Шинні інтерфейси материнської плати

Лабораторна робота №1

ВИВЧЕННЯ СИСТЕМНОГО БЛОКА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЮТЕРА. ВИЗНАЧЕННЯ КОМПОНЕНТІВ МАТЕРИНСЬКОЇ ПЛАТИ.

 

Мета роботи: набуття навичок підключення обладнання до системного блоку та вивчення компонентів системного блока. Визначення компонентів материнської плати. Дослідження порядку запуску комп’ютера.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Системний блок (рис. 1) є основним компонентом базової конфігурації комп’ютерної системи.

Рисунок 1 – Системний блок у вертикальному виконанні.

Всередині блока знаходяться пристрої, які називаються внутрішніми (рис. 2), а пристрої, що підключаються до нього зовні, називаються зовнішніми (рис. 3).

Зовнішні додаткові пристрої призначені для введення, виведення і тривалого зберігання даних, також називаються периферійними.

За зовнішнім виглядом системні блоки різняться формою корпуса. Корпуси персональних комп’ютерів випускають в горизонтальному (desktop) і у вертикальному (tower) (рис. 1) виконанні. Корпуси у вертикальному виконанні розрізняються за габаритами: великого розміру (big tower), середнього розміру (midi tower) і малого (mini tower). Серед корпусів горизонтального виконання виділяють плоскі і особливо плоскі.

Рисунок 2 – Системний блок зі знятою кришкою.

 

Рисунок 3 – Підключення зовнішніх пристроїв до системного блока у вертикальному виконанні.

Крім форми для корпуса є важливий параметр, який називається форм‑фактор. Від нього залежать вимога до внутрішніх пристроїв системного блока. В основному використовуються корпуси двох форм-факторів: AT і АТХ. Форм-фактор корпуса повинен бути обов’язково узгоджений з форм‑фактором материнської плати комп’ютера.

Корпуси комп’ютерів постачаються разом з блоками живлення і, таким чином, потужність блока живлення є одним з параметрів корпуса. Для масових моделей достатньою є потужність блока живлення 300-450 Вт.

Материнська (системна) плата (рис. 4) – основна плата персонального комп’ютера.

На ній розмішується:

− процесор – основна мікросхема, яка виконує більшість математичних і логічних операцій;

− мікропроцесорний комплект (чіпсет) – набір мікросхем, які керують роботою внутрішніх пристроїв комп’ютера і визначають основні функціональні можливості материнської плати;

− шини – набори провідників, на яких здійснюється обмін сигналами між внутрішніми пристроями комп’ютера;

− оперативна пам’ять (оперативний запам’ятовуючий пристрій, ОЗП) – набір мікросхем, які призначені для тимчасового збереження даних, коли комп’ютер включений;

− ПЗП (постійний запам’ятовуючий пристрій) – мікросхема, яка призначена для тривалого зберігання даних, в тому числі і коли комп’ютер виключений;

− роз’єми (слоти) для підключення додаткових пристроїв.

Оперативна пам’ять

Оперативна пам’ять (RAM – Random Access Memory) – це ряд кристалічних комірок, які спроможні зберігати дані. З точки зору фізичного принципу дії розрізняють динамічну пам’ять (DRAM) і статичну пам’ять (SRAM).

Комірки динамічної пам’яті (DRAM) являють собою мікроконденсатори в інтегральному виконанні, які здатні накопичувати заряд. Це найбільш розповсюджена і дешева пам’ять. Недоліки цього типу пов’язані, по-перше, з тим, що як при заряджанні, так і при розряджанні конденсаторів виникають перехідні процеси, що обмежує швидкодію запису даних. Другий недолік пов’язаний з необхідністю постійного підзаряджання (регенерації) конденсаторів. Регенерація здійснюється з частотою десятки герц.

Комірки статичної пам’яті (SRAM) являють собою тригери – електронні елементи, які на виході мають один з двох станів включений/виключений. Така пам’ять має вишу швидкодію, а відповідно дорожча.

Мікросхеми динамічної пам’яті використовують як основну оперативну пам’ять комп’ютера. Мікросхеми статичної пам’яті використовують як динамічну пам’ять, призначену для оптимізації роботи процесора.

