2. Общее устройство пк

Конструктивно ПК чаще всего выполнены в виде центрального (системного) блока, к которому через разъемы (стыки) подключаются внешние устройства: клавиатура, дисплей, принтер и т. д. (рис. 1.9).

Упрощенная блок-схема, отражающая основные функциональ­ные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, изобра­жена на рис. 1.10.

Системный блок

Системный блок обычно состоит из: системной платы, блока питания, накопителей на дисках, разъемов для дополнительных устройств; плат расширения с контроллерами  адаптерами внешних устройств.

В зависимости от конфигурации и размеров корпуса определя­ются такие характеристики ПК, как возможность дальнейшего рас­ширения, транспортировка, доступ к компонентам и т. д. Типы кор­пусов: Slimline, Desktop, Tower (Mini-Tower, Midi-Tower, Super-Big-Tower), File Server, EasyPc и пр. (рис. 1.11).

Системная плата. Системную плату также называют главной (Mainboard) или материнской (Motherboard) платой (иногда  объединительной платой). Это  основная монтажная схема внутри ПК, на которой находятся процессор, память, слоты расширения и которая непосредственно или косвенно присоединяется к каждой части ПК. Проекты ПК сегодня используют много различных шин, чтобы связать их компоненты. Широкие, высокоскоростные шины трудны и дороги для производства: сигналы идут с такой частотой, что даже расстояние в несколько сантиметров создает проблемы задержки сигнала, в то время как металлические дорож­ки на монтажной схеме действуют как миниатюрные радиоантен­ны, передавая электромагнитный шум, который искажает сигналы в других местах системы. По этим причинам разработчики ПК ста­раются разместить самые быстрые шины в ограниченной области системной платы и использовать более медленные шины для дру­гих частей.

Развитие системных плат. Первоначальные ПК имели минимум устройств, интегрированных в системную плату (напри­мер, порт для клавиатуры). Все остальные, включая адаптер дис­плея, НГМД или контроллеры жесткого диска, являлись дополни­тельными компонентами, подключаемыми через разъемы расши­рения.

Через какое-то время в системную плату было интегрировано большее количество устройств, однако многие из них  графика, сетевой интерфейс, устройства SCSI и звуковые  обычно остаются съемными. Этот процесс шел медленно, например, порты ввода-вы­вода и контроллеры диска еще в 1995 г. часто размещались на пла­тах расширения. Изготовители постоянно экспериментировали с различными уровнями интеграции, встраивая некоторые или даже все эти компоненты в системную плату. Однако есть очевидные препятствия  труднее модернизировать сборку, если интегриро­ванные компоненты не могут быть удалены. Для высокоинтегрированных системных плат часто требуется нестандартный корпус, и для замены отдельного дефектного компонента может оказаться не­обходимой покупка новой системной платы.

Следовательно, те части системы, спецификация которых изменя­ется наиболее быстро,  оперативная память, центральный процессор и графика  имеют тенденцию размещаться в гнездах или слотах для облегчения замены. Точно так же обычно удаляются из основной спе­цификации, чтобы уменьшить затраты, компоненты, используемые не всеми пользователями,  типа сетевых интерфейсов или SCSI.

Основные изменения в форм-факторах системной платы за эти годы рассматриваются ниже. Рисунки иллюстрируют различие ком­понентов для двух типичных плат:

• Baby AT, где используется разъем Socket 7 для подключения процессора, приблизительно 1995 г. (рис. 1.12, 1.14, а);

• проект АТХ с разъемом Slot 1 для присоединения процессора Pentium II, типичный для системных плат на рынке в конце 1998 г. (рис. 1.13, 1.14, б).

Развитие системной платы заключается в значительной степени в отделении высокоскоростных компонентов от более медленных. Поскольку высокоскоростные устройства связывались более быст­рыми шинами, шины малого быстродействия стали играть второ­степенную роль. В конце 1990-х гг. обозначилась тенденция к поме­щению периферийных устройств, разработанных как интегрирован­ные чипы, непосредственно на системную плату. Первоначально этот круг ограничивался звуковыми и видеочипами, но со временем устройства, интегрированные таким образом, стали более разнооб­разными и включали элементы типа SCSI, локальной сети и даже контроллеры RAID. Очевидно, есть выигрыш по стоимости при этом подходе, однако отрицательная сторона этого  ограничение будущих возможностей обновления.

