Текст книги "Аппаратные средства персональных компьютеров"

Свойство микросхем флэш-памяти сохранять данные при отключении питания и возможность многократной перезаписи информации позволили разработать ряд устройств, которые оказались популярными у пользователей. Самыми первыми появились флэш-карты (также используется термин «flash-карты»), которые можно было подключать к ноутбукам через стандартный PCMCIA-интерфейс. Небольшие размеры и малое потребление энергии позволили использовать флэш-карты в цифровых фотоаппаратах и сотовых телефонах. В дальнейшем появились флэш-карты, в которых имитировалось дисковое пространство винчестера, и для настольных персональных компьютеров. В настоящее время выпускаются и пользуются популярностью у пользователей несколько типов флэш-карт, например SmartMedia, CompactFlash, MemoryStick, которые, увы, несовместимы друг с другом. Некоторые современные флэш-карты показаны на рис. 3.26.

Рис. 3.26. Различные флэш-карты

Чтобы дать представление о технических характеристиках флэш-карт, в табл. 3.6 приведены данные на карту объемом 2 Гбайт (2-Gbyte РС-АТА card), а в табл. 3.7 – карту объемом 128 Мбайт (128-Mbyte MultiMediaCard) производства корпорации Hitachi. Обе флэш-карты используют микросхемы 512-Mbit AND-type flash memoiy HN29V51211T-50 (48-pin TSOP type-I) и 1 Gbit AND-type flash memoiy HN29V102414T-50 (48-pin TSOP type-I), которые также выпускаются корпорацией Hitachi. Обратите внимание, что во время чтения и записи микросхемы флэш-памяти потребляют большой ток, что приводит к нагреву корпуса как самой микросхемы, так и устройства, в котором она используется.

Таблица 3.6. Технические характеристики 2-Gbyte РС-АТА card

Таблица 3.7. Технические характеристики 128-Mbyte MultiMediaCard

Большая цена и необходимость установки в настольный персональный компьютер специального переходника для подключения флэш-карты обусловили малую популярность флэш-карт. Дешевле было купить новый винчестер, чем флэш-карту с не слишком большим объемом памяти и специальный адаптер. Только в последнее время, когда USB-интерфейс стараниями крупнейших производителей компьютеров, стал популярен у пользователей, видимо, началась новая эпоха для флэш-устройств, подключаемых к настольным компьютерам. На рис. 3.27 показано устройство USB Flash Drive фирмы Transcend, которое без каких-либо приспособлений может быть подключено к USB-порту. Подобные же устройства производят и другие фирмы под самыми разными названиями, например PenDrive. Внешний вид у таких флэш-устройств может быть самый разнообразный, но в большинстве случаев они напоминают большой фломастер, под колпачком которого скрыта вилка стандартного USB-интерфейса. Заметим, что, например USB Flash Drive и USB PenDrive снабжены подставкой, в которую их можно вставить. Сама подставка – это однопортовый хаб для USB-интерфейса, который в самом простом случае представляет собой обычный USB-кабель.

Рис. 3.27. Устройство USB Flash Drive компании Transcend

Интерес к устройствам типа USB Flash Drive в первую очередь вызван тем, что после подключения к компьютеру оно ведет себя точно так же, как обычный винчестер. Как съемный диск определяет USB Flash Drive и операционная система Windows (рис. 3.28). Соответственно, в USB Flash Drive можно записать информацию и, подключив его к другому компьютеру, прочитать. Объем таких «винчестеров» составляет от 128 Мбайт до 1 Гбайт, что позволяет переносить на них не только небольшие программы, но и видеофильмы. Технические параметры USB Flash Drive довольно близки к тем, которые приведены в табл. 3.6 и 3.7. Отметим только, что скорость чтения/записи у них чуть ниже, чем у обычных винчестеров, в которых не используется режим UDMA.

Рис. 3.28. USB Flash Drive, зарегистрированный в Windows

В отличие от винчестеров, устройства USB Flash Drive требуют первоначальной установки драйверов для своей работы, которые можно найти на компакт-диске, входящем в комплект. В дальнейшем подключение и отключение USB Flash Drive не требует каких-либо настроек.

