Основные устройства системного блока

 

Системный блок представляет собой основной узел ПК, внутри которого расположены наиболее важные компоненты компьютера. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называются внутренними, а прилагаемые к системному блоку снаружи – внешними. Те из внешних устройств, которые служат для ввода, вывода и длительного хранения информации называются периферийными.

Состав системного блока:

1. Материнская плата (системная плата)

2. Платы расширения (схемы дополнительных устройств)

3. Накопители информации (жесткий диск, дисководы дисков)

4. Блок питания, кулер

5. Шины (шлейфы) и разъёмы

Системный блок имеет кнопки включения, перезагрузки и разъемы для подсоединения кабелей.

§ Материнская плата

Важнейшим узлом ПК является системная (материнская) плата. Существует несколько наиболее распространенных форм-факторов. Форм фактор – это физические параметры платы, определяющие тип корпуса, в котором она может быть установлена. Форм факторы могут быть стандартными (взаимозаменяемыми) или нестандартными (они являются препятствием для модернизации компьютера, и от них лучше отказаться). Наиболее известные форм факторы системных плат:

- Устаревшие: Baby – AT, полноразмерная плата АТ, LPX

- Современные: ATX (до семи разъемов расширения; улучшенное охлаждение), Micro – ATX (настольные или вертикальные системы среднего уровня), Flex – ATX (самые наименьшие платы из семейства ATX; настольные или вертикальные системы менее производительные и недорогие), NLX (простота и удобство обслуживания), WTX (в настоящее время не производятся)

- Независимые конструкции (разработки компаний Compaq, Packard Bell, Hewlett-Packard и т.д.)

 

Состав материнской платы:

- Центральный процессор (микропроцессор, чипсет)

- Память

- Контроллеры управления периферийными устройствами (схемы для взаимодействия с другими устройствами: монитором, клавиатурой, дисководами)

- Разъемы для подключения дополнительных плат

Микропроцессор

Основным элементом материнской платы является центральный микропроцессор, предназначенный для координации работы (управления) всех устройств и выполнения логических и вычислительных преобразований. Процессор обрабатывает информацию порциями, как бы ″откусывая″ по кусочкам. Недаром английское слово ″byte″ (байт) созвучно слову ″bite″ (кусать). Наименьшая единица битов, которую может обработать процессор за один такт своей работы, называется разрядностью процессора. Разрядность - важная характеристика мощности процессора. Первые процессоры были 8-разрядными, т.е., ″откусывали″ за раз по одному байту, затем появились 16- и 32-разрядные процессоры, обрабатывающие порции по 2- и 4 байта соответственно. Важно не только, какую порцию битов может переработать процессор за один такт, но и сколько таких тактов он совершает за 1сек. Чем больше эта величина, тем более быстродействующим является процессор, тем больше операций он выполнит за данное время. Количество тактов в секунду называется тактовой частотой процессора. Тактовая частота измеряется в мегагерцах.

Процессор определяет поколение (Р n), производительность компьютера; от процессора зависит быстродействие, количество операций в секунду. Поколения микропроцессоров:

- 8086/8088 (сокращенное наименование ″ х86″, все последующие типы основываются на них и развивают только их архитектуру)

- 80286 (мультипрограммные и многопользовательские, т.е., возможность работы с 10 терминалами – пользователями; по эффективности превосходил своих собратьев в 5 раз; появилась возможность работы в двух отличающихся друг от друга режимах: реальном и защищенном, переключение из одного режима в другой происходит без сброса, т.е., ″горячим″ способом; ″Холодный″ способ – отключение и включение питания)

- 80386 (сенсация в мире компьютеров благодаря высокой производительности; возможность работы с 60 терминалами; возможность переключаться в защищенный режим без общей перезагрузки компьютера)

- 80486 (бурный рост производства программного обеспечения; простота работы с графическими программами; в МП встроен первый арифметический сопроцессор для операций с плавающей точкой; встроены в сам процессор кэш – память I уровня и кэш – контроллер)

