеспечить достаточную производительность для внешних устройств. Для решения этой проблемы в компьютере стали использовать локальные шины, которые связывают микропроцессор с различными устройствами памяти, ввода и вывода. Назначение локальных шин сходно с назначением окружных или кольцевых дорог вокруг большого города, которые разгружают основные магистрали.

Порты

Связь компьютера с различными устройствами ввода и вывода осуществляется через порты. Для некоторых устройств предусмотрено внешнее подключение к портам через разъемы, которые обычно тоже называют портами. Эти разъемы расположены на тыльной стороне системного блока. Дисководы гибких, жестких и лазерных дисков устанавливаются и подключаются внутри системного блока. Различают проводные (последовательные и параллельные, USB, Fire Wire ) и беспроводные (инфракрасные, Bluetooth ) порты. 

Параллельные порты

Этот тип портов используется для подсоединения внешних устройств, которым необходимо передавать большой объем информации на близкое расстояние. Через параллельный порт обычно передается одновременно 8 бит данных по 8 параллельным проводникам. К параллельному порту подключаются принтер, сканер. Число параллельных портов у компьютера не превышает трех, и они имеют соответственно логические имена LPT1, LPT2, LPT3 (от англ. Line PrinTer - линия принтера).

Последовательные порты

Данный тип портов используется для подключения к системному блоку мыши, модемов и многих других устройств. Через такой порт идет последовательный поток данных по 1 биту. Это можно сопоставить с тем, как происходит движение транспорта по дороге с одной полосой. Последовательная передача данных используется на больших расстояниях. Поэтому последовательные порты часто называют коммуникационными. Количество коммуникационных портов не превышает четырех, и им присвоены имена от СОМ1 до COM4 (англ. COMmunication port - коммуникационный порт).

USB-порт

USB-порт (англ. Universal Serial Bus) в настоящее время является наиболее распространенным средством подключения к компьютеру среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. USB-порт использует последовательный способ обмена данными. Наибольшее распространение получил высокоскоростной порт типа USB 2.0. Если в компьютере не хватает USB-портов, то этот недостаток можно устранить приобретением USB-концентратора, имеющего несколько таких портов.

Благодаря встроенным линиям питания USB часто позволяет применять устройства без собственного блока питания.

FireWire-порт

FireWire (IEEE 1394) - долсловно - огненный провод (произносится "файр вайр") - это последовательный порт, поддерживающий скорость передачи данных в 400 Мбит/сек. Этот порт служит для подключения к компьютеру видео устройств, таких как, например, видеомагнитофон, а также других устройств, требующих быстрой передачи большого объема информации, например, внешних жестких дисков.

Порты FireWire поддерживают технологию Plug and Play и "горячего подключения".

Порты FireWire бывают двух типов. В большинстве настольных компьютерах используются 6-контактные порты, а в ноутбуках - 4-контактные.

Инфракрасный порт беспроводного подключения

Передача данных осуществляется по оптическому каналу в инфракрасном диапазоне. Аналогично работают пульты дистанционного управления бытовой техникой - телевизорами, видеомагнитофонами и пр. Радиус действия инфракрасного порта составляет несколько метров, при этом необходимо обеспечить прямую видимость между приемником и передатчиком.

Инфракрасный порт обычно используется для соединения с мобильным телефоном, обладающим таким же портом. Это позволяет реализовать доступ в Интернет с использованием мобильного телефона, что наиболее важно для портативных ноутбуков в нестационарных условиях.

Модуль Bluetooth беспроводного подключения

Один адаптер Bluetooth позволяет осуществить беспроводное подключение порядка 100 устройств, находящихся на расстоянии до 10 м. При этом к компьютеру, оснащенному таким адаптером, можно подключать разнотипные беспроводные устройства: мобильные телефоны, принтеры, мыши, клавиатуры и пр. Передача данных осуществляется по радиоканалу в частотном диапазоне 2,2-2,4 ГГц. Главное достоинство - устойчивая связь независимо от взаиморасположения приемника и передатчика. Если в компьютере нет встроенного модуля Bluetooth, то его можно приобрести отдельно и подключить по USB-порту.

