1.6. Технічне забезпечення
Технічне забезпечення систем автоматизованого проектування (САПР) забезпечує збір та передачу інформації, обробку та перетворення інформації, оформлення результатів проектування, копіювання, розмноження та зберігання документації.
Виходячи із функціонального Використання технічних засобів, їх можна розділити на три групи: засоби обробки інформації; засоби обміну інформацією та допоміжні технічні засоби.
1.6.1. Технічні засоби обробки інформації
В якості засобів обробки інформації найчастіше використовуються ЕОМ. За структурою ЕОМ (рис. 1.1) складають : арифметико – логічний пристрій (АЛП); оперативно – запам’ятовуючий пристрій (ОЗП); комплекс зовнішніх (периферійних) пристроїв (ЗП); пристрій управління (ПУ) та пульт керування (П).
АЛП виконує арифметичні та логічні операції. АЛП обмінюється з ОЗУ числами та командами, а з ПУ командами та кодами операцій. ОЗП (пам’ять) використовується для зберігання вихідних даних та проміжних результатів. ОЗУ обмінюється з ПУ адресами та командами. ПУ координує роботу всіх блоків ЕОМ. Пульт керування забезпечує введення інтерактивних команд проектувальника.
АЛП разом із ПУ організують та виконують процес обробки інформації. Прийнято об’єднувати їх одним терміном – процесор.
Серед розмаїття сучасних ЕОМ найбільше поширення мають “персональні” IBM – сумісні комп’ютери типу PC (біля 90 відсотків парку ПЕОМ). РС походить від Personal Computer. Перша масова ПЕОМ фірми IBM побачила світ у 1981 році. З тих пір ззовні ПЕОМ змінилися незначно.
Рис. 1.1. Структурна схема ЕОМ.
Основними параметрами ПЕОМ вважаються:
тип мікропроцесору (фірми Intel: 80286 (він же і286), і386, і486SX, і486DX, Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, P-6 (Celeron), Pentium II, Pentium III; інших фірм та моделей);
тактова частота мікропроцесору (від 8 Мгц у i286 до 1.7 Ггц та вище в надсучасних);
тактова частота на шині системної плати (від 8 Мгц у ПЕОМ з i286 до 133 Мгц та вище в надсучасних);
розмір операційної пам’яті (до 1 Мбт у ПЕОМ з i286, більше 1 Мбт (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, ...) у наступних);
тип та швидкодія операційної пам’яті (SIMM типу FPM (i286 … Pentium) або EDO (Pentium та вище) з часом доступу 70 та 60 Нс, DIMM з часом доступу 10, 8 Нс (Pentium MMX та вище);
наявність та розмір кеш-пам’яті (64, 128, 256, 512 та вище в ПЕОМ з i386 та вище);
та швидкодія вінчестера – накопичувача на магнітних дисках (від 40 Мбт для ПЕОМ з i286 до одиниць Гбт, десятків та вже сотень Гбт в сучасних);
тип монітору (CGA, EGA у ПЕОМ з i286, VGA для i386, SVGA для i486 та вище);
тип, ємність відео пам’яті та швидкодія відеоадаптера (ті ж типі, що і в моніторі, до 64 Кбт у CGA та EGA, 512 Кбт у VGA, вище 1 Мбт у SVGA).
Значна різноманітність периферійних пристроїв, які розширюють можливості комп’ютерів (накопичувачі на змінних магнітних носіях та лазерних дисках, мультімедійні карти, сканери, принтери, плоттери, мережені карти, модеми, блоки безперервного живлення та інші). Тому є нагальна потреба знати основи побудови комп’ютера, щоб грамотно експлуатувати техніку.
ПЕОМ звичайно комплектується в такому вигляді: системний блок, монітор, клавіатура, “миша”, зовнішні периферійні пристрої (принтери, сканери, модеми та інші).
Основа ПЕОМ – системний блок. Ззовні спереду системний блок звичайно має клавішу-вимикач силової мережі, дві кнопки: перезавантаження (Reset) та зміни режиму (Normal або Turbo – починаючи з Pentium вже відсутня), та три індикатори: наявності живлення (Power), режиму (Turbo), активного стану вінчестера (HDD). Ще є гніздо під ключ, який блокує роботу клавіатури. З тильній сторони до системного блоку підключаються шнур живлення, монітор, клавіатура, “миша”, мережений кабель або модем, мультімедійні пристрої тощо. У системному блоці розміщено у вигляді окремих складових: блок живлення з вентилятором, системну плату, мікропроцесор (є й багатопроцесорні ПЕОМ), операційну пам’ять, мікросхему BIOS, постійне джерело живлення (акумулятор), відео карту, накопичувачі, мультімедійну та мережену карту, кнопки керування, вимикачі та індикатори, динамік.