Базовая Система Ввода-Вывода (BIOS). Все системные платы содержат небольшой блок постоянного запоминающего устройства (ROM), который отделен от основной системной памя­ти, используемой для загрузки и выполнения программного обеспе­чения (рис. 1.15). ROM содержит BIOS ПК (Базовая Система Вво­да-Вывода). Это дает два преимущества: программы и данные в ROM BIOS не должны перезагружаться каждый раз при запуске компьютера, и они не могут быть разрушены ошибками в приложе­ниях, которые пытаются записать информацию в «неправильную» часть памяти.

BIOS играет двоякую роль: с одной стороны, это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой стороны  важный модуль любой операционной системы. Модуль BIOS реализован на микросхеме постоянной или флэш-памяти.

Перепрограммируемая базовая система ввода-вывода может быть модифицирована через гибкую дискету, чтобы гарантировать буду­щую совместимость с новыми чипами, добавочными платами и т. д.

В современных системах требуются более объемные ППЗУ. Настройка (конфигурирование) системной платы состоит из подстрой­ки ПК под используемый графический режим, установки рабочей тактовой частоты, указания объема имеющейся в наличии кэш-па­мяти, типа встроенного сопроцессора и т. д. Существует семь воз­можных вариантов настройки, типичными из которых являются:

• Standard-CMOS-Setup (основные установки CMOS);

• Advanced-CMOS-Setup (дополнительные установки CMOS);

• Advanced-Chipset-Setup (дополнительные установки системной платы).

Базовая система ввода-вывода включает несколько отдельных подпрограмм, обслуживая различные функции. Первая часть выполняется при включении машины. Компьютер инспектируется, чтобы определить, какие аппаратные средства присоединены, и за­тем проводятся некоторые простые тесты, чтобы зафиксировать, что все функционирует,  процесс, называемый POST  самопроверка после включения.

Если какие-то из периферийных устройств относятся к типу «Plug-and-play», то именно в этот момент базовая система ввода-вы­вода назначает им ресурсы. Есть также возможность вызвать про­грамму Setup, что позволяет пользователю сообщать ПК, какие ап­паратные средства присоединены, но благодаря автоматическим ба­зовым системам самоконфигурирования ввода-вывода это не так часто теперь используется.

Когда все тесты пройдены, ROM пытается определять, с какого устройства будет загружаться ОС машины. Обычно BIOS сначала проверяет присутствие операционной системы в накопителе на гиб­ких магнитных дисках (А:), затем  на первичном жестком диске.

Оперативная память CMOS. Системные платы также включают отдельный блок оперативной памяти, основанный на схе­ме малой мощности CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor RAM), который сохраняется действующим с помо­щью батарей даже после отключения питания ПК и располагается в контроллере периферии. Он используется, чтобы сохранять основ­ную информацию о конфигурации ПК: номера и тип жестких дис­ков и НГМД, объем памяти, какой вид и т. д. Это можно вводить вручную, но современные BIOS автоконфигурирования делают многое из этой работы, и в CMOS сохраняются более важные пара­метры настройки типа выбора периода регенерации динамической оперативной памяти. Другие важные данные, сохраняемые в памяти CMOS,  время и дата, которые модифицируются часами реально­го времени (RTC  real time clock). Часы, оперативная память CMOS и батарея обычно интегрируются в единственный чип. При загрузке система считывает время с RTC, после этого процессор со­храняет время  вот почему системные часы иногда идут неверно. Перезагрузка ПК заставляет перечитать RTC, что корректирует сис­темное время ЦП.

В CMOS RAM информация хранится до тех пор, пока он под­ключен к небольшому источнику питания. Однако CMOS RAM за­нимает много места на кристалле, дороже динамической памяти и поэтому используется в случаях крайней необходимости. Данный тип памяти считается энергонезависимым только потому, что по­стоянно подпитывается или от аккумулятора, или от батарейки.

EFI. Базовая Система Ввода-Вывода не очень изменилась за время, прошедшее от рождения ПК в 1981 г., оставаясь массивом ассемблерного кода «ручной работы», и большинство пользователей о ней знают только из сообщений, быстро пробегающих по экрану после включения ПК.

В начале 2000 г. компания Intel объявила, что собирается заме­нить BIOS выпуском первой версии EFI (extensible firmware interface или расширяемого интерфейса встроенного программного обеспечения). Это новый стандарт для архитектуры, интерфейса и услуг марки встроенного программного обеспечения ПК, предна­значенного для обеспечения хорошо специфицированного набора сервисов.

Сервисы EFI разделены на две группы: те, которые являются доступными только до загрузки ОС, или «загрузочные сервисы», и те, которые также доступны в дальнейшем, или «сервисы рабочего времени». Загрузочные сервисы обеспечивают функциональные воз­можности предлагаемых EFI для конфигурирования платформы, инициализации, диагностики, загрузки образа ядра ОС и др.

