Материнские платы. Системные шины

ЭВМ классифицируются на следующие типы:

1. Одноплатные, в которых все необходимые компоненты устанавливаются на материнскую плату без использования дополнительных схем.

2. Шинные, в которых материнская плата выполняет лишь минимально необходимые функции, а остальные функции выполняют, присоединяемые к ней посредством системной шины, платы расширения.

 

На материнской плате персонального компьютера типа IBM PC располагаются следующие основные компоненты:

- Микропроцессор, установленный в специальный разъём (слот). Как правило, на процессор устанавливается радиатор с вентилятором (кулером - cooler).

- Микросхемы внешней кэш-памяти.

- Разъёмы (слоты) для установки модулей оперативной памяти.

- Разъёмы (слоты) для установки карт расширения.

- Микросхема перепрограммируемой памяти, в которой хранятся программы BIOS (Basic Input/Output System), тестирования ПК, загрузки операционной системы, драйверы устройств, начальные установки (CMOS Setup) и т.п.

- Разъёмы для подключения накопителей HDD, FDD, CD-ROM, последовательные и параллельные порты для подключения периферийных устройств ввода-вывода.

- Набор микросхем высокой степени интеграции (chipset - чипсет) для управления обменом данными между всеми компонентами ПК.

- Аккумуляторная батарея для питания микросхемы памяти CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor – комплиментарный металло-оксидный полупроводник), в которой хранятся текущие настройки BIOS (CMOS Setup) и электронного таймера (системных часов).

На некоторые модели материнских плат фирмы-производители устанавливают микросхемы, выполняющие функции видеоадаптера, звуковой карты, сетевой карты и т.д. Эти меры приняты с целью экономии места в корпусе ПК и увеличения количества свободных слотов.

Современные вычислительные системы характеризуются:

- ростом быстродействия микропроцессоров и некоторых внешних устройств;

- появлением программ, требующих большого количества интерфейсных операций (например, обработка графики в операционной системе Windows).

В этих условиях были созданы современные типы системных шин.

Для ускорения ввода/вывода данных на видеоадаптер и увеличения производительности ПК при обработке трехмерных изображений без установки специализированных дорогостоящих двухпроцессорных видеоплат был разработан стандарт на шину AGP (Accelerated Graphics Port). Шина AGP является каналом передачи данных между видеоадаптером и оперативным запоминающим устройством.

Помимо наличия стандарта AGP особенностями современных материнских плат является наличие шин USB (Universal Serial Bus) и FireWire (IEEE 1394).

Шина USB (Universal Serial Bus). Спецификация шины USB была разработана для подключения периферийных устройств вне корпуса персонального компьютера. На новых материнских платах имеется специальный разъём для подключения концентратора USB (USB-Hub).

К компьютерам, оборудованным шиной USB, можно подключать периферийные устройства (клавиатуру, мышь, джойстик, принтер и др.), не выключая питание. Как только устройство будет подключено, автоматически осуществляется его автоконфигурирование. Все периферийные устройства при этом должны быть оборудованы разъёмом USB и подключаться к ПК через отдельный выносной блок, именуемый USB-хабом или концентратором, с помощью которого можно подключить к персональному компьютеру до 127 периферийных устройств.

Шина FireWire – это стандарт на высокоскоростную локальную последовательную шину, он является частью нового стандарта Serial SCSI (SCSI-3). Высокая скорость передачи данных (до 1 Гигабит в секунду) достигается за счет использования пакетного режима.

 

 

Внутренняя память ЭВМ

 

Внутренняя память ЭВМ типа IBM PC называется основной памятью и включает в себя:

- Оперативное запоминающее устройство ОЗУ (RAM – Random Access Memory);

- Постоянное запоминающее устройство ПЗУ (ROM – Read-Only Memory).

ОЗУ предназначено для хранения информации, непосредственно участвующей в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования ПК.

ОЗУ – энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ОЗУ, теряется.

Основу ОЗУ составляют большие интегральные схемы, содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов (триггеров). Запоминающие элементы расположены на пересечении вертикальных и горизонтальных шин матрицы. Запись и считывание информации осуществляется подачей электрических импульсов по тем шинам матрицы, которые соединены с элементами, принадлежащими выбранной ячейке памяти.

ПЗУ используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ ОС, программ тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов BIOS (Base Input/Output System – базовой системы ввода-вывода). ПЗУ – энергонезависимое запоминающее устройство, которого можно только считывать информацию. Запись информации в ПЗУ выполняется в специальных условиях или с помощью специальных программ.

 

Организация памяти заключается в том, что каждому байту памяти соответствует уникальный адрес, называемый физическим адресом. Диапазон значений физических адресов зависит от разрядности адресной шины микропроцессора.