Корпус системного блоку виконується з металу, щоб захистити користувача від електромагнітного випромінювання. Є різні за розмірами, конфігурацією та дизайном корпусу ПЕОМ (типу “desktop (настільний)”, “tower (башта)” та ін.). Ще важлива вимога до нього – можливість розмістити усі складові системного блока, які планується включити до ПЕОМ. Бажано корпус ПЕОМ заземлювати.
Блок живлення (БЖ) потужністю біля 200 Вт призначено для створення напруги постійного струму значеннями 5 вольт для живлення мікросхем та мікропроцесора, а також 12 вольт для двигунів магнітних накопичувачів та вентилятора охолодження мікропроцесора (cooler). БЖ має надійний вимикач силової мережі, вентилятор охолодження. БЖ майже однотипні, взаємозамінні. Однак є БЖ із таймером та електронною системою керування (у так званому корпусі АТХ), вони дещо дорожчі.
Системна плата (Mother Board, материнська плата) несе на собі системну та локальні шини, впаяні мікросхеми (chipset), тактовий генератор, конденсатори, резистори та інші елементи схеми та з’єднань, роз’єми, перемички (джампери). В один із роз’ємів вставляється кристал центрального мікропроцесора (зустрічається варіант, коли такий роз’їм встановлюється на додаткової платі), до інших підключаються (уставляються, або за допомогою так званих шлейфів): блок живлення, операційна пам’ять, мікросхема BIOS, мікросхеми кеш-пам’яті, акумулятор на 3 вольти, клавіатура, накопичувачі, плати розширення (відео, мережева та мультімедійна карти, SCSI-контролери та ін.), виводи послідовного та паралельного портів (для підключення принтерів, “миші” та ін.), динамік, кнопки керування, індикатори. Від кількості роз’ємів для плат розширення та для операційної пам’яті залежить розмір плати. Є плати з вбудованим графічним (відео) контролером. Тактовий генератор працює на кристалі кварцу, який має дуже стабільну резонансну частоту. На виході генератор може мати частоту біля 8, 12, 20, 25, 33, 66, 100, 133 Мгц тощо. ПЕОМ із мікропроцесорами до i486 включно мали дві робочі частоти: Turbo та Normal, які встановлювалися кнопкою на системному блоці. Якщо (на сучасних платах) частота тактового генератора перевищує ту частоту, що потрібна для роботи того або іншого пристрою ПЕОМ, то вона ділиться до потрібної. Chipset – набір мікросхем, в яких реалізовано контролери: переривань, прямого доступу до операційної пам’яті, шини, пам’яті, системний та периферійний, клавіатури, а також допоміжні пристрої: таймери, годинник та біля 100 байт CMOS (постійної пам’яті) BIOS.
Сучасні системні плати – “зелені”, тобто її chipset має економічні режими енергокористування. При включенні ПЕОМ на екрані монітора з’являється зображення “Energy Star”.
Системна плата встановлюється до корпусу системного блока за допомогою пластикових стійок та тільки одного гвинта (щоб не скоробилася при термічному деформуванні).
Мікропроцесор (CPU – Central Processing Unit) – центральна частина ПЕОМ. Це так звана велика інтегральна схема, що налічує декілька сотень тисяч (перші мікропроцесори) або мільйонів транзисторів. Обов’язкові компоненти мікропроцесора – арифметико-логічний пристрій та блок керування. Важлива частина, що прискорює швидкодію мікропроцесора – внутрішня кеш-пам’ять (буферна пам’ять). Мікропроцесори характеризуються тактовою частотою мікропроцесора, розрядністю (інакше – довжиною слова), архітектурою та набором команд. Архітектура мікропроцесора – це необхідні регістри, стеки, система адресації, типи даних, що обробляються мікропроцесором (звичайно це біт, напівбайт (4 біта), байт (8 бітів), слово (16 біт, тобто 2 байта), подвійне слово (32 біта), 64 та навіть 128 біт). Мікропроцесор виконує команди, які передбачають арифметичні та логічні операції, передачу керування (умовну та безумовну) та переміщення даних проміж регістрами, пам’яттю та портами введення/виведення (портами I/O). Із зовнішніми пристроями (периферією) мікропроцесор “спілкується” через шини адресів, даних та керування, які мають виводи на корпус кристалу.
Перший розробник та провідний виробник мікропроцесорів для IBM–сумісних ПЕОМ – фірма INTEL (INTegrated ELectronics). На ринку мікропроцесорів ще є мікропроцесори фірм AMD, Cyrix, IBM, UMC, NewGen, Texas Instruments, Motorola тощо різних торговельних марок та назв.