В процесорах, сумісних з процесорами Intel Pentium, прийнята 64‑розрядна адресація. Розмір (об’єм) оперативної пам’яті сучасних комп’ютерів складає 2‑4 Гбайт і більше.

Рисунок 4 – Материнська плата.

Конструктивно оперативна пам’ять в комп’ютері розташовується на стандартних панельках, які називаються модулями. Модулі оперативної пам’яті вставляють у відповідні роз’єми на материнські платі. Модулі пам’яті виконують однорядними (SIMM-модулі) і дворядними (DIMM-модулі). Основними показниками модулів є об’єм пам’яті і час доступу. SIMM-модулі постачаються об’ємами 4, 8, 16, 32 Мбайт, a DIMM-модулі – 16, 32, 64, 128 Мбайт і більше. Час доступу показує скільки часу необхідно для звернення до комірок пам’яті. Типовий час доступу до оперативної пам’яті для SIMM‑модулів – 50-70 нс. Для сучасних DIMM-модулів він складає 7-10 нс, DDR 3-5 нс.

На сучасному етапі розвитку комп’ютерної техніки широко використовують мікросхеми синхронізованої динамічної пам’яті з довільною вибіркою і подвоєною швидкістю роботи DDR SDRAM (Double Data Rate) на частотах 200 і 266 МГц, а також мікросхеми пам’яті типу Rambus RDRAM до 800 МГц.

Процесор

Складається з регістрів – комірок пам’яті, де дані можуть не тільки зберігатись, але і змінюватися. В деяких регістрах дані розглядаються не як дані, а як команди, що управляють обробкою даних в інших регістрах. Управляючи засиланням даних в різні регістри процесора, можна управляти обробкою даних. На цьому засновано виконання програм.

З іншими пристроями комп’ютера процесор зв’язаний групами провідників, які називаються шинами. Основних шин три: шина даних, адресна шина, командна шина.

Сукупність всіх можливих команд, котрі може виконати процесор з даними, утворюють так звану систему команд процесора. Процесори, що відносяться до одного сімейства, мають однакові або близькі системи команд. Чим ширше набір системних команд процесора, тим складніша його архітектура, вище час виконання однієї команди. Система команд процесорів Intel Pentium нараховує більше тисячі команд. Такі процесори називаються процесорами з розширеною системою команд – CISC‑процесорами (CISC–Complem Instruction Set Computing).

Існують процесори зі скороченою системою команд – RISC-процесори (RISC – Reduced Instruction Set Computing). При такій архітектурі кількість команд в системі набагато менша, але кожна з них виконується набагато швидше.

В результаті CISC-процесори використовують в універсальних обчислювальних системах, a RISC – в спеціалізованих обчислювальних системах або пристроях, орієнтованих на виконання однотипних операцій. Останнім часом випускаються процесори з гібридною архітектурою і внутрішнє ядро виконано за RISC-архітектурою, а зовнішня структура виконана за архітектурою CISC.

Основними параметрами процесорів є: робоча напруга, розрядність, робоча тактова частота, коефіцієнт внутрішнього множення тактової частоти і розмір кеш-пам’яті.

Робочу напругу процесора забезпечує материнська плата. З розвитком процесорної техніки робоча напруга знижується з 5 В до З В і менше. Причому ядро процесора живиться напругою 2,2 В. Зниження робочої напруги дає змогу зменшити відстань між структурними елементами в кристалі процесора до десятих частин без побоювання електричного пробою, завдяки цьому досягається збільшення частоти процесора. Пропорційно квадрату напруги зменшується і тепловиділення в процесорі, що дозволяє збільшити його продуктивність без загрози перегріву.

Розрядність процесора визначає скільки біт даних він може прийняти і обробити в своїх регістрах за один такт. Сучасні процесори є 64-розрядними.

Робоча тактова частота визначає кількість команд виконаних процесором за одиницю часу. Робочі частоти сучасних процесорів перевищують 3800 МГц.

Тактові сигнали процесор отримує від материнської плати. З суто фізичних причин материнська плата не може працювати на таких високих частотах як процесор. Для отримання більш високих частот в процесорі відбувається внутрішнє множення частоти на коефіцієнти 4; 4,5; 5 і більше.

