Опорний конспект лекцій з дисципліни "ПКна схемотехніка"

Змістовий модуль 1. "Схемотехніка типових вузлів і блоків".

Тема 2. Типові вузли і блоки цифрової техніки.

Узагальнена структура ПК. Типові вузли та блоки. Узагальнена структура процесора. Сучасні і перспективні інтерфейси вводу-виводу інформації. Пристрої вводу-виводу інформації.

Узагальнена структура ПК.

ПК являє собою найбільш розвинений вид мікропроцесорних систем. На основі ПК можна будувати самі складні контрольно-вимірювальні, керуючі, обчислювальні й інформаційні системи. Наявні в ПК апаратні і програмні засоби роблять його універсальним інструментом для самих різних задач.

У випадку обчислювальних і інформаційних систем ПК не має потреби в підключенні нестандартної апаратури, усе зводиться до підбору чи написанню необхідного програмного забезпечення. У випадку ж контрольно-вимірювальних і керуючих систем ПК оснащується набором інструментів для сполучення з зовнішніми пристроями і відповідними програмними засобами. У багатьох випадках будувати систему на основі ПК виявляється набагато простіше, швидше і навіть дешевше, ніж проектувати її з нуля на базі якогось мікропроцесора, мікропроцесорного комплекту чи мікроконтролера.

Звичайно, у більшості випадків система на основі ПК виявляється сильно надлишковою, це плата за універсальність. Але в той же час той самий ПК може вирішувати найрізноманітніші задачі. Наприклад, у системі управління технологічними процесами чи науковими установками він може математично моделювати процеси, що відбуваються, видавати в реальному часі управляючі сигнали, приймати в реальному часі відповідні сигнали, накопичувати інформацію, обробляти її, обмінюватися інформацією з іншими ПК. Вартість персональних ПК унаслідок великого об'єму випуску постійно знижується. Тому їхнє використання не тільки зручне, але й економічно вигідне.

Але щоб грамотно і повноцінно використовувати ПК у складі будь-яких систем, треба мати уяву про його архітектуру, про основні принципи побудови, про пристрої, що входять до його складу та інтерфейси.

ПК типу IBM PC має досить традиційну архітектуру мікропроцесорної системи і містить усі звичайні функціональні вузли: процесор, постійну й оперативну пам'ять, пристрої вводу/виводу, системну шину, джерело живлення. Основні особливості архітектури ПК зводяться до принципів компонування апаратури, а також до обраного набору системних апаратних засобів.

Типові вузли та блоки

Функції основних вузлів ПК наступні:

• Центральний процесор - це мікропроцесор з усіма необхідними допоміжними мікросхемами, включаючи зовнішню кеш-пам'ять і контролер системної шини. (Про кеш-пам'ять докладніше буде розказано в наступних розділах). У більшості випадків саме центральний процесор здійснює обмін системною шиною.

• Оперативна пам'ять може займати майже весь адресний простір пам'яті процесора. У сучасних персональних ПКах стандартний об'єм системної пам'яті складає, як правило, від 2 до 12 Гбайт. Оперативна пам'ять ПКа виконується на мікросхемах динамічної пам'яті і тому вимагає регенерації.

• Постійна пам'ять (ROM BIOS - Base Input/Output System) має невеликий об'єм (до 64 Кбайт), містить програму початкового запуску, опис конфігурації системи, а також драйвери (програми нижнього рівня) для взаємодії із системними пристроями.

Контролер переривань перетворить апаратні переривання системної магістралі в апаратні переривання процесора і задає адреси векторів переривання. Усі режими функціонування контролера переривань задаються програмно процесором перед початком роботи.

Рисунок 2.1. -Узагальнена схема ПК типу IBM PC.

• Контролер прямого доступу до пам'яті приймає запит на ПДП із системної магістралі, передає його процесору, а після надання процесором магістралі проводить пересилку даних між пам'яттю і пристроєм вводу/виводу. Усі режими функціонування контролера ПДП задаються програмно процесором перед початком роботи. Використання Вбудованих у ПК контролерів переривань і ПДП дозволяє істотно спростити апаратуру застосовуваних плат розширення.

• Контролер регенерації здійснює періодичне відновлення інформації в динамічній оперативній пам'яті шляхом проведення шиною спеціальних циклів регенерації. На час циклів регенерації він стає власником (задатчиком) шини.

• Перестановник байтів даних допомагає проводити обмін даними між 16-розрядним і 8-розрядним пристроями, пересилати цілі слова чи окремі байти.

• таймер-лічильник - це пристрої для внутрішнього контролю часу і дати, а також для програмної витримки часових інтервалів, програмного задавання частоти.

• Системні пристрої вводу/виводу - це ті пристрої, які необхідні для роботи ПК і взаємодії з стандартними зовнішніми пристроями паралельним і послідовним інтерфейсами. Вони можуть бути виконані на материнській платі, а можуть розташовуватися на платах розширення.