Прочие компоненты системной платы

Системная плата, кроме перечисленных выше важнейших компонентов компьютера, содержит дополнительные микросхемы, переключатели и перемычки. Все эти устройства необходимы для обеспечения взаимодействия различных устройств компьютера, установки режимов их работы. Например, на системной плате могут быть установлены микросхемы, которые требуют различного напряжения питания. Параметры работы устройств задаются переключателями на системной плате.

В любом системном блоке находятся обязательные узлы, обеспечивающие работу компьютера, - блок питания, системные часы, аккумулятор, сигнальные индикаторы передней стороны системного блока.

Системные часы определяют скорость выполнения компьютером операций, которая связана с тактовой частотой, измеряемой в мегагерцах (1 МГц равен 1 млн тактов в секунду).

Системные часы определяют ритм работы всего компьютера, синхронизируют работу большинства компонентов его системной платы.

Платы и слоты расширения обеспечивают реализацию так называемого принципа открытой архитектуры построения современного персонального компьютера. Слотом называется разъем, куда вставляется плата. Наличие слотов расширения на системной плате позволяет рассматривать персональный компьютер как устройство, которое можно модифицировать. Расширение возможностей компьютера осуществляется путем установки в слоте платы расширения. К разъему этой платы с помощью кабеля присоединяется некоторое устройство, расположенное вне системного блока.

Вместо термина «плата расширения» часто используют названия «карта», «адаптер». К наиболее распространенным платам расширения относятся видеокарты, звуковые карты и внутренние модемы. 

Представление об открытой архитектуре компьютера

Технология производства компьютеров быстро развивается, что обеспечивает непрерывный рост их производительности, объема памяти и как результат - возможностей решать все более сложные задачи. Стремительно совершенствуются одни устройства, создаются другие, принципиально новые. При столь бурном развитии технологии необходимо предусмотреть такой принцип построения компьютера, который позволял бы использовать уже имеющиеся в нем устройства (блоки), а также без изменения конструкции заменять их на новые, более совершенные. Как города строятся по законам архитектуры, так и устройство компьютера должно развиваться по определенным законам. Главный принцип построения современного персонального компьютера - это принцип открытой архитектуры: каждый новый блок должен быть программно и аппаратно совместим с ранее созданными. Это означает, что современный персональный компьютер упрощенно можно представить как знакомый всем детский конструктор из кубиков. В компьютере столь же легко можно заменять старые кубики (блоки) на новые, где бы они ни располагались, в результате чего работа компьютера не только не нарушается, но становится более производительной. Именно принцип открытой архитектуры позволяет не выбрасывать, а модернизировать ранее купленный компьютер, легко заменяя в нем устаревшие блоки на более совершенные и удобные, а также приобретать и устанавливать новые блоки и узлы. При этом места для их установки (разъемы) во всех компьютерах являются стандартными и не требуют никаких изменений в самой конструкции компьютера.

Принцип открытой архитектуры - правила построения компьютера, в соответствии с которыми каждый новый узел (блок) должен быть совместим со старым и легко устанавливаться в том же месте в компьютере.  

Контрольные вопросы

1. Какие основные блоки образуют структуру компьютера и как они связаны с этапами обработки информации?

2. Какова роль процессора персонального компьютера в обработке информации?

3. Что такое принцип программного управления?

4. Каковы назначение и основные компоненты системного блока?

5. Какие виды корпусов системного блока вам известны?

6. Для чего нужна системная плата?

7. Каково назначение системной шины в персональном компьютере?

8. В чем состоит аналогия между системной шиной и транспортными магистралями?

9. Какие вы знаете характеристики системной шины?

10. Что такое порт компьютера? Какие виды портов бывают и в чем их различие?

11. Зачем нужны платы расширения?

12. Для чего необходимо иметь слоты расширения?

13. В чем состоит принцип открытой архитектуры?

14. Что вам известно из художественной литературы, научно-популярных изданий, из телевизионных передач и кинофильмов о возможностях и использовании компьютеров будущего?

Основной обязанностью системной шины является переда­ча информации между базовым микропроцессором и осталь­ными электронными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется также адресация устройств и происхо­дит обмен специальными служебными сигналами. Таким об­разом, упрощенно системную шину можно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных по их назна­чению (данные, адреса, управление). Передачей информации по шине управляет одно из подключенных к ней устройств или специально выделенный для этого узел, называемый ар­битром шины.

