Лекція 4 "Персональний комп'ютер: системна плата"
Комп'ютер - це універсальна технічна система, здатна чітко виконувати послідовність операцій певної програми. Персональним комп'ютером (ПК) може користуватися одна людина без допомоги обслуговуючого персоналу. Взаємодія з користувачем відбувається через багато середовищ, від алфавітно-цифрового або графічного діалогу за допомогою дисплея, клавіатури і мишки до пристроїв віртуальної реальності.
Конфігурацію ПК можна змінювати в міру необхідності. Але, існує поняття базової конфігурації, яку можна вважати типовою:
Комп'ютери випускаються і в портативному варіанті (laptop або notebook виконання). В цьому випадку, системний блок, монітор і клавіатура розміщені в одному корпусі: системний блок прихований під клавіатурою, а монітор вбудований в кришку.
Системний блок - основна складова, в середині якої містяться найважливіші компоненти. Пристрої, що знаходяться в середині системного блоку називають внутрішніми, а пристрої, що під'єднуються ззовні називають зовнішніми. Зовнішні додаткові пристрої, призначені для введення і виведення інформації називаються також периферійними.
За зовнішнім виглядом, системні блоки відрізняються формою корпуса, який може бути горизонтального (desktop) або вертикального (tower) виконання. Корпуси вертикального виконання можуть мати різні розміри: повнорозмірний (BigTower), середньорозмірний (MidiTower), малорозмірний (MiniTower). Корпуси горизонтального виконання є двох форматів: вузький (Full-AT) та надто вузький (Baby-AT). Корпуси персональних комп'ютерів мають різні конструкторські особливості та додаткові елементи (елементи блокування несанкціонованого доступу, засоби контролю внутрішньої температури, шторки від пилу).
Корпуси поставляються разом із блоком живлення, потужність якого є одним із параметрів корпусу. Для масових моделей достатньою є потужність 200-250 Вт.
Основними вузлами системного блоку:
- електричні плати, що керують роботою комп'ютера (мікропроцесор, оперативна пам'ять, контролери пристроїв тощо);
- накопичувач на жорсткому диску (вінчестер), призначений для читання або запису інформації;
- накопичувачі (дисководи) для гнучких магнітних дисків (дискет).
Основний платою ПК є материнська плата (MotherBoard). На ній розташовані:
- процесор - основна мікросхема, що виконує математичні та логічні операції;
- чіпсет (мікропроцесорний комплект) - набір мікросхем, що керують роботою внутрішніх пристроїв ПК і визначають основні функціональні можливості материнської плати;
- шини - набір провідників, по яких відбувається обмін сигналами між внутрішніми пристроями комп'ютера;
- оперативний пристрій (ОЗУ) - набір мікросхем, призначених для тимчасового зберігання даних, поки включений комп'ютер;
- постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ) - мікросхема, призначена для довготривалого зберігання даних, навіть при вимкненому комп'ютері;
- роз'єми для під'єднання додаткових пристроїв (слоти).
Процесор - головна мікросхема комп'ютера, його "мозок". Він дозволяє виконувати програмний код, що знаходиться в пам'яті і керує роботою всіх пристроїв комп'ютера. Швидкість його роботи визначає швидкодію комп'ютера. Конструктивно, процесор - це кристал кремнію дуже маленьких розмірів. Процесор має спеціальні комірки, які називаються регістрами. Саме в цих регістрах містяться команди, які виконуються процесором, а також дані, якими оперують команди. Робота процесора полягає у виборі з пам'яті в певній послідовності команд та даних і їх виконанні. На цьому і базується виконання програм.
У ПК обов'язково має бути присутній центральний процесор (Central Rpocessing Unit - CPU), який виконує всі основні операції. Часто ПК оснащений додатковими сопроцесорами, орієнтованими на ефективне виконання специфічних функцій, такі як, математичний сопроцесор для обробки числових даних у форматі з плаваючою точкою, графічний сопроцесор для обробки графічних зображень, сопроцесор введення / виведення для виконання операції взаємодії з периферійними пристроями.
Основними параметрами процесорів є:
- тактова частота,
- розрядність,
- робоча напруга,
- коефіцієнт внутрішнього множення тактової частоти,
- розмір кеш пам'яті.
Тактова частота визначає кількість елементарних операцій (тактів), що виконуються процесором за одиницю часу. Тактова частота сучасних процесорів вимірюється в МГц (1 Гц відповідає виконанню однієї операції за одну секунду, 1 МГц = 106 Гц). Чим більше тактова частота, тим більше команд може виконати процесор, і тим більше його продуктивність. Перші процесори, які використовувалися в ПК працювали на частоті 4,77 МГц, а сьогодні робочі частоти найсучасніших процесорів досягли позначки в 2 ГГц (1 ГГц = 103 МГц).
Розрядність процесора показує, скільки біт даних він може прийняти і обробити в свої регістрах за один такт. Розрядність процесора визначається розрядністю командної шини, тобто кількістю провідників у шині, по якій передаються команди. Сучасні процесори сімейства Intel є 32-розрядними.
Робоча напруга процесора забезпечується материнською платою, тому різним маркам процесорів відповідають різні материнські плати. Зараз робоча напруга процесорів не перевищує 3 В. Пониження робочої напруги дозволяє зменшити розміри процесорів, а також зменшити тепловиділення в процесорі, що дозволяє збільшити його продуктивність без загрози перегріву.
