Лабораторная работа № 2 Изучение компонентов системного блока
Цель: знать основные устройства персонального компьютера, их назначение и основные характеристики; научиться определять компоненты системного блока по внешнему виду, уяснить порядок и способы их соединения.
Системный блок персонального компьютера содержит корпус и находящиеся в нем источник питания, материнскую (системную, или основную) плату с процессором и оперативной памятью, платы расширения (видеокарту, звуковую карту), различные накопители (жесткий диск, дисководы, приводы CD-ROM), дополнительные устройства ( см. рис. 1).
Рис №1 Системный блок ПК
Системный блок обычно имеет несколько параллельных и последовательных портов, которые используются для подключения устройств ввода и вывода, таких как клавиатура, мышь, монитор, принтер (см. рис.2).
Рис. 2 . Параллельные и последовательные порты ПК.
В некоторых моделях домашних ПК системный блок с монитором собраны в едином корпусе (Apple iMac, Acer Aspire, Compaq Presario).
Оперативная память выполнена обычно на микросхемах динамического типа с произвольной выборкой (Dynamic Random Access Memory, DRAM). Каждый бит такой памяти представляется в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе, образованном в структуре полупроводникового кристалла. Другой, более дорогой тип памяти - статический (Static RAM, SRAM) в качестве элементарной ячейки использует так называемый статический триггер (схема которого состоит из нескольких транзисторов). Статический тип памяти обладает более высоким быстродействием и используется, например, для организации кэш-памяти.
Статическая память (SRAM) в современных ПК обычно применяется в качестве кэш-памяти второго уровня для кэширования основного объема ОЗУ.
Статическая память выполняется обычно на основе ТТЛ-, КМОП- или БиКМОП-микросхем и по способу доступа к данным может быть как асинхронной, так и синхронной. Асинхронным называется доступ к данным, который можно осуществлять в произвольный момент времени. Асинхронная SRAM применялась на материнских платах для третьего - пятого поколения процессоров. Время доступа к ячейкам такой памяти составляло от 15 нс (33 МГц) до 8 нс (66 МГц).
Для описания характеристик быстродействия оперативной памяти применяются так называемые циклы чтения/записи. Дело в том, что при обращении к памяти на считывание или запись первого машинного слова расходуется больше тактов, чем на обращение к трем последующим словам. Так, для асинхронной SRAM чтение одного слова выполняется за 3 такта, запись - за 4 такта, чтение нескольких слов определяется последовательностью 3-2-2-2 такта, а запись - 4-3-3-3.
Синхронная память обеспечивает доступ к данным не в произвольные моменты времени, а синхронно с тактовыми импульсами. В промежутках между ними память может готовить для доступа следующую порцию данных. В большинстве материнских плат пятого поколения используется разновидность синхронной памяти - синхронно-конвейерная SRAM (Pipelined Burst SRAM), для которой типичное время одиночной операции чтения/записи составляет 3 такта, а групповая операция занимает 3-1-1-1 такта при первом обращении и 1-1-1-1 при последующих обращениях, что обеспечивает ускорение доступа более, чем на 25%.
Динамическая память (DRAM) в современных ПК используется обычно в качестве оперативной памяти общего назначения, а также как память для видеоадаптера.
Из применяемых в современных и перспективных ПК типов динамической памяти наиболее известны DRAM и FPM DRAM, EDO DRAM и BEDO DRAM, EDRAM и CDRAM, Synchronous DRAM, DDR SDRAM и SLDRAM, видеопамять MDRAM, VRAM, WRAM и SGRAM, RDRAM и некоторые другие.
Важнейший компонент любого персонального компьютера, его "мозг" - это микропроцессор (CPU, Central Processor Unit - ЦПУ, или центральное процессорное устройство), который управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки информации. Микропроцессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему, степень интеграции которой определяется размером кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов. Иногда интегральные микросхемы называют чипами (англ. chip). Базовыми элементами микропроцессора являются транзисторные переключатели, на основе которых строятся, например, регистры, представляющие собой совокупность устройств, имеющих два устойчивых состояния и предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. Количество и разрядность регистров во многом определяют архитектуру микропроцессора.
Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, оперативной памятью и портами ввода/вывода). С внешними устройствами микропроцессор может общаться благодаря своим шинам адреса, данных и управления, выведенным на специальные контакты корпуса микросхемы. Разрядность внутренних регистров микропроцессора может не совпадать с количеством внешних выводов для линий данных, например, микропроцессор с 32-разрядными регистрами может иметь только 16 внешних линий данных. Объем физически адресуемой микропроцессором памяти однозначно определяется разрядностью внешней шины адреса как 2N, где N - количество адресных линий.