Системная шина IBM PC и IBM PC/XT была предназначена. Для одновременной передачи только 8 бит информации, так как используемый в компьютерах микропроцессор 18088 имел 8 линий данных. Кроме того, системная шина включала 20 адресных линий, которые ограничивали адресное пространство пределом в 1 Мбайт. Для работы с внешними устройствами в этой шине были предусмотрены также 4 линии аппаратных прерываний (IRQ) и 4 линии для требования внешними устройствами прямого доступа в память (DMA, Direct Memory Access). Для подключения плат расширения использовались специальные 62-контактные Разъемы. Заметим, что системная шина и микропроцессор синхронизиоовались от одного тактового генератора с частотой 4,77 МГц. Таким образом, теоретически скорость передачи дан­ных могла достигать более 4,5 Мбайта/с.

1. Шина isa

В компьютерах PC/AT, использующих микропроцессор i80286, впервые стала применяться новая системная шина ISA (Industry Standard Architecture), полностью реализующая возможности упо­мянутого микропроцессора. Она отличалась наличием дополни­тельного 36-контактного разъема для соответствующих плат рас­ширения. За счет этого количество адресных линий было увели­чено на четыре, а данных - на восемь. Теперь можно было пере­давать параллельно уже 16 разрядов данных, а благодаря 24 ад­ресным линиям напрямую обращаться к 16 Мбайтам системной памяти. Количество линий аппаратных прерываний в этой шине было увеличено с 7 до 15, а каналов DMA - с 4 до 7. Надо отме­тить, что новая системная шина ISA полностью включала в себя возможности старой 8-разрядной шины, то есть все устройства, используемые в PC/XT, могли без проблем применяться и в PC/AT 286. Системные платы с шиной ISA уже допускали воз­можность синхронизации работы самой шины и микропроцессо­ра разными тактовыми частотами, что позволяло устройствам, выполненным на платах расширения, работать медленнее, чем базовый микропроцессор. Это стало особенно актуальным, когда тактовая частота процессоров превысила 10-12 МГц. Теперь сис­темная шина ISA стала работать асинхронно с процессором на частоте 8 МГц. Таким образом, максимальная скорость передачи теоретически может достигать 16 Мбайт/с.

3.1.2. Шина eisa

С появлением новых микропроцессоров, таких, как i80386 и i486, стало очевидно, что одним из вполне преодолимых препят­ствий на пути повышения производительности компьютеров с этими микропроцессорами является системная шина ISA. Дело в том, что возможности этой шины для построения высокопроиз­водительных систем следующего поколения были практически исчерпаны. Новая системная шина должна была обеспечить наи­больший возможный объем адресуемой памяти, 32-разрядную передачу данных, в том числе и в режиме DMA, улучшенную систему прерываний и арбитраж DMA, автоматическую конфи­гурацию системы и плат расширения. Такой шиной для IBM PC- совместимых компьютеров стала EISA (Extended Industry Standard Architecture). Заметим, что системные платы с шиной EISA первоначально были ориентированы на вполне конкретную область применения новой архитектуры, а именно на компьютеры, осна­щенные высокоскоростными подсистемами внешней памяти на жестких магнитных дисках с буферной кэш-памятью. Такие ком­пьютеры до сих пор используются в основном в качестве мощ­ных файл-серверов или рабочих станций.

В EISA-разъем на системной плате компьютера помимо, разу­меется, специальных EISA-плат может вставляться либо 8-, либо 16-разрядная плата расширения, предназначенная для обыкновенной PC/AT с шиной ISA. Это обеспечивается простым, но поистине гениальным конструктивным решением. EISA-разъе­мы имеют два ряда контактов, один из которых (верхний) ис­пользует сигналы шины ISA, а второй (нижний) - соответствен­но EISA. Контакты в соединителях EISA расположены так, что рядом с каждым сигнальным контактом находится контакт "Зем­ля". Благодаря этому сводится к минимуму вероятность генера­ции электромагнитных помех, а также уменьшается восприим­чивость к таким помехам.