Глава 4
Системные платы

Системная плата — это второй по важности компонент персонального компьютера. Кроме термина «системная плата» используют еще несколько законных названий – «материнская плата» или, попросту, «мама» (System board, Mother board).

По сложности разработки и изготовления системная плата не уступит процессорам, а при ее производстве используются самые последние достижения научной и инженерной мысли. И пусть вам не покажется, что системная плата очень проста – на самом деле она как торт, сложена не менее чем из восьми слоев, в каждом из них проложены печатные проводники, причем строго оговоренной длины, а их форма и расположение подчиняются сложным физическим законам.

Основное назначение системной платы – соединение всех узлов компьютера в одно устройство, так что, по большому счету, она – это всего лишь набор проводов между контактами процессора и контактами модулей памяти и периферийных устройств. Все остальные расположенные на ней элементы носят второстепенные функции, служа только для развязки и согласования сигналов. Конечно, на системной плате устанавливаются дополнительно различные контроллеры и ПЗУ, которые выполняют определенные функции, но при желании, как в промышленных компьютерах, они могут быть вынесены на платы расширения, вставляемые в слоты.

На рис. 4.1 для иллюстрации многообразия конструкций показан внешний вид ряда современных системных плат.

Рис. 4.1. Внешний вид современных системных плат

Основные принципы работы

В IBM PC совместимом персональном компьютере на системной плате, в отличие от кросс-плат промышленных компьютеров, расположены электронные узлы, которые обеспечивают согласование процессора и всех остальных узлов компьютера по уровням напряжения и тока, а также по протоколам обмена. На рис. 4.2 показан в упрощенном виде принцип работы электроники системной платы.

Рис. 4.2. Принцип работы системной платы

Процессор, имеющий многие миллионы транзисторов, сконцентрированных на маленьком кристалле, и являющийся очень дорогой микросхемой, увы, по нагрузочной способности своих выводов мало подходит для создания надежных и производительных компьютеров. Поэтому почти всегда между процессором и остальными элементами компьютера включаются буферные микросхемы, которые выполняют согласование входных и выходных сигналов процессора с внешним миром (исключения были, но оказались нежизнеспособными).

В первых компьютерах типа IBM PC использовались микросхемы малой и средней интеграции (на кристалле таких микросхем располагается от 20 до 1000 транзисторов). Соответственно, на системных платах компьютеров IMB PC и XT рядами стояли 16-контактные микросхемы, а размеры печатной платы в два-три раза превосходили нынешние. В дальнейшем, на смену маленьким микросхемам пришли БИС (большие интегральные схемы), имеющие многие десятки выводов. Совершенствование схемотехники БИС привело к созданию чипсетов – наборов микросхем (от 1 до 4 корпусов), в которых располагаются все узлы системной платы (заметим, что так же поступают разработчики видеоадаптеров, звуковых карт и т. д.).

По системной шине, сигналы которой теперь непосредственно не выводятся во внешний мир, процессор обменивается информацией. Максимальная тактовая частота системной шины в настоящее время составляет 133 МГц (для процессоров AMD – 166 МГц), но, используя способ чтения данных 4 раза за один такт, повышают частоту обмена по системной шине до 533 МГц. Заметим, что еще несколько лет назад тактовая частота системной шины составляла 16, 25 и 33 МГц, а частоту 50 и 66 МГц поддерживали далеко не все системные платы!

Для подключения внешних устройств используют различные шины расширения. Самая первая шина, называемая ISA, имела сначала разрядность 8 битов, которая при разработке компьютеров IBM PC AT была расширена до 16 битов. Тактовая частота ISA-шины составляет всего 8 МГц. Для повышения скорости обмена между процессором и внешними устройствами были разработаны несколько спецификаций более производительных шин расширения. В настоящее время шина ISA постепенно исчезает из современных компьютеров, а вместо ее широко используются шины PCI и AG Р. Но, заметим, им на смену уже разрабатываются новые, более производительные шины расширения.

Оперативная память, от скорости работы которой серьезно зависит общая производительность компьютера, подключается к системной шине через чипсет. Причем чипсет не просто согласует уровни напряжения, а изменяет разрядность данных и порядок следования байтов. Тут дело в том, что современные процессоры и модули оперативной памяти используют разные способы доступа к данным (см. гл. 3).