Сервисы EFI определены в Спецификации EFI как основные услуги и протоколы интерфейсов. Ряд протоколов интерфейсов был определен для доступа к разнообразию загрузочных устройств, кото­рые удовлетворяют рекомендациям EFI. Другие обеспечивают сер­висы для функций прикладного уровня, например распределение памяти или получение доступа к указанному интерфейсу.

Модули EF1 в общем разделяются на приложения и драйверы. Драйверы соответствуют модели, определенной в EFI-спецификации, и используются, чтобы реализовать специфический протокол интерфейса. Во многих случаях выполнение одного протокола мо­жет использовать или расширять функциональные возможности су­ществующего протокола, таким образом, обеспечивая механизм для объектно-ориентированной обработки.

В сущности, EFI  «мини-ОС» с собственными правами, спо­собная работать с сетями, графикой, клавиатурой и памятью.

Некоторые образцы системных плат. Размеры сис­темной платы нормированы. Также стандартизованы и отверстия внутри платы, которые соединяют ее с дном корпуса. Поэтому гово­рят не о размерах, а о типоразмерах системных плат.

Существует несколько основных типоразмеров системных плат, которые представлены в табл. 1.1.

FullSize. Полноразмерная плата (FullSize) по своим габаритам соответствует системной плате IBM PC AT. Расположение разъемов клавиатуры и слотов расширения такой платы строго определены, чтобы совпадать с отверстиями в корпусе. Плата помещается только в полноразмерный корпус типа Desktop и Tower.

Таблица 1.1  Характерные размеры системных плат

Обозначение	Размер, мм	Примечания
FullSize	356 × 305	Устаревший
Baby-AT	330 × 225	Стандартный
HalfSize (2/3 Baby-AT)	244 × 218	Мини-плата для PC с ЦП 386 и 486; пригодна для корпуса Slimline
LPX	330 × 229	Для корпусов с уменьшенной высотой и Slimline
Mini LPX	264 × 201	Для корпусов с уменьшенной высотой и Slimline
ATX	305 × 244	Для корпусов АТХ
Mini ATX	284 × 208	Для корпусов АТХ с уменьшенной высотой
Micro ATX	244 × 244	Для компактных и дешевых систем потребителя с ограничен­ными потребностями в расширении системы
Flex ATX	229 × 191	Размер системной платы уменьшен до 9 × 7,5"
ITХ	215 × 191	Более компактная форма за счет специально спроектирован­ного блока питания со встроенным вентилятором
BTX	325 × 266 (standard BTX) 264 × 266 (microBTX) 203 × 266 (picoBTX)	Спецификация спроектирована для замены широкого переч­ня карт (АТХ, microATX и FlехАТХ)

Baby AT. Стандарт системных плат типоразмера Baby AT (BAT) появился в 1982 г. На этих платах расположение разъемов клавиату­ры и слотов также должно соответствовать отверстиям в корпусе. Для подключения клавиатуры используется стандартный 5-контакт­ный DIN-разъем. Системные платы размера Baby AT могут быть ус­тановлены практически в любой корпус, за исключением корпусов с уменьшенной высотой и Slimline. Именно поэтому они получили наибольшее распространение (рис. 1.16, а).

LPX (mini-IPX). Системные платы LPX и mini-LPX обычно устанавливаются в корпусах с уменьшенной высотой или Slimline. Сло­ты расширения этих плат смонтированы на отдельной выносной плате (Reisercard), которая устанавливается в слот системной платы перпендикулярно ей. Карты расширения устанавливаются в выносную плату таким образом, что их плоскость становится параллель­ной системной плате  это позволяет уменьшить высоту корпуса PC. Все разъемы установлены на задней панели системной платы LPX. Обычно это разъемы для подключения монитора, параллельный порт, два последовательных порта и разъемы типа mini-DIN для клавиатуры и мыши стандарта PS/2 (рис. 1.16, б). Все разъемы смонтированы непосредственно на системной плате.

АТХ. В 1995 г. корпорация Intel анонсировала новую специфи­кацию АТХ для форм-фактора системной платы и корпуса PC. Пла­та спецификации АТХ сочетает в себе наилучшие черты стандартов Baby-AT и LPX, кроме того, в ней заложены многие дополнитель­ные усовершенствования (рис. 1.16, в).

В дальнейшем Intel полностью перешла на производство сис­темных плат спецификации АТХ. Ряд других поставщиков систем­ных плат, например ASUSTek, также наладили выпуск системных плат АТХ.