- i80586 = PentiumI (цифровая характеристика микропроцессора заменена названием Pentium, встроены два КЭШа: кэш команд и кэш данных, реализованы ″интеллектуальное″ управление потреблением мощности = режим экономии потребления электроэнергии или снижение нагрева МП и увеличение срока его службы. Достигнуто это благодаря тому, что процессор не устанавливается в керамический или пластиковый корпус, а покрывается тонкой защитной пластиковой пленкой)

- Pentium MMX (введено 57 новых команд для обработки аудио-, видео-, телекоммуникационной информации; производятся по усовершенствованной 0,35-микронной КЬОП – технологии с использованием кремниевых полупроводников и работают на пониженном напряжении 2,8В)

- Pentium Pro (кэш – память II уровня объемом 256-512 КБт встроена прямо на кристалле; использование в микросхемах вместо алюминиевых проводников медных повысило их тактовую частоту и понизило себестоимость изготовления; в основном применяется в многопроцессорных серверах и высокоэффективных рабочих станциях благодаря большому объему внутренней кэш – памяти второго уровня, работающей на частоте процессора)

- Pentium II (кодовое имя ″Klamath″, в физическом смысле абсолютно новое: микропроцессор заключен в корпус с односторонним контактом и большим теплоотводным элементом; реализована архитектура двойной независимой шины: шины кэш – памяти второго уровня и шины системной, что повысило быстродействие кэш – памяти второго уровня и пропускную способность в 3 раза)

- Pentium Celeron (используется в домашних компьютерах; самое большое новшество: интегрированный в микропроцессор термодатчик, позволяющий отслеживать температурный режим процессора)

- Pentium II/III Xeon (три основных отличия от стандартных версий Pentium: тип корпуса (большой), объем кэш – памяти (большой объем кэш - памяти II уровня: 512Кб, 1Мб, 2 Мб)и быстродействие. Первые два отличия привели к высокой стоимости)

- Pentium III (самый совершенный и высокопроизводительный процессор Intel для настольных компьютеров в поколении Р6; технология изготовления МП 0,35 мкм, принципиально не отличается от Pentium II. Основные особенности:

ü 70 новых команд для работы с графикой и распознавания речи

ü серийный номер процессора, являющийся первым элементом системы безопасности

ü корпоративные приложения, выраженное в управлении активами и удаленной конфигурации и загрузки системы

ü диод, встроенный в корпус процессора для контроля температуры процессора и управления процессом отводом тепла

- AMD: Athlon; Duron (добавлена кэш – память второго уровня, работающая с полной тактовой частотой процессора; полностью совместим по двоичному коду с х 86, т.е., выполняет все программное обеспечение Intel, включая команды ММХ)

- Pentium IV (абсолютно новейший процессор с гиперконвейерной технологией обработки инструкций и быстродействующей шиной процессора, потребляемым напряжением в 12В. Для охлаждения модулей высокой мощности необходим теплоотвод большого размера (иногда до 0,5кг; 0,18микронн. технология)

- Pentium V == Itanium (кодовое имя Merced;совершенно новая архитектура, в которой используются очень длинные командные слова и команды явно параллельных вычислений, т.е., помимо способности одновременно выполнять несколько отдельных команд внутри процессора, Itanium может связываться с другими микросхемами и создавать среду параллельной обработки; содержит три уровня кэш – памяти: Iуровень связан с исполнительным модулем и поддерживается встроенной кэш – памятью II уровня, а кэш – память III уровня объемом 2 или 4 Мб размещена на отдельном кристалле в корпусе процессора; выпускается по 0,18-микронной технологии)

Основные характеристики процессора:

- Разрядность данных и адресов

- Тактовая частота

- Размер кэш – памяти (внутренней памяти)