Для хранения программ и данных в персональных компьютерах используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни раз превосходит емкость оперативной памяти. По отношению к компьютеру накопители могут быть внешними и встраиваемыми (внутренними). Внешние накопители имеют собственный корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Встраиваемые накопители крепятся в специальных монтажных отсеках (drive bays), что позволяет создавать компактные системы, которые совмещают в системном блоке все необходимые устройства. Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и соответствующего привода. Различают накопители со сменными и несменными носителями. Существуют накопители на магнитной ленте и дисковые накопители с различным типом носителей.
Используемые в настоящее время накопители имеют различные интерфейсы, среди которых преобладают EIDE (ATAPI) и SCSI, хотя встречаются решения на основе USB, PCMCIA, LPT, FireWire, Fibre Channel, SSA и других интерфейсов.
В приводе флоппи-диска (гибкого диска, или просто дискеты) имеются два двигателя: один обеспечивает стабильную скорость вращения вставленной в накопитель дискеты, а второй перемещает головки записи-чтения. Скорость вращения первого двигателя зависит от типа дискеты и составляет от 300 до 360 об/мин. Двигатель для перемещения головок в этих приводах всегда шаговый. С его помощью головки перемещаются по радиусу от края диска к его центру дискретными интервалами. В отличие от привода винчестера головки в данном устройстве не "парят" над поверхностью флоппи-диска, а касаются ее. Работой всех узлов привода управляет соответствующий контроллер.
Стандартным интерфейсом для всех приводов в IBM-совместимых компьютерах является SA-400 (Shugart Associates), контроллер которого соединен с накопителями посредством 34-контактного кабеля. На приводе дисков с форм-фактором 5,25 дюйма используется "ножевой" (печатный) разъем, а на приводе дисков 3,5 дюйма - обычный штырьковый разъем-вилка. Для подключения разных типов дисководов предназначены обычно комбинированные кабели с четырьмя разъемами, включенными попарно. На обычном интерфейсном кабеле для крайнего разъема проводники на контактах с 10-го по 16-й перекручены. При использовании "прямого" кабеля надо обязательно изменить установку перемычек на приводе, определяющих его номер (DS1-DS4). Некоторые BIOS компьютеров позволяют программно изменять назначение физического адреса: "первый" (A:) и "второй" (B:) привод. В отличие от винчестеров, для флоппи-дисководов порядок накопителя (A: или B:) определяется именно положением устройства на кабеле.
Для каждого из типоразмеров дискет (5,25 или 3,5 дюйма) существуют свои специальные приводы соответствующего форм-фактора.
В 1973 году фирмой IBM по новой технологии был разработан жесткий диск, который мог хранить до 16 Кбайт информации. Поскольку этот диск имел 30 цилиндров (дорожек), каждая из которых была разбита на 30 секторов, то ему присвоили название - 30/30. По аналогии с автоматическими винтовками, имеющими калибр 30/30, такие жесткие диски стали называться "винчестерами". Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками первоначально были заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке этого модуля на сам дисковод он автоматически соединялся с системой, подающей очищенный воздух. В современных винчестерах пакет дисков уже постоянно крепится на дисководе, система не герметична, а принудительная вентиляция отсутствует. Толщина воздушной подушки, создаваемой аэродинамикой вращающегося диска и формой головки, гораздо тоньше человеческого волоса.
Винчестер смонтирован на оси-шпинделе, приводимой в движение специальным двигателем. Он содержит от одного до десяти дисков (platters). Скорость вращения двигателя для обычных моделей может составлять 3600, 4500, 5400, 7200, 10000 или даже 12000 об/мин. Сами диски представляют собой обработанные с высокой точностью керамические или алюминиевые пластины, на которые с помощью технологии напыления нанесен специальный магнитный слой.
Наиболее важной частью любого накопителя являются головки чтения-записи (read-write head). Как правило, они находятся на специальном позиционере (head actuator). Для перемещения позиционера используются преимущественно линейные двигатели (типа voice coil - "звуковая катушка"). В винчестерах применяются несколько типов головок: монолитные, композитные, тонкопленочные, магниторезистивные (MR, Magneto-Resistive), а также головки с усиленным магниторезистивным эффектом (GMR, Giant Magneto-Resistive) (их название часто ошибочно переводят как "гигантские магниторезистивные", хотя сами головки как раз стали меньше).