Конструкция

В качестве первого примера рассмотрим рис. 4.3, на котором приведена схема довольно популярной системной платы форм-фактора AT, рассчитанной на процессоры Celeron и Pentium III.

Рис. 4.3. Системная плата Soltek SL-63AV

В верхнем левом углу расположены традиционный набор слотов расширения: два ISA и три PCI, предназначенных для установки самых разнообразных карт, и слот AGP – для современного видеоадаптера. Отметим, что в более новых системных платах слоты ISA стараются не устанавливать, а вместо них монтируют один слот AMR или CNR, предназначенный для звуковой карты или модема, поддерживающего спецификацию АС'97.

Справа расположен большой сокет для установки процессора корпорации Intel. В данном случае – это Socket 370 (наиболее распространенным для процессоров Pentium и AMD К5 и Кб был Socket 7). Для процессоров Pentium 4 используются сокеты с другим расположением и количеством контактов. А для процессоров Athlon и Duron – Socket А.

Внизу системной платы расположены три слота для установки 168-контактных модулей DIMM. Следует отметить, что слоты для модулей памяти в количестве от 2 до 4 штук чаще устанавливаются у правого края платы.

Разъем питания практически всегда находится ближе к правому верхнему углу платы. Не исключение и системная плата, показанная на рис. 4.3, но в данном случае разработчики предоставили возможность использовать блоки питания как форм-фактора AT, так и АТХ, установив разъемы обоих типов. Такой подход нетипичен, но весьма популярен у пользователей, которые сами собирают компьютер.

Так как рассматриваемая системная плата имеет форм-фактор AT, то на ней находится только разъем для подключения клавиатуры, расположенный на краю платы в правом верхнем углу. А вот при форм-факторе АТХ на системной плате размещаются также разъемы для последовательных и параллельных интерфейсов (см. гл. 8).

В левом нижнем углу смонтировано контактное поле для подключения индикаторов и кнопок, которые выводятся на лицевую панель компьютера. Также здесь имеются контакты для подключения внутреннего динамика и замка блокировки клавиатуры (этим замком так редко пользуются, что очень часто его просто не устанавливают на корпусе).

По всей системной плате произвольно размещены контакты, обозначаемые как Jn и JPn, для джамперов, с помощью которых производится конфигурация компьютера. Набор, назначение и расположение джамперов у каждого типа системной платы свои. Установка джамперов "наугад" в большинстве случаев не приносит какого-либо практического результата. Для их правильной установки надо пользоваться надписями, нанесенными на системную плату белой краской, или документацией на данную плату. При отсутствии надписей и документации разумное изменение конфигурации практически невозможно, особенно это касается системных плат для процессоров 486. Правда, системные платы для процессора 386 обходились одним или двумя джамперами, из которых один был всегда предназначен для указания режима работы монитора – черно-белый или цветной.

Квадраты с надписью VIA – это микросхемы чипсета. Кружок с надписью Battery – системная 3-вольтовая батарейка для питания CMOS-памяти, предназначенной для хранения конфигурации компьютера, устанавливаемой с помощью BIOS.

Для подключения винчестеров на системной плате устанавливаются два 40-контактных разъема (два канала IDE), обозначаемые как HDD1 и HDD2.

Для гибкого диска предназначен 34-контактный разъем FDD1. Для подключения принтера – разъем LPT1, а для последовательных портов – два разъема COM1 и COM2. Кроме этих разъемов, на системной плате метут находиться разъемы для портов USB и IrDa.

Шины расширения

Шины расширения – это наиболее консервативная часть системной платы. Например, окончательно устаревшая шина ISA не сдается из-за наличия у пользователей огромного числа различных карт, предназначенных для установки в слот ISA, поэтому до сих пор выпускаются системные платы, на которых можно найти от 1 до 3 таких слотов. А поскольку конкуренция среди производителей компьютерного оборудования колоссальная, то даже заклинания крупнейших разработчиков не могут заставить всех производителей перестать выпускать системные платы с такой шиной – если существует спрос, то будет и предложение! Соответственно, пусть вас не удивит, если на системной плате для Pentium 4 вы вдруг увидите слот ISA. Хотя, если говорить честно, это анахронизм, тем более что спецификации на современные компьютеры диктуют отказ от всех устаревших технологий.