- Система команд

Разрядность адресов ячеек памяти определяет возможный объем памяти. Тактовая частота вырабатывается генератором тактовой частоты. Генератор тактовой часты – это электронное устройство на материнской плате, которое генерирует импульсные сигналы, определяющие согласованный темп и время выполнения процессором арифметических и логических операций, работы других устройств (как по качанию метронома). Частота тактовых импульсов генератора измеряется в мегагерцах (МГц), в гигагерцах (ГГц). С 90-х годов ХХв. тактовая частота удваивалась в каждые полтора-два года (закон Мура), сейчас рост замедляется из-за чрезмерного нагрева плотно расположенных транзисторов в кристалле кремния процессора. Время, затраченное на одну операцию, например на передачу данных, занимает несколько тактов машины и называется машинным циклом. Чем выше частота тактов, тем короче интервал времени и больше команд может выполнить процессор за 1 сек. Чем совершеннее процессор, тем меньше тактов требуется для выполнения одной операции. На быстродействие процессора влияют тип процессора (в том числе и разрядность), виды обрабатываемых процессором команд, объем оперативной памяти, характеристики линии связи между устройствами ПК – шины передачи данных. Более совершенные процессоры выполняют за машинный цикл не одну, а несколько команд. Важна разрядность микропроцессора – возможность обработки цифровых сообщений разной длины (но не превышающей разрядность). Для увеличения быстродействия некоторые пользователи ″разгоняют″ процессор, т.е., увеличивают тактовую частоту процессора не физическим способом, а программным способом. Данная процедура может привести к перегреву процессора, сбоям и неустойчивой работе. В процессоре имеется ядро процессора, которое функционирует с частотой в несколько раз более высокой, чем частота работы всех остальных устройств. Кэш – память различают I уровня (непосредственно в корпусе микропроцессора) и II уровня (отдельная микросхема на системной плате). Кэш – память I уровня работают на частоте ядра процессора, а КЭШи II уровня – на частотах, поддерживаемой системной платой, выполняют более одной команды за один цикл связи с оперативной памятью. Если частота ядра процессора 2ГГц, т.е. 2 миллиарда импульсов тактового генератора за 1 сек, то обмен информации между процессором и оперативной памятью выполняется с частотой 200МГц. Появление новых технологий производства процессоров (кэш – память II уровня расположена на отдельном кристалле в корпусе процессора) позволило использовать кэш – память, работающую на частоте ядра процессора, в дешевых процессорах Celeron второго поколения. Подобная архитектура, используемая в настоящее время во всех разработках Intel и AMD, представляет собой единственный более или менее рентабельный способ применения быстродействующей кэш – памяти II уровня.

Современные 64-разрядные процессоры имеют суперскалярную (параллельную) архитектуру, т.е. параллельно обрабатываются команды, не связанные друг с другом непосредственно.

Память

Комплекс технических средств, реализующих функцию памяти, называется запоминающим устройством (ЗУ). ЗУ необходимы для размещения в них команд и данных. Они обеспечивают центральному процессору доступ к программам и информации. Запоминающие устройства делятся на основную (оперативную) память (ОП), сверхоперативную (СОЗУ) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ). Основная память включает в себя три типа устройств: оперативное запоминающее устройство – ОЗУ (Random Access Memory - RAM), постоянное запоминающее устройство – ПЗУ (Read Only Memory - ROM) и полупостоянное запоминающее устройство – ППЗУ (Complementary Metal-Oxide Semiconductor – GMOS).

ОЗУ (RAM)

ОЗУ (RAM) предназначено для хранения переменной информации. Оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций с данными и может работать в режимах записи, чтения и хранения. Устройства оперативной памяти иногда называют запоминающими устройствами (или памятью) с произвольным доступом. Это означает, что обращение к данным, хранящимся в оперативной памяти, не зависит от порядка их расположения в ней. Основными характеристиками оперативной памяти являются объем (Мб, Кб) и быстродействие = время доступа к модулям памяти (наносекунды, нс). Наносекунда – это одна миллиардная доля секунды. Чем меньше время доступа, тем больше быстродействие оперативной памяти.