Магниторезистивная головка, разработанная IBM в начале 90-х годов, представляет собой комбинацию из двух головок: тонкопленочной для записи и магниторезистивной для чтения. Подобные головки позволяют почти на 50% увеличить плотность записи на носителе. Еще больше позволяют повысить плотность записи GMR-головки, технологией производства которых владеет пока только IBM.
Внутри любого винчестера обязательно находится печатная плата с электронными компонентами, которые необходимы для нормального функционирования устройства привода. Эта электроника расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя, генерирует сигналы для головок записи и усиливает их от головок чтения и т. п.
Тиражируемый компакт-диск состоит из поликарбонатной основы, отражающего и защитных слоев. В качестве отражающей поверхности обычно используется напыленный алюминий. Цифровая информация представляется здесь чередованием впадин (неотражающих пятен) и отражающих свет островков. Диаметр такого диска обычно составляет 5,25 дюйма. Компакт-диск имеет всего одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от наружного диаметра диска к внутреннему. Считывание информации с компакт-диска происходит при помощи лазерного луча, который, попадая на отражающий свет островок, отклоняется на фотодетектор, интерпретирующий это как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается: фотодетектор фиксирует двоичный ноль.
Основным стандартом, определяющим логический и файловый формат записи компакт-дисков, является международная спецификация ISO 9660. В операционных системах Microsoft Windows 95/98 и NT/2000 поддерживается также формат Joliet, который допускает использование длинных имен файлов. Существует также файловая система UDF (Universal Disk Format), позволяющая работать с записываемыми компакт-дисками как с обычными дисковыми накопителями. Имеется ряд расширений ISO 9660, например CD-ROM XA (eXtended Architecture). Время доступа к данным для различных моделей колеблется от 150 до 400 мс. Емкость компакт дисков составляет около 650 Мбайт.
Скорость передачи данных для привода определяется скоростью вращения диска и плотностью записанных на нем данных. Обычно она указывается в сравнении со стандартом Audio CD (CD-DA) (см. Форматы записи компакт дисков), для которого скорость считывания данных составляет порядка 150 Кбайт/с. Старые приводы использовали постоянную линейную скорость чтения (CLV, Constant Linear Velocity), что требовало изменения скорости вращения диска при перемещении головки и увеличивало время доступа из-за инерционности диска. Частота вращения для односкоростных устройств (т. е. 150 Кбайт/с) лежала в диапазоне 200-500 об/мин, а для 12-скоростных составляла уже 2400-6400 об/мин, что стало создавать серьезные проблемы с балансировкой, так как диски бывают плохо центрированы. В результате производители перешли к технологиям CAV и P-CAV. CAV (Constant Angular Velocity) означает постоянную угловую скорость диска (как в винчестерах), а P-CAV (Partial CAV) использует постоянную угловую скорость только на внешних дорожках диска. При этом обозначение числа скоростей стало означать максимальную скорость считывания на внешних дорожках диска. Запись информации на CD начинается с внутренних дорожек, поэтому на не заполненных до конца дисках максимальная скорость не достигается. Так, у 34-скоростного привода скорость считывания может меняться от 2,8 Мбайт/с на внутренних до 5,3 Мбайт/с на внешних дорожках. Погоня за излишне высокой скоростью привода CD-ROM часто оборачивается плохой читаемостью дисков невысокого качества из-за проблем с их балансировкой.
Основными интерфейсами приводов CD-ROM стали Enhanced IDE, UltraDMA/33 и SCSI, хотя для 1- и 2-скоростных дисководов применялись основанные на IDE интерфейсы Sony, Panasonic или Mitsumi, которые можно еще встретить на старых звуковых платах. Для загрузки компакт-диска в привод используется либо одна из разновидностей выдвижной панели (tray-механизм), либо специальная прозрачная кассета "кэдди" (caddy).
Современные материнские платы поддерживают загрузку компьютера с CD-ROM, что бывает удобно при установке новой операционной системы или при проверке компьютера на наличие вирусов.
Видеоадаптер (синоним - видеокарта) предназначен для хранения видеоинформации и ее отображения на экране монитора. Он непосредственно управляет монитором, а также процессом вывода информации на экран с помощью изменения сигналов строчной и кадровой развертки ЭЛТ монитора, яркости элементов изображения и параметров смешения цветов. Основными узлами современного видеоадаптера являются собственно видеоконтроллер (как правило, заказная БИС - ASIC), видео BIOS, видеопамять, специальный цифроаналоговый преобразователь RAMDAC (Random Access Memory Digital to Analog Converter), кварцевый генератор (один или несколько) и микросхемы интерфейса с системной шиной (ISA, VLB, PCI, AGP или другой). Важным элементом видеоподсистемы является собственная память. Для этой цели используется память видеоадаптера, которая часто также называется видеопамятью, или фрейм-буфером, или же часть оперативной памяти ПК (в архитектуре с разделяемой памятью UMA).
