Лабораторна робота № 3 вивчення компонентів материнської плати

Мета роботи: вивчення пристроїв, розташованих на материнській платі персонального комп'ютера.

Обладнання: макет материнської плати, процесора, модулів оперативної пам'яті.

Теоретична частина роботи:

Основні характеристики пам'яті комп'ютера.

Хоча пам'ять комп'ютера складається з окремих бітів, безпосередньо "спілкуватися" з кожним з них неможливо: біти групуються у великі блоки інформації і саме вони отримують адреси, по яких відбувається звернення до пам'яті. За історичною традицією, що склалася, мінімальна порція інформації, яку сучасний комп'ютер здатний записати в пам'ять складає 8 біт або 1 байт. Звідси стає очевидним, що загальний об'єм пам'яті повинен вимірюватися у байтах, або в похідних від нього одиницях. Розмір пам'яті персональних комп'ютерів нестримно зростає. Перші моделі мали 16-розрядний адресний простір і, отже, об'єм пам'яті 2¹⁶ = 64 Кбайта. Потім, коли пам'яті підпрограмних систем, що розробляються, перестало хватати, інженери, введенням деяких дуже специфічних способів формування адреси, збільшили її розмір на порядок - в MS DOS стандартна пам'ять була прийнята рівною 640 Кбайт.

Ще однією важливою характеристикою пам'яті є час доступу або швидкодія пам'яті. Цей параметр визначається часом виконання операцій запису або зчитування даних; він залежить від принципу дії і технології виготовлення елементів, що запам'ятовують.

Chip Set - набір мікросхем. Це одна або декілька мікросхем, таймери, системи управління спеціально розроблених для "обв'язування" мікропроцесора. Вони містять в собі контролери переривань, прямого доступу до пам'яті - усі ті компоненти, які в оригінальній IBM PC були зібрані на окремих мікросхемах. Зазвичай в одну з мікросхем набору входить також годинник реального часу з CMOS- пам'яттю і іноді - клавіатурний контролер, проте ці блоки можуть бути присутніми і у вигляді окремих чіпів. У останніх розробках до складу мікросхемних наборів для інтегрованих плат стали включатися і контролери зовнішніх пристроїв.

Зовні мікросхеми Chipset 'а виглядають, як найбільші після процесора, з кількістю виведень від декількох десятків до двох сотень. Назва набору зазвичай походить від маркування основної мікросхеми - OPTi495SLC, SiS471, UMC491, i82C437VX і т.д. При цьому використовується тільки код мікросхеми усередині серії: наприклад, повне найменування SiS471 - SiS85C471. Останні розробки використовують і власні назви; у ряді випадків це - фірмова назва (Neptun, Mercury, Triton, Viper), або власне маркування чіпів третіх фірм (ExpertChip, PC Chips).

Тип набору в основному визначає функціональні можливості плати: типи процесорів, що підтримуються, структура/об'єм кеша, можливі поєднання типів і об'ємів модулів пам'яті, підтримка режимів енергозбереження, можливість програмного налаштування параметрів і тому подібне. На одному і тому ж наборі може випускатися декілька моделей системних плат, від простих до досить складних з інтегрованими контролерами портів, дисків, відео і т.п.

Типи мікросхем пам'яті, що використовуються в системних платах.

З мікросхем пам'яті (RAM - Random Access Memory, пам'ять з довільним доступом) використовується два основні типи: статична (SRAM - Static RAM) і динамічна (DRAM - Dynamic RAM).

У статичній пам'яті елементи (осередки) побудовані на різних варіантах тригерів - схем з двома стійкими станами. Після запису біта в такий осередок вона може перебувати в цьому стані як завгодно довго - потрібна тільки наявність живлення. При зверненні до мікросхеми статичної пам'яті на неї подається повна адреса, яка за допомогою внутрішнього дешифратора перетвориться в сигнали вибірки конкретних осередків. Елементи статичної пам'яті мають малий час спрацьовування (одиниці-десятки наносекунд), проте мікросхеми на їх основі мають низьку питому щільність даних (порядку одиниць Мбіт на корпус) і високе енергоспоживання. Тому статична пам'ять використовується в основному як буферна (кеш-пам'ять).