Микросхемы памяти могут строиться на статических (Static Random Access – SRAM) и динамических (Dynamic Random Access – DRAM) элементов памяти.

DRAM. Динамическая оперативная память используется в большинстве систем оперативной памяти современных персональных компьютеров. Основное преимущество памяти этого типа состоит в том, что ее ячейки упакованы очень плотно, т.е. в небольшую микросхему можно упаковать много битов, и на их основе можно построить память большой емкости. Ячейки памяти – это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Именно наличием или отсутствием зарядов кодируются биты. Проблемы, связанные с данной памятью, вызваны тем, что она динамическая, т.е. должна постоянно регенерироваться (восстанавливаться) из-за саморазряда конденсатора. Иначе данные будут потеряны. Регенерация происходит, когда котроллер памяти системы берет крошечный перерыв, и это отнимает время у процессора, что ведет к снижению быстродействия процессора. Существует множество различных типов организации DRAM, позволяющих улучшить эту характеристику.

SRAM. Статическая оперативная память использует для хранения 1 бита информации кластер из 6 транзисторов. Использование транзисторов без каких – либо конденсаторов означает, что нет необходимости в регенерации, т.е., заряды не теряются. Пока есть питание, SRAM будет помнить все, что сохранено. В то же время микросхемы SRAM для всей системной памяти широко не используются по следующей причине. По сравнению с динамической оперативной памятью быстродействие SRAM намного выше, но плотность ее намного ниже, а цена достаточно высока. Более низкая плотность означает, что микросхемы SRAM имеют большие габариты, хотя их информационная емкость намного меньше. Большое число транзисторов и кластеризованное их размещение не только увеличивает габариты микросхем SRAM, но и значительно повышает стоимость технологического процесса по сравнению с аналогичными параметрами для микросхем DRAM. Все это не позволяет использовать SRAM в качестве оперативной памяти в персональных компьютерах. Несмотря на это, разработчики все–таки применяют память типа SRAM для повышения эффективности ПК. Но во избежание значительного увеличения стоимости устанавливается только небольшой объем высокоскоростной SRAM, которая используется в качестве кэш – памяти или сверхоперативной памяти. Кэш - память - это высокоскоростной буфер, построенный на микросхемах SRAM, который непосредственно обменивается данными с процессором (необходимые данные загружаются из оперативной памяти в Кэш – память для увеличения быстродействия процессора и не тратить более продолжительное время для обращения к процессору). Эффективность кэш – памяти выражается коэффициентом совпадения, или коэффициентом успеха. Коэффициент совпадения равен отношению количества удачных обращений в кэш к общему количеству обращений. Попадание – это событие, состоящее в том, что необходимые процессору данные предварительно считываются в кэш из оперативной памяти; иначе говоря, в случае попадания процессор может считывать данные из кэш – памяти. Неудачным обращением в кэш считается такое, при котором контроллер КЭШа не предусмотрел потребности в данных, находящихся по указанному адресу. В таком случае необходимые данные не были предварительно считаны в кэш – память, поэтому процессор должен отыскать их в более медленной оперативной памяти, а не в быстродействующем КЭШе. Когда процессор считывает данные из оперативной памяти, ему приходится какое – то время ″ждать″, поскольку тактовая частота оперативной памяти значительно ниже, чем у процессора. Замедление обусловлено состоянием ожидания, и в момент ожидания никакие операции процессором не выполняются, т.е., теряется время. Поэтому в целях сокращения количества ″простоев″ и увеличения быстродействия компьютера в целом, в частности, процессора, в современных компьютерах предусмотрены два типа кэш – памяти: кэш – память первого уровня и кэш – память второго уровня. Кэш – память первого уровня называют встроенным или внутренним КЭШем; он непосредственно встроен в процессор и фактически является частью микросхемы процессора. Во всех процессорах 486 и выше кэш – память 1 уровня интегрирована в микросхему процессора. Кэш – память 2 уровня называется вторичным или внешним КЭШем; он устанавливался вне микропроцессора, как отдельная микросхема на системной плате рядом с процессором и работал на частоте системной платы. В более поздних компьютерах, начиная с Pentium Pro, Pentium II/III и Athlon кэш – память встроена в общий корпус процессора (картридж), но поострена как отдельная микросхема на своем кристалле, и работает на частоте процессора (половинной или трети). В процессорах Itanium для увеличения производительности используется три уровня кэш – памяти.