Шина EISA позволяет адресовать 4-Гбайтное адресное про­странство, доступное микропроцессорам 180386/486. Однако дос­туп к этому пространству могут иметь не только центральный процессор, но и платы управляющих устройств типа bus master - главного абонента (то есть устройства, способные управлять пе­редачей данных по шине), а также устройства, имеющие возможность организовать режим DMA. Стандарт EISA поддерживает многопроцессорную архитектуру для "интеллектуальных" устройств (плат), оснащенных собственными микропроцессорами. Поэтому данные, например, от контроллеров жестких дисков, графических контроллеров и контроллеров сети могут обрабаты­ваться независимо, не загружая при этом основной процессор. Теоретически максимальная скорость передачи по шине

EISA в так называемом пакетном режиме (burst mode) может достигать 33 Мбайт/с. В обычном (стандартном) режиме она не превосхо­дит, разумеется, известных значений для ISA.

На шине EISA предусматривается метод централизованного Управления, организованный через специальное устройство - системный арбитр. Таким образом поддерживается использова­ло ведущих устройств на шине, однако возможно также предоставление шины запрашивающим устройствам по циклическому принципу.

Как и для шины ISA, в системе EISA имеется 7 каналов DMA. выполнение DMA-функций полностью совместимо с аналогичными операциями на ISA-шине, хотя они могут происходить и несколько быстрее. Контроллеры DMA имеют возможность под­держивать 8-, 16- и 32-разрядные режимы передачи данных. В общем случае возможно выполнение одного из четырех циклов обмена между устройством DMA и памятью системы. Это ISA-совместимые циклы, использующие для передачи данных 8 так­тов шины; циклы типа А, исполняемые за б тактов шины; циклы типа В, выполняемые за 4 такта шины, и циклы типа С (или burst DMA), в которых передача данных происходит за один такт шины. Типы циклов А, В и С поддерживаются 8-, 16- и 32-разрядными устройствами, причем возможно автоматическое изменение раз­мера (ширины) данных при передаче в не соответствующую раз­меру память. Большинство ISA-совместимых устройств, исполь­зующих DMA, могут работать почти в 2 раза быстрее, если они будут запрограммированы на применение циклов А или В, а не стандартных (и сравнительно медленных) ISA-циклов. Такая про­изводительность достигается только путем улучшения арбитража шины, а не в ущерб совместимости с ISA. Приоритеты DMA в системе могут быть либо "вращающимися" (переменными), либо жестко установленными. Линии прерывания шины ISA, по которым запросы прерывания передаются в виде перепадов уровней напряжения (фронтов сигналов), сильно подвержены импульсным помехам. Поэтому в дополнение к привычным сигналам прерываний на шине ISA, активным только по своему фронту, в системе EISA предусмот­рены также сигналы прерываний, активные по уровню. Причем для каждого прерывания выбор той или иной схемы активности может быть запрограммирован заранее. Собственно прерывания, активные по фронту, сохранены в EISA только для совместимо­сти со "старыми" адаптерами ISA, обслуживание запросов на пре­рывание которых производит схема, чувствительная к фронту сиг­нала. Понятно, что прерывания, активные по уровню, менее под­вержены шумам и помехам, нежели обычные. К тому же (теоре­тически) по одной и той же физической линии можно передавать бесконечно большое число уровней прерывания. Таким образом, одна линия прерывания может использоваться для нескольких запросов.

Для компьютеров с шиной EISA предусмотрено автоматическое конфигурирование системы. Каждый изготовитель плат расширения для компьютеров с шиной EISA поставляет вместе этими платами и специальные файлы конфигурации. Информация из этих файлов используется на этапе подготовки системы

работе, которая заключается в разделении ресурсов компьютера между отдельными платами. Для "старых" плат адаптеров пользователь должен сам подобрать правильное положение DIP-перекдючателей (рис. 25) и перемычек, однако сервисная программа на EISA-компьютерах позволяет отображать установленные положе­ния соответствующих переключателей на экране монитора и дает некоторые рекомендации по правильной их установке. Помимо этого в архитектуре EISA предусматривается выделение опреде­ленных групп адресов ввода-вывода для конкретных слотов шины - каждому разъему расширения отводится адресный диа­пазон 4 Кбайта, что также позволяет избежать конфликтов между отдельными платами EISA.

Заметим, что компьютеры, использующие системные платы с шиной EISA, достаточно дорогие. К тому же шина по-прежнему тактируется частотой около 8-10 МГц, а скорость передачи уве­личивается в основном благодаря увеличению разрядности шины данных.