У динамічній пам'яті осередки побудовані на основі областей з накопиченням зарядів, що займають набагато меншу площу, ніж тригери, і практично не споживаючих енергії при зберіганні. При записі біта в такий осередок в ній формується електричний заряд, який зберігається впродовж декількох мілісекунд; для постійного збереження заряду осередку необхідно регенерувати - перезаписувати вміст для відновлення зарядів. Осередки мікросхем динамічної пам'яті організовані у вигляді прямокутної (зазвичай - квадратної) матриці; при зверненні до мікросхеми на її входи спочатку подається адреса рядка матриці, що супроводжується сигналом RAS (Row Address Strobe - строб адреси рядка), потім, через деякий час - адреса стовпця, що супроводжується сигналом CAS (Column Address Strobe - строб адреса столбця). При кожному зверненні до осередку регенерують усі осередки вибраного рядка, тому для повної регенерації матриці досить перебрати адреси рядків. Елементи динамічної пам'яті мають більший час спрацьовування (десятки-сотні наносекунд), але велику питому щільність (близько десятків Мбіт на корпус) і менше енергоспоживання. Динамічна пам'ять використовується як основна.

Типові позначення корпусів мікросхем і типів модулів пам'яті DIP, SIP, SIPP, SIMM, DIMM, CELP, COAST.

DIP (Dual In line Package - корпус з двома рядами виведень) - класичні мікросхеми, що застосовувалися у блоках основної пам'яті XT і ранніх AT, а зараз - у блоках кеш-пам'яті.

SIP (Single In line Package - корпус з одним рядом виведень) - мікросхема з одним рядом виведень, встановлених вертикально.

SIPP (Single In line Pinned Package - модуль з одним рядом дротяних виведень) - модуль пам'яті, що вставляється в панель на кшталт мікросхем DIP/SIP; застосовувався в ранніх AT.

SIMM (Single In line Memory Module - модуль пам'яті з одним рядом контактів) - модуль пам'яті, що вставляється в затискаючий роз'єм; застосовується в усіх сучасних платах, а також у багатьох адаптерах, принтерах і інших пристроях. SIMM має контакти з двох сторін модуля, але усі вони сполучені між собою, утворюючи як би один ряд контактів.

DIMM (Dual In line Memory Module - модуль пам'яті з двома рядами контактів) - модуль пам'яті, схожий на SIMM, але з роздільними контактами (зазвичай 2 x 84), за рахунок чого збільшується розрядність або число банків пам'яті в модулі. Застосовується в основному в комп'ютерах Apple і нових платах P5 і P6.

На SIMM в встановлюються переважно мікросхеми FPM/EDO/BEDO, а на DIMM - EDO/BEDO/SDRAM.

CELP (Card Egde Low Profile - невисока карта з ножовим роз'ємом на краю) - модуль зовнішньої кеш-пам'яті, зібраний на мікросхемах SRAM (асинхронний) або PB SRAM (синхронний). На вигляд схожий на 72-контактний SIMM, має місткість 256 або 512 кб. Інша назва - COAST (Cache On A STick - буквально "кеш на паличці").

Модулі динамічної пам'яті, окрім пам'яті для даних, можуть мати додаткову пам'ять для зберігання бітів парності (Parity) для байтів даних - такі SIMM іноді називають 9 - і 36-розрядними модулями (по одному біту парності на байт даних). Біти парності служать для контролю правильності прочитування даних з модуля, дозволяючи виявити частину помилок (але не усі помилки). Модулі з парністю має сенс застосовувати лише там, де потрібна дуже висока надійність - для звичайних застосувань підходять і ретельно перевірені модулі без парності, за умови, що системна плата підтримує такі типи модулів.

Найпростіше визначити тип модуля по маркуванню і кількості мікросхем пам'яті на ньому: наприклад, якщо на 30-контактному SIMM дві мікросхеми одного типу і одна - іншого, то дві перших містять дані (кожна - по чотири розряди), а третя - біти парності (вона однорозрядна). У 72-контактному SIMM з дванадцятьма мікросхемами вісім з них зберігають дані, а чотири - біти парності. Модулі з кількістю мікросхем 2, 4 або 8 не мають пам'яті під парність.

Іноді на модулі ставиться так званий імітатор парності - мікросхема-суматор, що видає при прочитуванні осередку завжди правильний біт парності. В основному це призначено для установки таких модулів плати, де перевірка парності не відключається; проте, існують модулі, де такий суматор маркірований як "чесна" мікросхема пам'яті - найчастіше такі модулі робляться в Китаї.

72-контактні SIMM мають чотири спеціальні лінії PD (Presence Detect - виявлення наявності), на яких за допомогою перемичок може бути встановлені до 16 комбінацій сигналів. Лінії PD використовуються деякими "Brand name"-платами для визначення наявності модулів в роз'ємах і їх параметрів (об'єму і швидкодії). Більшість універсальних плат виробництва "третіх фірм" не використовують ліній PD.