Чтобы увеличить скорость доступа к памяти, были разработаны другие схемы доступа к динамической оперативной памяти DRAM. В соответствии данным схемам различают следующие типы памятиDRAM:

Устройства с широким каналом передачи данных (ширина канала памяти равна ширине шины данных процессора, 64 бит)

- FPM (Fast Page Mode – быстрый постраничный доступ)

- EDO (Extended Data Out – усовершенствованный тип FPM)

- Burst EDO = BEDO (более быстрая передача данных, чем у EDO)

- SDRAM (Synchronous DRAM, используется для передачи высокоскоростной синхронизированный интерфейс)

В современных компьютерах используются совершенно новые типы оперативной памяти:

Устройства с узким каналом передачи данных (ширина канала памяти равна ширине шины данных процессора, 16 бит)

- DDR SRAM (Double Data Rate – двойная скорость передачи, усовершенствованный стандарт SDRAM)

- RDRAM = Rambus DRAM (скорость передачи гораздо выше)

Процессор и архитектура системной платы (набора микросхем) определяют емкость физической памяти компьютера, а также типы и форму используемых модулей памяти. Скорость и разрядность памяти определяются процессором и схемой котроллера памяти, которая в современных компьютерах установлена в виде отдельной микросхемы на системной плате.

Физически оперативная память представляет собой набор микросхем или модулей, содержащих микросхемы, которые обычно подключаются к разъемам системной платы. Данные микросхемы или модули могут иметь различные характеристики и, чтобы функционировать правильно, должны быть совместимы с системой, в которую устанавливаются. Различают различные конструкции модулей оперативной памяти:

- SIMM (Single Inline Memory Module – однорядное расположение выводов модуля памяти; два типа: 30-контактный и 72-контактный. 30-контактный модуль имеет меньшие размеры и микросхемы памяти могут быть расположены как на одной стороне платы, так и на обеих)

- DIMM (Dual Inline Memory Module – двухрядное расположение выводов модуля памяти; два типа: на 168 выводов и 184 выводов. На каждой стороне платы DIMM расположены различные выводы сигнала; на 1″ длиннее модуля SIMM. Содержит в себе встроенное ПЗУ, передающее параметры синхронизации и скорости модулей).

- RIMM (тот же модуль DIMM, отличающийся отдельными микросхемами в самом модуле; один тип: 184 позолоченных контакта двухстороннего, на каждой стороне модуля по 92 контакта. Содержит в себе встроенное ПЗУ, передающее параметры синхронизации и скорости модулей. Модули RIMM предназначены не более чем для 25 циклов установки и удаления, что связано с возможностью повреждения золотого покрытия контактов)

Типы модулей отличаются количеством выводов, шириной строки памяти или типом используемой памяти. Например: SDRAM DIMM, DDR DIMM, DDR SDRAM RIMM. При выборе типа памяти необходимо отдать предпочтение модулю, частота которого выше, чем это нужно для выполнения определенных приложений. Это позволяет использовать их при следующей модернизации системы.

Логически рабочее пространство памяти разделено на несколько областей, часть из которых предназначалась для специальных целей. DOS может обращаться ко всему пространству, но программы можно загружать только в область памяти, называемую основной памятью. Оставшаяся часть зарезервирована для использования некоторыми компонентами компьютера, такими, как системная плата, платы адаптеров, установленных в разъемах расширения. Различают следующие участки (блоки) памяти, используемые в современных компьютерах:

- основная память

- верхняя память

- область верхних адресов

- дополнительная память

- расширенная память

-

расположены в области верхней памяти

видеопамять

- область ROM адаптеров и RAM специального назначения

- ROM BIOS

В компьютерах класса AT верхняя граница доступной памяти выходит за предел 1 Мбайт и достигает 16 Мбайт в ПК с процессорами 386DX и 64 Гбайт в ПК с процессорами Pentium II в защищенном режиме работы процессора, а в реальном режиме доступен только 1 Мбайт памяти.