На рис. 4.4 показаны типы слотов шин расширения, устанавливаемых на системной плате. Заметим, что показаны только те слоты, которые можно встретить на практике, так что на рисунке не приведены слоты МСА, имевшиеся в серии компьютеров IBM PS/2. А комбинированный слот ISA и VLB (VESA) показан для примера, т. к. использовался на системных платах с процессором 486 до тех пор, пока не появилась шина PCI. Шина EISA, имеющая двухэтажную конструкцию контактов, практически не встречается (внешний вид разъемов как и у ISA).

Рис. 4.4. Типы различных слотов расширения на системной плате

В большинстве случаев корпуса слотов расширения изготавливаются из цветной пластмассы. Для слотов ISA почти всегда используют черный цвет, для PCI – белый, для AGP – коричневый. (Впрочем, иногда встречаются и другие варианты раскраски.)

Небольшие разъемы расширения AMR и CNR, которые могут находиться рядом со слотами PCI, предназначены для звуковых карт и модемов, выполненных по спецификации АС'97 (см. гл. 10). Заметим, что на некоторых системных платах можно встретить синие разъемы, похожие на слоты PCI, но установленные ближе к задней стенке компьютера – это слот ACR, расширенная версия слота CNR.

Примечание

Вообще, если встречается незнакомый тип слота, то не следует силой пытаться вставить в него плату PCI, а лучше посмотреть документацию на системную плату, т. к. жестких стандартов на компьютеры PC нет.

Шина расширения ISA (Industry Standart Architecture) имеет два основных исполнения и несколько модификаций, которые в настоящее время уже канули в лету. Первый вариант – это оригинальная 8-разрядная шина расширения IBM PC, второй – 16-разрядный, появился в компьютерах IBM PC AT. Длительное время шина ISA была основным промышленным стандартом для подключения самой разнообразной периферии, когда не требуется особое быстродействие. Начиная со спецификации РС98, в разработке которой активное участие принимали корпорации Intel и Microsoft, производителям рекомендуется заменять шину ISA более современными типами.

Для 8-разрядной версии используется один 62-контактный щелевой разъем, в который вставляется плата расширения с контактами, выполненными непосредственно на печатной плате. Шаг выводов 2,54 мм (0,1 дюйма). Контактные поверхности почти всегда золотят, в крайнем случае покрывают каким-либо твердым сплавом. Для передачи данных используются 8 битов, а для адресации – 20 битов.

В усовершенствованной версии шины ISA используется 16-разрядная шина данных и 24-разрядные адреса. Конструктивно расширение было сделано за счет установки второго 36-контактного разъема (рис. 4.5), правда в дальнейшем оба разъема шины ISA объединили в один.

Рис. 4.5. Слот ISA

Кроме линий адреса и данных, на шине ISA имеются сигналы управления, с помощью которых производится запись/чтение данных и разрешение конфликтов между устройствами, вставленными в слоты ISA.

Тактовая частота шины ISA составляет 8,33 МГц (для IBM PC XT – 4,77 МГц). В старых моделях компьютеров из-за того, что процессору приходилось ожидать окончания процесса обмена данными по шине ISA, падала производительность всей системы.

Все устройства, подключенные к шине ISA, могут пользоваться аппаратными прерываниями и каналами прямого доступа к памяти. Так как шина ISA позволяет отображать регистры ввода/вывода периферийных устройств на адресное пространство оперативной памяти, то, если пользователем в BIOS будет разрешено использовать адресное пространство между 15-м и 16-м мегабайтом ОЗУ, процессор не сможет адресовать более 15 Мбайт памяти.

Платы расширения с восьмибитной шиной могут вставляться в 16-битный слот без каких-либо проблем.

При использовании шины ISA следует помнить, что для дешифрации адресов регистров, расположенных на платах расширения, использовались упрощенные схемы. Ранее это было актуально, т. к. удавалось значительно снизить стоимость устройств. Но в ряде случаев возможно возникновение конфликтов из-за того, что разные регистры могут обращаться к одним и тем же адресам.