Мікропроцесор і086 (IBM PC/XT) мав 16-розрядну адресну шину, тому він мав змогу прямо адресувати 1 Мбт пам’яті. При 24-розрядній адресній шині (і286) можна прямо адресувати 4 Мбт, а при 32-розрядній – вже 4 Гбт пам’яті. Є мікропроцесори з 64-розрядною адресною шиною. Мікропроцесори Pentium мають 64-розрядну зовнішню шину даних. Вони мають три внутрішні кеш-пам’яті (для команд, даних та для позначок переходів), суперскалярну архітектуру, яка проводить обробку кількох інструкцій за один такт синхронізації, математичний блок (сопроцесор), який виконує операції складання, множення та ділення за один такт (i286, i386 та i486SX мікропроцесори мали зовнішній математичний сопроцесор).
Сучасні мікропроцесори виконуються по технологіям 0.25, 0.18 та вже 0.13 мікрон (характерний розмір елемента в електронній схемі). Мікропроцесор має живлення струмом із напругою 5, 3.45, 3.3, 2.9 вольт тощо. Чім нижче напруга живлення та розмір елементів, тим менше розсіяна в мікропроцесорі енергія (менше його нагрів), тим більшу тактову частоту можна застосувати. Оскільки з метою синхронізації роботи усіх складових електронної схеми тактовий генератор у схемі може бути тільки єдиним (розташований на системній платі), а тактова частота на материнської платі не може бути занадто високою (вона має значні розміри), то для прискорення роботи мікропроцесор має внутрішній множник тактової частоти. Тому тактова частота мікропроцесора завжди кратна тактовій частоті тактового генератора (в 1.5, 2, 3, … рази). Наприклад, якщо остання має значення 33 Мгц (декілька більше), то внутрішня частота мікропроцесора – 33, 66, 100, 133, …, 600, 633, ..., 1000, ... Мгц. Встановлення частоти тактового генератора та коефіцієнта множення в мікропроцесорі відбувається за допомогою джамперів на системній платі згідно із документацією на плату. Додамо, що розробляються нові комп’ютери, в яких робота різних частин може бути асинхронною.
Продуктивність мікропроцесорів оцінюють у MIPSах (Million Instruction Per Second), тобто в мільйонах інструкцій за секунду, або в iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). Показник iCOMP – це відсоток відносної продуктивності (за 100 відсотків прийнято продуктивність мікропроцесора і486SX-25 із відповідним зовнішнім математичним сопроцесором). Наприклад iCOMP мікропроцесора Pentium-100 рівний 815, а Pentium-120 – 1000. Тест містить такі “зважені” компоненти: 16-розрядні цілі (67%), 16-розрядні дійсні (3%), 32-розрядні цілі (25%), 32-розрядні дійсні (5%).
Деякі важливі визначення. Регістр – це сукупність N бістабільних пристроїв (тригерів), яка призначена для тимчасового зберігання інформації розміром у кількості N біт та для швидкого доступу до неї (N може бути рівним 16, 32, …). Порт – це схема спряження (з декількох регістрів), яка дозволяє підключить периферійний пристрій до зовнішніх шин мікропроцесора. Номер порту по суті є адресом регістра I/O. Переривання – це сигнал, по якому мікропроцесор узнає про здійснення деякої асинхронної події. При цьому виконання поточної послідовності команд призупиняється (переривається), а замість неї виконується інша послідовність команд, яку обумовлено номером даного переривання. Бувають переривання апаратні (від запитів периферійних пристроїв), логічні (наприклад, ділення на нуль) та програмні (ініціюються програмою, що виконується). Є безумовно виконувані переривання (наприклад, при катастрофічному зниженні напруження живлення, при збою в пам’яті), та умовно виконувані (ті, що маскуються). У режимі DMA (Direct Memory Access – прямий доступ до пам’яті) периферійний пристрій безпосередньо зв’язується з операційною пам’яттю (без застосування регістрів). Це максимально можлива швидкодія у передачі даних, застосовується при читанні або запису значного масиву даних.