Все современные видеоподсистемы могут работать в одном из двух основных видеорежимов: текстовом или графическом. В текстовом режиме экран монитора разбивается на отдельные символьные позиции, в каждой из которых одновременно может выводиться только один символ. Для преобразования кодов символов, хранимых в видеопамяти адаптера, в точечные изображения на экране служит так называемый знакогенератор, который обычно представляет собой ПЗУ, где хранятся изображения символов, "разложенные" по строкам. При получении кода символа знакогенератор формирует на своем выходе соответствующий двоичный код, который затем преобразуется в видеосигнал. Текстовый режим в современных операционных системах используется только на этапе начальной загрузки.
В графическом режиме для каждой точки изображения, называемой пикселем, отводится от одного (монохромный режим) до 32-бит (цветной). Графический режим часто называют режимом с адресацией всех точек (All Points Addresable), поскольку только в этом случае имеется доступ к каждой точке изображения. Максимальное разрешение и количество воспроизводимых цветов конкретной видеоподсистемы в первую очередь зависят от общего объема видеопамяти и количества бит, приходящихся на один элемент изображения. Существует несколько стандартов видеокарт.
Звуковые карты используются для записи и воспроизведения различных звуковых сигналов: речи, музыки, шумовых эффектов. Любая современная звуковая карта может использовать несколько способов воспроизведения звука. Одним из простейших является преобразование ранее оцифрованного сигнала снова в аналоговый. Глубина оцифровки сигнала (например, 8 или 16 бит) определяет качество записи и, соответственно, воспроизведения. Так, 8-разрядное преобразование обеспечивает качество звучания кассетного магнитофона, а 16-разрядное - качество компакт-диска. Аппаратные средства, необходимые для прямой записи и воспроизведения сигнала, часто называют цифровым аудиоканалом (digital audio channel).
Другой способ воспроизведения звука заключается в его синтезе. При поступлении на синтезатор некоторой управляющей информации (упрощенно говоря - нотной последовательности) по ней формируется соответствующий выходной сигнал. В настоящее время применяются две основные формы для синтеза звукового сигнала: синтез на основе использования частотной модуляции (FM-синтез), а также синтез с применением таблицы волн (сэмплов) - так называемый табличный, или WT-синтез (WaveTable) (см. Основные параметры и функции звуковых карт). Поскольку эти виды синтеза также являются цифровыми, для них необходимо преобразование сигнала при помощи цифроаналогового преобразователя (ЦАП или DAC - Digital to Analog Converter).
Управляющие команды для синтеза звука могут поступать на звуковую карту, например, от MIDI-устройства (Musical Instruments Digital Interface). MIDI определяет протокол передачи команд по стандартному интерфейсу.
Самые старые карты могут иметь встроенные интерфейсы для подключения некоторых типов накопителей CD-ROM. Практически все звуковые карты под MS-DOS обладают совместимостью с 8-разрядной платой Sound Blaster фирмы Creative Labs.
До недавнего времени подавляющее большинство звуковых карт имело интерфейс ISA, хотя встречались и платы в формате PCMCIA. Сейчас наблюдается отчетливая тенденция перехода на шину PCI, которая берет свое начало еще в спецификации PC97.
Сетевой адаптер (NIC) - устройство для подключения компьютера к сетевому кабелю. Он, как и любая плата расширения, рассчитан на определенный тип системной (или локальной) шины компьютера. Таким образом, NIC может использовать 8- или 16-разрядный разъем интерфейса ISA, 32-разрядные разъемы EISA, VESA или PCI. На крепежной панели сетевого адаптера может находиться до трех типов разъемов: RJ-45, BNC и AUХ. Однако даже универсальная плата (со всеми тремя разъемами) одновременно может подключаться только к одной кабельной системе. На плате NIC имеется гнездо, предназначенное для микросхемы ПЗУ, содержимое которой используется при загрузке операционной системы из сети для бездисковых рабочих станций, то есть компьютеров, которые не имеют встроенных жестких дисков (см. Сетевые компьютеры).