ПЗУ (ROM)

ROM (Read-Only Memory) – тип памяти, которая может постоянно (или практически постоянно хранить данные). Эти записанные данные хранятся в памяти даже при отключении питания. ROM и оперативная память (RAM) не противоположные понятия. На самом деле ROM представляет собой часть оперативной памяти, предназначенной для хранения программного обеспечения (BIOS), которое позволяет загрузить операционную систему. BIOS – это набор драйверов, предназначенных для взаимодействия операционной системы и аппаратного обеспечения при загрузке системы. При запуске DOS и Windows в режиме защиты от сбоев используются драйверы устройств только из BIOS. Физически BIOS представляет собой набор программ, хранящихся в одной (чаще всего) или нескольких микросхемах модуля оперативной памяти. Микросхемы ROM очень ″медленны″: время доступа равно 150нс при времени доступа запоминающего устройства DRAM 60нс или меньше. Поэтому во многих системах ROM затеняется, т.е. ее содержимое копируется в микросхемы динамической оперативной памяти при запуске, чтобы сократить время доступа в процессе функционирования. процедура затенения копирует содержимое ROM в оперативную память, присваивая ей адреса, первоначально использовавшиеся для ROM, которая затем фактически отключается. Это повышает быстродействие систему памяти. Средство управления затенением находится в программе Setup BIOS. Существует четыре различных типа микросхем памяти ROM:

- ROM (Read Only Memory; на этапе изготовления в матрицах микросхемы в нужных местах были ″прожжены″ 0 и 1. При изменении даже одного бита информации приходится переделывать маску матрицы, что обходится недешево. Поэтому тип памяти ROM уже не используется!!)

- PROM (Programmable ROM – программируемая ROM; широко используются в бортовых компьютерах автомобилей; информация записывается с помощью специального устройства – программатора, подключаемого через параллельный порт; процесс программирования называется ″прожиг″

- EPROM (Erasable PROM – стираемая программируемая ROM)

- EEPROM (Electrically Erasable PROM – электронно – стираемая программируемая ROM или Flash ROM = флэш - память). В современных компьютерах BIOS записывается только в флэш – памяти. Данная память также энергонезависимая. Название ″флэш″ означает, что содержимое целой секции ячеек памяти можно удалить мгновенно. Флэш – карты (микросхемы) применяются не только для памяти компьютеров, но и цифровых фотокамер, сотовых телефонов, как сменный носитель для переноса данных с компьютера на компьютер и других целей.

Независимо от типа ROM, данные в ней сохраняются до тех пор, пока не будут стерты преднамеренно.

CMOS

Память, созданная на микросхеме, созданной на основе технологии Complementary Metal-oxide Semiconductor, называется энергонезависимой памятью или GMOS RAM. Данная микросхема имеет пониженное потребление электроэнергии (сила тока около 1 микроампера), и для нее вполне достаточно мощности батареи компьютера. Физически данный вид памяти представляет собой микросхему на системной плате в виде цифрового датчика времени /даты с несколькими дополнительными байтами памяти. В данной памяти хранятся данные, определяющие конфигурацию системы. Эти данные записываются и считываются программой Setup BIOS. При загрузке программы BIOS Setup и последующем конфигурировании / сохранении параметров жесткого диска или других устройств установочные параметры системы записываются в соответствующую область GMOS памяти. При каждой загрузке системы для определения ее конфигурации проводится считывание параметров, хранящихся в микросхеме GMOS RAM.

Несмотря на наличие определенной связи между базовой системой ввода – вывода BIOS и GMOS RAM, это абсолютно разные компоненты/