Например, для микропроцессоров Pentium этот диапазон находится в пределах от 0 до 2³²-1 байт (4 Гбайт). Механизм управления памятью является аппаратным.

Микропроцессор поддерживает следующие модели использования памяти:

- Сегментированная модель, в которой память для программы делится на непрерывные области (сегменты), при этом программа может обращаться только к данным, которые находятся в этих сегментах.

- Страничная модель, в которой память рассматривается как совокупность блоков фиксированного размера. Основное применение этой модели связано с организацией виртуальной памяти, что позволяет операционной системе использовать для работы программ пространство памяти большее, чем объём физической памяти.

Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный (отличный от всех других) адрес. Основная память имеет единое адресное пространство для ОЗУ и ПЗУ. Адресное пространство определяет максимально возможное количество непосредственно адресуемых ячеек основной памяти.

Основная память делится на две логические области:

- непосредственно адресуемая память;

- расширенная память, доступ к ячейкам которой возможен при использовании специальных программ-драйверов (специальных программ, управляющих работой памяти или внешними устройствами ЭВМ и организующих обмен информацией между микропроцессором, основной памятью и внешними устройствами).

 

Расширенная память может быть использована главным образом для хранения данных и некоторых программ операционной системы. Часто расширенную память используют для организации виртуальных (электронных) дисков..

В современных компьютерах существует режим виртуальной адресации. Виртуальная адресация используется для увеличения предоставляемой программам оперативной памяти за счёт отображения в части адресного пространства фрагмента внешней памяти.

 

Внешняя память ЭВМ

 

Устройства внешней памяти (ВЗУ) можно классифицировать по ряду признаков, таким как:

- вид носителя информации;

- тип конструкции;

- принцип записи и считывания информации;

- метод доступа к информации и др.

Дисковые накопители относятся к магнитным накопителям информации с прямым доступом. Это означает, что ЭВМ обращается непосредственно к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, где бы ни находилась головка чтения-записи накопителя в данный момент.

Накопители на оптических дисках в настоящее время получили большое распространение, благодаря маленьким размерам большой емкости и надежности.

Известны следующие виды накопителей на оптических дисках:

1) неперезаписываемые лазерно-оптические диски (компакт-диски ПЗУ, CD-ROM);

2) перезаписываемые лазерно-оптические диски с однократной (CD-R – CD Recordable) и многократной (CD-RW – CD ReWritable) записью;

3) мультимедийные диски (DVD-диски, Digital Video Disk).

 

Основными достоинствами накопителей на оптических дисках являются:

- сменяемость и компактность носителей;

- большая информационная емкость (до нескольких сотен МБт до нескольких ГБт);

- высокая надежность и долговечность CD и головок считывания / записи (до 50 лет);

- меньшая (по сравнению с накопителями на магнитных дисках) чувствительность к загрязнениям и вибрациям;

- нечувствительность к электромагнитным полям.

 

Неперезаписываемые лазерно-оптические диски CD-ROM поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной на них информацией. Запись информации на них возможна только вне персонального компьютера лазерным лучом большой мощности, который оставляет на активном слое CD след (дорожку) с микроскопическими впадинами. Таким образом создается первичный “мастер-диск”. Процесс массового тиражирования CD-ROM по «мастер-диску» выполняется путем литья под давлением. В оптическом дисководе CD-ROM в персональном компьютере эта дорожка читается лазерным лучом значительно меньшей мощности.

У перезаписываемых лазерно-оптических дисков (CD-R, CD-RW) лазерный луч непосредственно в дисководе компьютера при записи прожигает микроскопические углубления на поверхности диска под защитным слоем, чтение записи выполняется лазерным лучом так же, как и у CD-ROM. Дисководы CD-R и CD-RW способны читать и обычные диски CD-ROM.

 

В накопителях на жестких магнитных дисках (НЖМД – HDD – Hard Disk Drive) один или несколько жестких дисков, изготовленных из сплавов алюминия или из керамики и покрытых ферролаком вместе с блоком магнитных головок считывания/записи, помещены в герметически закрытый корпус. Эти накопители характеризуются большой информационной емкостью (благодаря высокой плотности записи) и высоким быстродействием (по сравнению с накопителями на гибких магнитных дисках).

 

Основные характеристики НЖМД:

1. Быстродействие. Определяется средним временем доступа и скоростью передачи данных, которая не может превосходить предельного значения для интерфейса накопителя.

2. Среднее время доступа – усредненное время, необходимое для подвода магнитных головок к требуемому сектору (составляет в среднем 1 – 10 мс).

3. Внутренняя скорость передачи между диском и контроллером накопителя. Зависит от частоты вращения диска и продольной плотности записи.

4. Внешняя скорость передачи. Характеризует интенсивность потока данных между контроллером накопителя и ОЗУ.

5. Среднее время безотказной работы (обычно составляет не менее 250 000 часов).