Mini-АТХ  просто меньшая версия полноразмерной АТХ-платы. На обеих параллельный и последовательный порты, PS/2 кла­виатура и порты мыши расположены на задней панели ввода-вывода двойной высоты. Размещение непосредственно на плате отменяет потребность в кабеле к портам ввода-вывода. Последствие этого, од­нако,  то, что АТХ нуждается в специально спроектированном корпусе, с правильно расположенными отверстиями для портов, и ни платы АТХ, ни Mini-ATX не могут использоваться в корпусах AT.

NLX. В начале 1997 г. корпорацией Intel был предложен стан­дарт NLX, регламентирующий:

• новые физические и функциональные параметры блока питания;

• требования к режимам охлаждения и условиям соединения отдельных компонентов ПК между собой;

• систему крепления системной платы;

• разбиение платы на зоны, в пределах которых располагаются электронные компоненты, имеющие определенную высоту и служащие для реализации тех или иных функций.

Стандарт NLX явился дальнейшим развитием стандарта АТХ. Согласно стандарту NLX в ПК устанавливается так называемая ризер-карта (riser card), напоминающая плату адаптера, вставляемую в системную плату в корпусе типа Slimline. Как и плата адаптера Slimline, ризер-карта имеет стандартные слоты PCI и ISA, в которые устанавливаются все необходимые карты расширения.

Основное отличие ризер-карты NLX от адаптера Slimline состо­ит в том, что системная плата также устанавливается в специальный слот, называемый NLX Riser Connector. Этот разъем содержит не только информационную шину, но и шину питания. Таким обра­зом, после установки системная плата автоматически оказывается подключенной к шине питания.

Кроме того, на ризер-карте располагаются различные разъемы, которые ранее располагались на системной плате,  IDE, FDD, USB, блок питания и др. (рис. 1.16, г).

Ризер-карта является фактически кросс-платой, через которую происходит коммутация всех модулей системного блока между со­бой, а также подача питания на них. На системной плате NLX рас­полагаются гнезда ЦП, слоты для модулей памяти, чипсет, микросхемы BIOS и кэш-памяти.

Все внешние разъемы (LPT, COM, Audio и др.) в соответствии с новым стандартом смещены к краю системной платы. Данное технологическое решение обеспечивает необходимую гибкость при установке одной и той же системной платы в разные корпуса как типа Desktop, так и Mini-Tower.

Стандарт NLX практически превращает ПК в устройство, со­стоящее из двух элементов: системной платы и корпуса со стандарт­ными разъемами для связи с внешними устройствами.

MicroATX. Представленный в конце 1990-х гг. стандарт microАТХ  в основном меньшая версия АТХ спецификации Intel, пред­назначенная для компактных и дешевых систем потребителя с огра­ниченными потребностями в расширении системы.

Максимальный размер платы  квадрат со стороной 9,6", и она разработана, чтобы вписаться или в корпус стандарта АТХ, или в_: один из новых проектов настольного корпуса Microtower. Панель ввода-вывода аналогична проекту АТХ, но есть только условия для размещения не более четырех слотов расширения (АТХ позволяет семь). MicroATX также позволяет использование малогабаритного источника электропитания.

FlexATX. FlexATX  естественное развитие MicroATX, который был первоначально выпущен в конце 1999 г. Стандарт FlexATX до­полнительно к спецификации MicroATX выражает только требова­ния к системной плате, а не полное системное решение, не детализи­рует интерфейсы, память или графические технологии. Эти требова­ния переадресованы к дизайнерам и системным проектировщикам. Выбор процессора, однако, ограничен разъемами формата «гнездо» (Socket).

Основное различие между FlexATX и microATX  в том, что новый форм-фактор уменьшает размер системной платы до 9 × 7,5". Это приводит к снижению полных системных затрат, а также облегчает проектирование малогабаритных систем. FlexATX форм-фак­тор обладает обратной совместимостью со спецификациями АТХ и microATX  использование тех же самых установочных отверстий системной платы.

ITX. Весной 2000 г. VIA Technologies объявила о выпуске сис­темной платы еще меньшего размера, чем FlexATX. Размеры платы ITX 8,5 × 7,5", что на полтора дюйма меньше по ширине, чем у конкурента  Intel. Ключевое новшество, которое позволяет ITX дос­тигать такой компактной формы,  специально спроектированный блок питания со встроенным вентилятором. Его размеры (глуби­на × ширина × высота) 174 × 73 × 55 мм (ср. со стандартом АТХ, где размеры блока питания 140 × 150 × 86 мм).