Операційна пам’ять (або ОЗП – операційний запам’ятовуючий пристрій) ПЕОМ – динамічного типу з довільною вибіркою – DRAM (Dynamic Random Access Memory). Кожний її біт – це наявність (1) або відсутність (0) електричного заряду на мікро конденсаторі. На кожне таке вічко пам’яті окрім мікро конденсатора потрібно ще 1-2 транзистора. Щоб дізнатися, чи є заряд у вічку (значення біту 1 або 0), конденсатор замикають на ланцюг, він при цьому розряджається, тобто змінює своє значення, якщо було 1. Щоб не відбувалося спотворення, значення, що було у вічку, запам’ятовується в елементі кеш-пам’яті, потім відновлюється. Більш того, час збереження заряду в мікро конденсаторі обмежений, тому час від часу (декілька разів за секунду) заряд потрібно відновлювати (так звані цикли регенерації DRAM–пам’яті). Оскільки потрібно проводити регенерацію мільйонів вічок, то для цього DRAM-пам’ять має свої засоби регенерації, але швидкодія DRAM-пам’яті все однозначно зменшується. Елементи пам’яті збираються та адресуються матричним способом: є рядки та стовпці. Обмін із кеш-пам’яттю здійснюється цілими рядками.
Операційна пам’ять виконується у вигляді плат SIMM зі 30 ніжками ємністю 256 Кбт, 1, 4, 8 Мбт (для ПЕОМ з мікропроцесорами i286 та i386), або зі 72 ніжками ємністю 4, 8, 16, 32 Мбт тощо (для ПЕОМ із мікропроцесорами i486 та Pentium), або DIMM зі 168 ніжками ємністю 16, 32, 64, 128, 256 Мбт тощо (для сучасних ПЕОМ з мікропроцесорами Pentium …). Крім того SIMM можуть мати тип FPM (i286 … Pentium) або EDO (Pentium) зі швидкодією 70 та 60 Нс (на тактовій частоті 33, 66 Мгц), а також DIMM зі швидкодією 10, 8 Нс (на тактовій частоті до 133 Мгц). Нові розробки – DDR SDRAM-пам’ять (Synchration DRAM) – ще швидше (4 Нс, на тактовій частоті до 266 Мгц).
Деякі плати пам’яті мають пристрій контролю парності (вони дорожче). Плата встановлюється в роз’їм на системній платі. Плати SIMM зі 30 ніжками (30-pin) встановлюються в кількості, кратній 4 для одержання довжини слова в 32 біта, оскільки мають побайтову організацію. Плати зі 72 ніжками (72-pin) дають 32 біта, тому для i486 самодостатні, а для Pentium та вище встановлюються в кількості, кратному 2. Плати DIMM самодостатні.
Вище вже відзначалося, що мікропроцесор і086 (IBM PC/XT) мав 16-розрядну адресну шину, тому він мав змогу прямо адресувати 1 Мбт операційної пам’яті. Перші 640 Кбт операційної пам’яті одержали назву стандартної пам’яті. Наступні 384 Кбт з першого мегабайта (у мегабайті 1024 кілобайта) було зарезервовано для системного використовування (UMB – Upper Memory Blocs): для розміщення системного ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input Output System), під відео пам’ять та ROM-пам’ять додаткових адаптерів. Перехід до 24-розрядної (i286) та 32-розрядної (i386, i486, Pentium) адресної шини дав змогу адресувати більше, ніж 1 Мбт. Але ідея збереження сумісності програмного забезпечення знизу доверху привела до того, що доступна операційна пам’ять виявилася розірваною: перші 640 Кбт стандартної пам’яті (із першого мегабайта ОЗП) та Extended-пам’ять – уся наявна пам’ять вище першого мегабайту. Для роботи з Extended-пам’яттю мікропроцесор повинен переходити до так званого захищеного режиму (це не просто для i286-го мікропроцесора). Частину вільних (незайнятих) UMB-блоків можна використовувати для роботи операційної системи (див. розділ про налаштовування операційної системи).
Кеш-пам’ять ПЕОМ – статичного типу з довільною вибіркою – SRAM (Static RAM). На кожне вічко пам’яті SRAM потрібно 4-6 транзисторів, які утворюють статичний тригер, тому вона значно дорожче, ніж DRAM. Але SRAM-пам’ять працює швидше, ніж DRAM. Її застосовують у “вузьких” місцях ПЕОМ, де потрібно погоджувати різні швидкодії елементів ПЕОМ: між мікропроцесором та операційною пам’яттю, між мікропроцесором та накопичувачами, в самому мікропроцесорові.