Для увеличения производительности шины ISA одно время совместно с ней использовалась шина VLB (VESA[4]4
  VESA – Video Electronics Standart Assotiation.


[Закрыть] Local BUS). При этом питание и ряд сигналов управления плата расширения получала через шину ISA, а обмен данными происходил через шину VLB, которая непосредственно подключалась к системной шине процессора. В основном шина VLB использовалась видеоадаптерами в компьютерах с процессором 486. Тактовая частота шины VLB достигала 40 МГц, что позволяло эффективно использовать ее с процессорами 486, имеющими тактовую частоту 50 МГц.

Также для расширения возможностей шины ISA одно время применялся стандарт EISA (Extended ISA), позволяющий использовать 32-разрядные данные. Хотя тактовая частота расширенной шины составляла те же 8,33 МГц, но за счет расширения разрядности удалось увеличь скорость обмена данными до 33 Мбайт/с. Для шины EISA в разъемах слотов ISA устанавливались контакты расширения, расположенные ниже уровня контактов ISA.

Для компьютеров с процессором Pentium корпорацией Intel в 1992 г.[5]5
  Первоначальный вариант появился в 1991 г.


[Закрыть] была разработана шина расширения PCI (Peripheral Component Interconnect), которая являлась в то время совершенно новой шиной, а не просто модернизацией шины ISA. Универсальность и независимость от аппаратной части позволили использовать ее не только с процессорами х86, но и, например, с процессорами PowerPC.

В основе принципа организации шины PCI лежит идея применения мостов (Bridge) между разными шинами в компьютере, например, она применяется для согласования протоколов между шиной ISA и шиной PCI (PCI to ISA Bridge). Шина PCI является независимой от других шин и позволяет осуществлять связь между любыми узлами.

Наиболее интересной особенностью шины PCI является принцип Bus Mastering, когда внешнее устройство без помощи центрального процессора может управлять шиной, становясь главным устройством при передаче данных. То есть в компьютере может одновременно (без временного разделения) выполняться, например, две задачи – процессор занимается одной задачей, а контроллер винчестера загружает данные в память через шину PCI (в какой-то степени это похоже на режим прямого доступа к памяти DMA).

Чтобы освободить процессор от работы по пересылке данных от периферийных устройств в оперативную память и обратно, используют контроллер DMA (Direct Memory Access). При использовании режима DMA различные устройства и ОЗУ обмениваются данными через каналы прямого доступа к памяти без использования ресурсов процессора. В компьютерах, начиная с IBM PC AT, имеется 7 каналов (4 канала от 1-го контроллера DMA и 3 канала от 2-го). Во время процесса пересылки данных процессор может заниматься другими задачами. Например, звуковая карта получает данные по каналу DMA1, а в это время процессор используется для обработки данных в офисных приложениях.

В отличие от калькулятора, который может реагировать только на нажатие кнопок, центральный процессор, кроме обсчета данных текущей задачи, вынужден реагировать на самые разнообразные внешние сигналы – события. Например, нажатия клавиш клавиатуры, движения мыши и т. д. Чтобы процессор мог на время прервать свою текущую работу и выполнить обработку поступившего сигнала, используется система прерываний (Interrupts). Начиная с компьютеров IBM PC AT, для обработки запросов на прерывание текущей задачи используются два контроллера, которые позволяют использовать 15 линий прерываний. Первый контроллер обрабатывает прерывания от линий IRQ0 до IRQ7 (IRQ2 используется для подключения второго контроллера прерываний), а второй контроллер – от IRQ8 до IRQ 15. Стандартное распределение аппаратных прерываний приведено в табл. 4.1 (существуют программные прерывания, с которыми работает BIOS).

Таблица 4.1. Стандартное распределение аппаратных прерываний

Возвращаясь к шине PCI, рассмсотрим рис. 4.6, а, который иллюстрирует архитектуру системной платы, построенной на принципе мостов. На рисунке хорошо видно, что шина PCI как бы делит узлы компьютера на две части – скоростные блоки, а это оперативная память и видеоподсистема[6]6
  Видеоадаптер может подключаться к шине PCI, как и любое внешнее устройство, вставляемое в слот PCI.