ВТХ. Intel предложила в конце 2004 г. проект платы Balanced Technology Extended (сбалансированная расширенная технология), предназначенной для замены традиционных плат (рис. 1.16, е). Форм-фактор ВТХ является масштабируемым и допускает широкий спектр систем различных размеров и назначений, позволяя заме­нить единой спецификацией платы АТХ, microATX и FlexATX. Внутренние компоненты могут быть размещены на плате таким об­разом, что ЦП и другие тепловыделяющие схемы могут охлаждаться единственным воздушным потоком. Этот поток создается универ­сальным охладителем, который именуется «Thermal Module».

Ризер-архитектуры. Конструкция платы NLX является примером ризер-архитектур, потребность в которых возникла в конце 1990-х гг. и которые способствуют уменьшению полных сис­темных затрат и в то же самое время увеличивают гибкость процес­са производства системы (рис. 1.17). Первым примером была специ­фикация AMR (Audio/Modem Riser или аудиомодемная ризер-кар­та), представленная летом 1998 г. AMR поддерживала как звуковые, так и модемные функции, однако имела некоторые недостатки, ко­торые были идентифицированы после выпуска спецификации. Это были трудности поддержки устройств Plug-and-Play (PnP, P&P), а также тот факт, что ризер-карта занимала один слот PCI.

Затем были определены новые спецификации ризер-архитектуры, которые комбинируют большее количество функций на един­ственной плате: это аудиоадаптер, модем, широкополосные техно­логии и интерфейсы локальной сети. Две самые современные спе­цификации ризер-архитектуры включают конкурирующие CNR и ACR.

Предложенная Intel спецификация CNR (Communication and Networking Riser) определяет аппаратную масштабируемую ризер-карту системной платы и интерфейс, которая поддерживает аудио, модем и локальную сеть в основных наборах микросхем.

Интеграция на системной плате аудио, модема и подсистем локальной сети также проблематична, поскольку увеличиваются шумо­вые наводки, от которых, в свою очередь, деградирует работа каждой системы. CNR решает эти проблемы, физически отделяя эти чувст­вительные к наводкам системы от «шумной» среды системной платы.

Спецификация CNR предполагает наличие пяти интерфейсов:

• интерфейс АС97. Поддерживает звуковые и модемные функции на CNR-плате;

• локальная сеть (LAN Connect Interface  LCI). Обеспечивает 10/100 локальную сеть или домашнюю телефонную сеть на основе набора микросхем Intel;

• независимый от среды интерфейс (МП  Media Independent Interface). Обеспечивает 10/100 локальную сеть или домашнюю телефонную сеть на основе сетевых возможностей CNR платформ, использующих интерфейс МП;

• универсальная последовательная шина (USB);

• шина сопровождения системы (System Management Bus  SMBus). Обеспечивает функциональными возможностями Plug-and-Play (PnP) плату CNR.

Каждая плата CNR может использовать максимально четыре интерфейса (путем выбора типа локальной сети).

Конкурирующая спецификация ACR поддерживается содруже­ством ведущих компаний в области вычислительных средств и свя­зи, включая 3COM, AMD, VIA Technologies и Lucent Technologies. Подобно CNR, спецификация определяет форм-фактор интерфей­сы для множества подсистем связи и звуковых проектов в настоль­ных персональных компьютерах.

Интерфейс ACR комбинирует несколько существующих шин связи и добавляет новые и прогрессивные шины связи, отвечая на спрос промышленности на дешевые, высокоэффективные перифе­рийные устройства связи. ACR поддерживает модем, аудио, локаль­ную сеть и xDSL. Зарезервированы контакты для поддержки будущих беспроводных шин. Подобно AMR, спецификация ACR была предназначена, чтобы занять или заменить существующий РСI-слот. Это фактически уменьшает число доступных PCI-слотов на один не­зависимо от того, используется ACR-соединитель или нет. Хотя это может быть приемлемо в системных платах больших размеров (АТХ), потеря PCI-соединителя в системной плате microATX или FlexATX, где обычно предусматривают только два слота расшире­ния, может оказаться недопустимой для пользователя. CNR-спецификация преодолевает эту проблему, осуществляя стратегию совмещенного разъема подобно совмещенным слотам ISA/PCI. В этом случае соединители CNR и PCI эффективно используют одно и то же пространство устройств ввода-вывода.

Далее последовательно рассмотрим основные архитектурные компоненты ПЭВМ  процессор, память, интерфейсы.