BIOS (Basic Input Output System – базова система вводу/виводу) включає до себе набір програм вводу/виводу, завдяки яким операційна система та прикладні програми мають змогу працювати із різноманітними частинами комп’ютера. Ініціація програм BIOS здійснюється через переривання. Постійна пам’ять BIOS (CMOS RAM) зберігає так звані стандартні та змінні (стандартні та розширенні) установки ПЕОМ. Крім того, в BIOSі є програми початкового тестування, завантажування ПЕОМ та програма Setup для змінних установок ПЕОМ. Щоб ввійти до програми Setup, потрібно при завантаженні комп’ютера нажати встановлену комбінацію клавіш (звичайно це клавіша “Del”, але ще бувають “Ctrl+Alt+S”, “Ctrl+Alt+Ins”, “Ctrl+Alt+Esc”), або після виникнення тяжкої помилки (клавіші F1 або F2). З BIOSом зв’язаний внутрішній годинник. Для забезпечення зберігання змінних установок у BIOSі та для ходу годинника на системній платі встановлено акумулятор.
Стандартні установки BIOS такі: кількість операційної пам’яті (автоматично), дата, час, тип та параметри накопичувачів, загальний тип монітору (EGA/VGA). Розповсюджених установок BIOS багато (залежать від системної плати). Основні з них такі: тестування пам’яті вище 1 Мбт, пріоритет накопичувачів при завантаженні (наприклад, A,C,CDROM – починати завантаження з дискети; або C,A,CDROM – з жорсткого диска, CDROM,C,A – з лазерного диска), встановлення тактової частоти при включенні ПЕОМ (до Pentium), допустима швидкість вводу символів з клавіатури, дозвіл на парольний захист, встановлення кількості тактів очікування мікропроцесора при звертанні до периферійних пристроїв, автоматичне визначення логічних параметрів встановлених вінчестерів, Використання режиму shadow (переміщення змісту ROM BIOS у більш швидку операційну пам’ять – між 640 Кбт та 1 Мбт), захист від вірусів першого фізичного сектора на вінчестері, адреса та режими роботи паралельного порту (для принтера), та інші. Є установки BIOS “за згодою” – default, які задано в постійній пам’яті BIOS. Якщо системна плата – “зелена”, то вона має функції енергозбереження: Doze (дрімотний), Standby (очікування) та Suspend (при зупинка роботи – най економніший режим).
Системна шина призначена для передачі інформації між мікропроцесором та іншими електронними компонентами ПЕОМ. По ній же здійснюється адресація пристроїв та обмін службовими сигналами. У комп’ютерах із мікропроцесором і286 застосовувалася система шина ISA (Industry Standard Architecture): 16 ліній даних, 24 адресних, 15 переривань, 7 каналів DMA, 98 контактів на однобічному роз’ємі, з теоретичною швидкодією в 16 Мбт/с при тактовій частоті 8 Мгц, та з можливістю прямо адресувати до 16 Мбт пам’яті. У комп’ютерах із мікропроцесором і386 та вище застосовується система шина EISA (Extended ISA): 32 лінії даних, 32 адресних, 15 переривань, 7 каналів DMA, 196 контактів на двобічному роз’ємі (один бік – ISA, другий – її розширення), з теоретичною швидкодією до 33 Мбт/с, та з можливістю прямо адресувати до 4 Гбт пам’яті. У роз’єми (слоти) системної шини EISA можна вставляти плати контролерів вінчестерів, відео та мережеву карти, які було розроблено і для шини ISA, а також плати типу bus-master (“інтелектуальні”, які мають свій мікропроцесор, наприклад, SCSI-контролери).
Локальні шини VL-bus та PCI з’явилися разом із мікропроцесором і486. Їхнє Використання – розділити системну шину з контролерами периферійних пристроїв, щоб можна було підвищити швидкодію роботи мікропроцесора з операційною пам’яттю. Шина PCI (32-розрядна шина) має теоретичну швидкодію обміну до 132 Мбт/с при тактовій частоті 33 Мгц. Слот VL-bus із 112 контактами розташовується як подовження слоту EISA. Слот PCI – самостійний (124 (32-розрядна шина) або 188 (64-розрядна) контактів). Локальна шина PCI має значні переваги над VL-bus (універсальність), тому практично витіснила останню. Порівняно нова локальна шина AGP (Advanced Graphics Port) має теоретичну швидкодію обміну до 533 Мбт/с при тактовій частоті 66 Мгц, призначена для роботи з графічним пристроєм, тому має свою специфіку.
Порти вводу/виводу послідовного (COM) та паралельного (LPT) типів застосовуються для підключення таких пристроїв, як “миша”, модем (COM), принтер, модем та сканер тощо (LPT). LPT-порт має більшу швидкодію. Роз’єми цих портів виведено на задній поверхні системного блоку. COM-порт потрібно налаштовувати (є 4 параметра: швидкодія біт/с, кількість бітів даних та стопових бітів, наявність перевірки парності).
Системні плати випускаються багатьма фірмами, дуже швидко модифікуються. Вони мають різні розміри, можливості, бувають універсальні або в значній степені спеціалізовані.