[Закрыть], отделены шиной PCI от устройств, которые могут «подождать». Фактически, шина PCI стала «стержнем» в персональном компьютере с процессором х86, на который «подвешиваются» все остальные узлы.

Рис. 4.6. Архитектура системной платы: а – на чипсете VIA Apollo Pro; б – на чипсете VIA КТ400

Так как еще до внедрения шины PCI производители системных плат использовали чипсеты, которые, как минимум, состояли из двух микросхем, то было придумано названия South Bridge (южный мост) и North Bridge (северный мост). На рис. 4.6, а южный мост, в котором установлена микросхема VT82C686A, используется для связи между внешними устройствами и интерфейсами (в том числе, микросхемой BIOS и шиной ISA), а северный мост, в котором применена микросхема VT8501MVP4, организует обмен между процессором и узлами, которые требуют наибольшего быстродействия.

Примечание

При появлении новых процессоров, модулей памяти и пр. всегда разрабатывается новый чипсет, который поддерживает аппаратные новинки. Но практически все чипсеты, начиная с Pentium, в настоящее время придерживаются архитектуры, показанной на рис. 4.6. Конечно, у того или иного чипсета всегда имеется ряд различий, но все основные принципы построения остаются неизменными, это хорошо видно на примере шины AGP (см. разд. «Шина AGP»).

На рис. 4.6, б показана архитектура современной системной платы на чипсете VIA КТ400, предназначенной для процессора AMD Athlon ХР. Обратите внимание, что шина PCI уже не разделяет компьютер «пополам», теперь северный и южный мосты соединяются высокоскоростной магистралью, в частности, для чипсетов VIA – это 8х V–Link (хотя, в остальном, принципы остались теми же). Кроме того, не используется шина ISA.

Так как между южным и северным мостами существует четкое разделение функций, на системной плате могут устанавливаться реализующие эти мосты микросхемы от разных производителей. Конечно, не все тут так просто, как показано на рис. 4.6. Следует отметить, что оба моста не являются полностью независимыми друг от друга, как, например, два винчестера, а имеют общие линии синхронизации и управления, кроме того, южный мост может "общаться" с процессором, минуя северный мост.

Существует несколько спецификаций шины PCI, которые определяют конструкцию слотов расширения, разрядность, тактовую частоту и пр. В соответствии со спецификацией PCI 1.0 используется 32-разрядная шина, назначение контактов приведено в табл. 4.2. На рис. 4.7 показаны два варианта исполнения слотов, которые различаются ключами, позволяющими указывать, для какого напряжения питания (5 или 3,3 В) рассчитаны данный слот и плата расширения. Для универсального случая на плате расширения могут быть две прорези. В спецификации PCI 2.0 оговорена возможность увеличения разрядности шины до 64, что влечет за собой добавление контактов в слоте. Заметим, что чаще всего используются короткие слоты, что позволяет уменьшить стоимость системной платы.

Рис. 4.7. 32-разрядный слот PCI: а – для плат с 5-вольтовым питанием; б – для плат с 3,3-вольтовым питанием

32-разрядная шина PCI может работать в 64-разрядном режиме, но в этом случае используется временное мультиплексирование. Тактовая частота шины может составлять 33 и 66 МГц. Учитывая разрядность и тактовую частоту, подсчитаем пиковую производительность:

• 132 Мбайт/с при 32 разрядах и частоте 33 МГц;

• 264 Мбайт/с при 32 разрядах и частоте 66 МГц;

• 264 Мбайт/с при 64 разрядах и частоте 33 МГц;

• 528 Мбайт/с при 64 разрядах и частоте 66 МГц.

Одной из важных особенностей шины PCI является поддержка режима Plug and Play, т. е. возможности распознавать конфигурацию компьютера при включении питания. Такой режим упрощает для пользователя установку новых устройств, возлагая анализ новой конфигурации на шину PCI и операционную систему. В идеале – установил и включил. Но, увы, различных производителей много, а количество проданных разнообразных устройств не поддается точному учету, поэтому пользователю очень часто надо подсказывать операционной системе, что же такого новенького установлено в компьютер.

Таблица 4.2. Назначение контактов 32-разрядного слота PCI