• Плати розширення встановлюються в слоти (роз'єми) системної магістралі і можуть містити оперативну пам'ять і пристрої вводу/виводу. Вони можуть обмінюватися даними з іншими пристроями на шині в режимі програмного обміну, у режимі переривань і в режимі ПДП. Передбачена також можливість захоплення шини, тобто повного відключення від шини всіх системних пристроїв на якийсь час. Важлива особливість подібної архітектури - її відкритість, тобто можливість включення в ПК додаткових пристроїв, причому як системних пристроїв, так і різноманітних плат розширення. Відкритість припускає також можливість простого вбудовування програм користувача на будь-якому рівні програмного забезпечення ПК.

Материнська або системна плата - це багатошарова друкована плата, що є основою ЕОМ, що визначає її архітектуру, продуктивність і здійснює зв'язок між усіма підключеними до неї елементами і координацію їх роботи.

На друкованій платі розташовуються сигнальні лінії, часто звані сигнальними доріжками, що з'єднують між собою всі елементи материнської плати. Якщо сигнальні доріжки розташовані дуже близько один до одного, то сигнали що передаються по ним будуть створювати перешкоди один для одного. Чим довше доріжка і вище швидкість передачі даних по ній, тим більше вона створює перешкод (завад) для сусідніх доріжок і тим більше вона вразлива для таких перешкод. В результаті, можуть виникати збої в роботі навіть наднадійних і дорогих компонентів ПК. Тому основне завдання при виробництві друкованої плати так розмістити сигнальні доріжки, щоб мінімізувати дію перешкод на передані сигнали. Для цього друковану плату роблять багатошаровою, багаторазово збільшуючи корисну площу друкованої плати і відстань між доріжками. Як правило, сучасні материнські плати мають шість шарів: три сигнальних шару, шар заземлення та два шари живлення.

На друкованій платі розташовуються всі компоненти материнської плати і роз'єми для підключення плат розширення і периферійних пристроїв. Нижче на малюнку зображена орієнтовна структурна схема розташування компонентів на друкованій платі.

Рисунок 2.2. – Системна плата

На материнській платі розміщуються всі основні елементи ЕОМ, такі як: - Набір системної логіки або чіпсет - основний компонент материнської плати, що визначає який тип процесора, тип ОЗУ, тип системної шини можна використовувати; - Слот для установки процесора. Визначає, який саме тип процесорів можна під'єднати до материнської плати. У процесорах можуть використовуватися різні інтерфейси системної шини (наприклад, FCB, DMI, QPI і т.д.), оскільки одні процесори можуть мати вбудовану графічну систему або контролер пам'яті, інші відрізняються кількість "ніжок" і так далі. Відповідно для кожного типу процесора необхідно використовувати свій слот для установки. Часто виробники процесорів і материнських плат зловживають цим, женучись за додатковою вигодою, і створюють нові процесори не сумісні з існуючими типами слотів, навіть якщо цього можна було уникнути. В результаті доводиться при оновленні комп'ютера міняти не тільки процесор, але і материнську плату [].

Чіпсет або набір системної логіки - це основний набір мікросхем материнської плати, що забезпечує спільне функціонування центрального процесора, ОЗУ, відеокарти, контролерів периферійних пристроїв та інших компонентів, що підключаються до материнської плати. Саме він визначає основні параметри материнської плати: тип підтримуваного процесора, обсяг, канальний і тип ОЗУ, частоту і тип системної шини і шини пам'яті, набори контролерів периферійних пристроїв і так далі. Як правило, сучасні набори системної логіки будуються на базі двох компонентів, що представляють собою окремі чіпсети, пов'язані один з одним високошвидкісною шиною.

В даний час більшість материнських плат роблять на основі чіпсета розділеного на два компоненти. Називаються ці компоненти Північний і Південний міст. Назви Північний і Південний - історичні. Вони означають розташування компонентів чіпсета щодо шини PCI: Північний знаходиться вище, а Південний - нижче. Ця назва міст дали чіпсетам тому, що вони служать для зв'язку різних шин і інтерфейсів.

Рисунок 2.3. – Схемотехніка системної плати

Причини поділу чіпсета на дві частини наступні:

1. Відмінності в швидкісних режимах роботи компонентів ПК. Північний міст працює з найшвидшими компонентами і вимагає великої пропускної здатності шини. До числа таких компонентів відноситься відеокарта і пам'ять. Введення в процесор вбудованого контролера пам'яті, або й графічної системи, які поступається дискретним відеокартам в швидкодії, але все ж часто застосовується в бюджетних ПК. Тому, з кожним роком навантаження на північний міст знижуються, що зменшує необхідність поділу чіпсета на дві частини.

2. Більш часте оновлення стандартів периферії, ніж основних частин ЕОМ.

Стандарти шин зв'язку з пам'яттю, відео картою і процесором змінюються набагато рідше, ніж стандарти зв'язку з платами розширення і периферійними пристроями. Це дозволяє, в разі зміни інтерфейсу зв'язку з периферійними пристроями або розробки нового каналу зв'язку, не змінювати весь чіпсет, а змінити тільки південний міст. При цьому північний міст, який працює з більш швидкими пристроями і влаштований складніше, ніж південний міст не потрібно змінювати. Але, незважаючи на це, спостерігається тенденція об'єднання північного і південного моста в одну інтегральну схему.