Обмін даними всередині процесора відбувається в декілька разів швидше, ніж обмін з іншими пристроями, наприклад з оперативною пам’яттю. Для того щоб зменшити кількість звертань до оперативної пам’яті, всередині процесора створюють буферну область – так звану кеш-пам’ять.

ПЗП

Зберігає програми, які забезпечують перевірку комп’ютерної системи, процес початкового завантаження операційної системи. їх записують на етапі виготовлення мікросхеми ПЗП. Комплекс програм, що знаходяться в ПЗП, утворює базову систему введення-виведення (BIOS – Basic Input Output System).

Пам’ять CMOS

Являє собою енергонезалежну від блока живлення пам’ять, виготовлену за технологією CMOS. В пам’яті мікросхеми CMOS зберігається склад обладнання, що входить в конкретну комп’ютерну систему: дані про гнучкі і жорсткі диски, про процесори, про деякі інші пристрої материнської плати, а також інформація про час і календар. Ці дані можна заносити і змінювати самостійно, відповідно до того, яке обладнання входить до складу системи. Мікросхема CMOS живиться від невеликої батарейки, розташованої на материнській платі. Таким чином, програми, записані в BIOS, зчитують дані про склад обладнання комп’ютера з мікросхеми CMOS, після чого вони можуть звертатись до жорсткого диска або гнучкого і передавати управління тим програмам, котрі там записані.

Шинні інтерфейси материнської плати

Зв’язок між внутрішніми і зовнішніми пристроями материнської плати виконують її шини і логічні пристрої, розташовані в мікросхемах мікропроцесорного комплекту (чіпсета). Від архітектури цих елементів в великій мірі залежить продуктивність комп’ютера.

ISA (Industry Standard Architecture). Архітектура ISA не тільки дозволила зв’язати всі пристрої системного блока між собою, але й забезпечила просте підключення нових пристроїв через стандартні роз’єми (слоти). Пропускна здатність шини складає до 5,5 Мбайт/с. Це дозволяє використовувати її в комп’ютерах для підключення пристроїв низької швидкодії: звукових портів, модемів.

EISA (Extended ISA). Розширений стандарт EISA відрізняється збільшеним роз’ємом і збільшеною продуктивністю (до 32 Мбайт/с). Як і ISA цей стандарт є застарілим.

VLB (VESA Local Bus). Локальна шина стандарту VESA має підвищену частоту до 50 МГц і пропускну здатність до 130 Мбайт/с і застосовується для роботи на ділянках процесор - оперативна пам’ять і процесор - відео адаптер. Основними недоліками інтерфейсу VLB стало те, що гранична частота, а відповідно і пропускна здатність локальної шини залежать від кількості пристроїв, підключених до шини.

PCI (Peripheral Component Interconnect).

Стандарт підключення зовнішніх компонентів за своєю суттю є також інтерфейсом локальної шини, яка зв’язує процесор з оперативною пам’яттю, в котру врізані роз’єми для підключення зовнішніх пристроїв. Інтерфейс РСІ підтримує частоту 64 МГц і забезпечує продуктивність 246 Мбайт/с для 32‑розрядних даних і 528 Мбайт/с для 64-розрядних даних.

FSB (Front Side Bus).

Це сучасна шина, яка використовується для зв’язку процесора з пам’яттю. Вона працює на частоті 100-250 МГц і пропускна здатність складає 800 Мбайт/с.

AGP (Advanced Graphic Part).

Удосконалений графічний порт AGP використовується на проміжку процесор – відеоадаптер. Частота цієї шини відповідає частоті шини РСІ (33 МГц або 66 МГц), але вона має більш високу пропускну здатність – до 1066 Мбайт/с.

USВ (Universal Serial Bus).

Універсальний послідовний порт USB визначає спосіб взаємодії комп’ютера з периферійним обладнанням. Biн дозволяє підключати до 256 різних пристроїв, які мають послідовний інтерфейс. Пристрої при цьому підключаються колами. Продуктивність шини USB відносно невелика і складає 1,5 Мбайт/с, але для таких пристроїв, як клавіатура, миша, модем, джойстик та інші цього достатньо.

Зручність шини полягає в тому, що вона дозволяє підключати і відключати пристрої в "гарячому режимі" (не виключаючи комп’ютера) і дозволяє об’єднувати декілька комп’ютерів в просту локальну мережу без застосування спеціального обладнання і програмного забезпечення.