Для разделения системных ресурсов компьютера (портов ввода-вывода, прерываний, каналов прямого доступа к памяти) платы сетевых адаптеров могут иметь набор специальных перемычек (jumpers). Современные NIC позволяют модифицировать системные ресурсы программным способом (без перемычек), и даже автоматически, если компьютер отвечает требованиям Plug and Play, то есть "включай и работай". Для портативных компьютеров используются сетевые карты, выполненные в стандарте PCMCIA (PC Cards) или как внешние устройства (pocket-адаптеры), которые подключаются к стандартному параллельному порту.
Существуют также сетевые адаптеры для периферийных устройств. Например, плата JetDirect для лазерных принтеров Hewlett-Packard, однако ее использование предусмотрено в мощных последних моделях
Источник (или блок) питания обычно смонтирован и поставляется вместе с корпусом системного блока, для которого он предназначен. Мощность источника питания компьютера должна полностью и даже с некоторым запасом обеспечивать энергопотребление всех подключенных к нему устройств. Чем больше устройств может быть установлено в системный блок, тем большую мощность должен иметь блок питания. В среднем мощность блоков питания варьирует от 90 до 150 ватт для низкопрофильных и настольных ПК и до 200-330 ватт для mini-tower и big-tower. Некоторые из блоков работают в режиме малого потребления (70-75 ватт), удовлетворяющего требованиям программы Energy Star. В современных блоках используются малошумящие вентиляторы.
На корпусе типового блока питания IBM PC-совместимого компьютера, как правило, расположены один или два охлаждающих вентилятора, сетевой выключатель (или соединитель для него), переключатель напряжения сети (на 220 и 110 В), общий сетевой разъем, сетевой разъем для подключения монитора, кабели питания с разъемами для системной платы и накопителей. На некоторых блоках питания имеется также внешний патрон для плавкого предохранителя. Для подключения к системной плате обычно используются два шестиконтактных разъема (реже один общий). Для питания накопителей предназначены четырехконтактные разъемы. Данные разъемы отличаются по размеру: large style и small style. Если разъемов не хватает, можно использовать специальные Y-разветвители.
По вырабатываемым номиналам напряжения и конструктивным особенностям блоки питания делятся на блоки для AT-корпусов и блоки для ATX-корпусов. AT-блоки вырабатывают +5В, -5В, +12 и -12В постоянного тока, имеют механический выключатель и подключаются к материнской плате при помощи двух одинаковых шестиконтактных разъемов (при самостоятельном подключении их можно легко перепутать с самыми плачевными для материнской платы последствиями).
ATX-блоки, помимо перечисленных выше номиналов, вырабатывают также напряжение 3,3В и подключаются к материнской плате через 20-контактный разъем, исключающий возможность неправильной установки. Кроме того, ATX-блоки, как правило, не имеют механического выключателя. Будучи подключенными к электрической сети, они находятся в состоянии пониженного потребления (standby), из которого могут быть включены по нажатию электронного выключателя на корпусе, либо по программной команде в ответ на какое-либо внешнее событие. Например, это может быть команда по сети (эта функция называется wake on LAN) или телефонный звонок, принятый и обработанный модемом. Выключение в состояние standby также может быть выполнено программно.
С помощью кабелей практически все устройства в компьютере подсоединяются к системному блоку, а сам системный блок - к розетке электропитания. Любой кабель включает в себя соединители (разъемы), находящиеся на концах кабеля, и изолированные друг от друга проводники, тем или иным образом соединяющие эти разъемы. Провода могут быть заключены в металлическую оболочку (экран), а кабель может быть покрыт пластиковой защитной оболочкой. Все кабели можно разделить на две большие группы: сигнальные кабели, предназначенные в основном для передачи информационных сигналов, и кабели питания (power cord), обеспечивающие только электропитание соответствующего устройства.
Соединители (разъемы) бывают двух видов: розетки (female) и вилки (male). Контактные выводы вилок выполнены обычно в виде штырьков, которые при соединении с однотипным разъемом (но уже розеткой) входят в соответствующие пазы ответных контактов. Контакты и в розетке, и в вилке могут быть также выполнены в виде плоских пружинных пластин.
Большинство используемых разъемов сконструированы так, чтобы исключить возможность неправильного подключения. В тех случаях, когда возможны несколько вариантов подключения, контакты на разъемах обычно пронумерованы и подписаны. В плоских шлейфах провод, ведущий к обозначенному первым номером контакту, обычно выделен другим цветом (характерно для шлейфов IDE, FDD, SCSI).