У модулях DIMM, відповідно до специфікації JEDEC, технологія PD реалізується за допомогою перезаписуваного ПЗП з послідовним доступом (Serial EEPROM) і носить назву Serial Presence Detect (SPD). ПЗП предствляє собою 8-вивідну мікросхему, розміщену в кутку плати DIMM, а його вміст описує конфігурацію і параметри модуля. Системні плати з chiset 'ами 440LX/BX можуть використати SPD для налаштування системи управління пам'яттю. Деякі системні плати можуть обходитися без SPD, визначаючи конфігурацію модулів звичайним шляхом - це стимулює випуск рядом виробників DIMM без ПЗП, що не задовольняють специфікації JEDEC.

Cache (запас) означає швидкодіючу буферну пам'ять між процесором і основною пам'яттю. Кеш служить для часткової компенсації різниці в швидкості процесора і основної пам'яті - туди потрапляють найчастіше використовувані дані. Коли процесор перший раз звертається до елементу пам'яті, її вміст паралельно копіюється в кеш, і у разі повторного звернення незабаром може бути з набагато більшою швидкістю вибрано з кеша. При записі в пам'ять значення потрапляє в кеш, і або одночасно копіюється в пам'ять (схема Write Through - прямий або наскрізний запис), або копіюється через деякий час (схема Write Back - відкладений або зворотний запис). При зворотному записі, що називається наскрізним записом, що також буферизує, значення копіюється в пам'ять в першому ж вільному такті, а при відкладеній (Delayed Write) - коли для приміщення в кеш нового значення не виявляється вільної області; при цьому в пам'ять витісняються найменш використовувана область кеша. Друга схема ефективніша, але і складніша за рахунок необхідності підтримки відповідності утримуваного кеша і основної пам'яті.

Зараз під терміном Write Back в основному розуміється відкладений запис, проте це може означати і наскрізну, що буферизує.

Пам'ять для кеша складається з власне області даних, розбитої на блоки (рядки), які є елементарними одиницями інформації при роботі кеша, і області ознак (tag), що описує стан рядків (вільна, зайнята, помічена для дозапису і т.п.). В основному використовуються дві схеми організації кеша: з прямим відображенням (direct mapped), коли кожна адреса пам'яті може кешируватись тільки одним рядком (в цьому випадку номер рядка визначається молодшими розрядами адреси), і n- зв'язний асоціативний (n - way associative), коли кожна адреса може кешируватись декількома рядками. Асоціативний кеш більше складений, проте дозволяє гнучкіше кеширувати дані; найбільш поширені 4-зв'язні системи кешування.

Хід роботи:

1. Переконайтеся в тому, що комп'ютер і периферійне устаткування знеструмлені (при необхідності, відключите їх від мережі).

2. Встановіть місце розташування процесора і вивчіть організацію системи охолодження. По маркуванню визначите тип процесора і фірму-виготівника.

3. Встановіть місце розташування роз'ємів для установки модулів оперативної пам'яті. З'ясуйте їх кількість і тип використовуваних модулів (SIMM, DIMM), визначте кількість контактів і мікросхем на платі.

4. Встановіть місце розташування слотів для установки плат розширення. З'ясуйте їх кількість і тип (ISA, VLB, PCI, AGP, ...), встановіть кількість контактів. Зафіксуйте їх відмінності в таблиці 3.

Таблиця 3

Тип шини	Характеристики	Розмір

5. Встановіть місце розташування мікросхеми ПЗП. По наклейці на ній визначите виробника системи BIOS цього комп'ютера.

6. Встановіть місце розташування мікросхем системного комплекту (чіпсета). По маркуванню визначите тип комплекту і фірму-виготівника.

7. Встановіть форм-фактор материнської плати.

8. Заповніть таблицю 4.

Таблиця 4

	Виготівник	Модель
Процесор
Чипсет
Система BIOS

9. Продемонструвати викладачеві розташування роз'ємів та мікросхем системного комплекту.

Звіт про виконання лабораторної роботи має містити:

1) № лабораторної роботи;

2) назва лабораторної роботи;

3) мета лабораторної роботи;

4) опис робочого місця (технічне оснащення);

5) типи компонентів материнської плати згідно таблиці 4;

6) послідовність дій виконання роботи;

7) відповіді для захисту роботи.

Захищена лабораторна робота підписується викладачем з указанням дати захисту роботи.

Контрольні запитання:

1. Елементна база ЕОМ. Класифікація елементів і вузлів ЕОМ.

2. Організація функціонування ЕОМ з магістральною архітектурою.

3. Поняття адресного простору. Адресна структура команд мікропроцесора і планування ресурсів.

4. Схема розміщення елементів материнської плати.

5. Віртуальна пам'ять.

6. Що таке DIP, SIP, SIPP, SIMM, DIMM, CELP, COAST?

7. Що таке BIOS і навіщо він потрібний?