Коефіцієнт внутрішнього множення тактової частоти - це коефіцієнт, на який слід помножити тактову частоту материнської плати, для досягнення частоти процесора. Тактові сигнали процесор отримує від материнської плати, яка з чисто фізичних причин не може працювати на таких високих частотах, як процесор. На сьогодні тактова частота материнських плат складає 100-133 МГц. Для отримання більш високих частот у процесорі відбувається внутрішнє множення на коефіцієнт 4, 4.5, 5 і більше.
Кеш-пам'ять. Обмін даними всередині процесора відбувається набагато швидше, ніж обмін даними між процесором і оперативною пам'яттю. Тому, для того щоб зменшити кількість звернень до оперативної пам'яті, всередині процесора створюють так звану надоперативну або кеш-пам'ять. Коли процесору потрібні дані, він спочатку звертається до кеш-пам'яті, і тільки тоді, якщо там потрібні дані відсутні, відбувається звертання до оперативної пам'яті. Чим більший розмір кеш-пам'яті, тим більша ймовірність, що необхідні дані знаходяться там. Тому високопродуктивні процесори оснащуються підвищеними обсягами кеш-пам'яті.
Розрізняють кеш-пам'ять першого рівня (виконується на одному кристалі з процесором і має об'єм порядку декілька десятків Кбайт), другого рівня (виконується на окремому кристалі, але в межах процесора, з об'ємом в сто і більше Кбайт) і третього рівня (виконується на окремих швидкодіючих мікросхемах із розташуванням на материнській платі і має обсяг один і більше Мбайт).
Процесори Intel, які використовуються в IBM-сумісних ПК, нараховують більше тисячі команд і відносяться до так званих процесорів із розширеною системою команд - CISC -Процесор (CISC - Complex Instruction Set Computing). На противагу CISC-процесорам розроблено процесори архітектури RISC із скороченою системою команд (RISC - Reduced Instruction Set Computing). При такій архітектурі кількість команд набагато менше, і кожна команда виконується швидше. Таким чином, програми, що складаються з простих команд виконуються набагато швидше на RISC-процесорах. Зворотна сторона скороченої системи команд полягає в тому, що складні операції доводиться емулювати далеко не завжди ефективною послідовністю простіших команд. Тому CISC-процесори використовуються в універсальних комп'ютерних системах, а RISC-процесори - у спеціалізованих. Для ПК платформи IBM PC домінуючими є CISC-процесори фірми Intel, хоча останнім часом компанія AMD виготовляє процесори сімейства AMD-K6, які мають гібридну архітектуру (внутрішнє ядро цих процесорів виконане по RISC-архітектурі, а зовнішня структура - по архітектурі CISC).
У комп'ютерах IBM PC використовують процесори, розроблені фірмою Intel, або сумісні з ними процесори інших фірм, що відносяться до сімейства x86. Родоначальником цього сімейства був 16-розрядний процесор Intel 8086. В подальшому випускалися процесори Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486 з модифікаціями, різні моделі Intel Pentium, Pentium MMX, Pentium Pro, Pentium II, Celeron, Pentium III. Новітньої моделлю фірми Intel є процесор Pentium IV. Серед інших фірм-виробників процесорів слід відзначити AMD з моделями AMD-K6, Athlon, Duron і Cyrix.
З іншими пристроями, і в першу чергу з оперативною пам'яттю, процесор зв'язаний групами провідників, які називаються шинами. Основних шин три:
Командна шина. По цій шині з оперативної пам'яті поступають команди, які виконуються процесором. Команди представлені у вигляді байтів. Прості команди вкладаються в один байт, але є і такі команди, для яких потрібно два, три і більше байтів. Більшість сучасних процесорів мають 32-розрядну командну шину, хоча існують 64-розрядні процесори з командною шиною.
Шини на материнській платі використовуються не тільки для зв'язку з процесором. Всі інші внутрішні пристрої материнської плати, а також пристрої, які підключаються до неї, взаємодіють між собою за допомогою шин. Від архітектури цих елементів багато в чому залежить продуктивність ПК в цілому.
Основні шинні інтерфейси материнських плат:
ISA (Industry Standard Architecture). Дозволяє зв'язати між собою всі пристрої системного блоку, а також забезпечує просте підключення нових пристроїв через стандартні слоти. Пропускна здатність складає до 5,5 Мбайт / с. У сучасних комп'ютерах може використовуватися лише для під'єднання зовнішніх пристроїв, які не вимагають більшої пропускної здатності (звукові карти, модеми і т.д.).
EISA (Extended ISA). Розширення стандарту ISA. Пропускна здатність зросла до 32 Мбайт / с. Як і стандарт ISA, цей стандарт вичерпав свої можливості і в майбутньому випуск плат, які підтримують ці інтерфейси припиниться.
PCI (Peripherial Component Interconnect). Стандарт підключення зовнішніх пристроїв, введений в ПК на базі процесора Pentium. За своєю суттю, це також інтерфейс локальної шини з роз'ємами для під'єднання зовнішніх компонентів. Даний інтерфейс підтримує частоту шини до 66 МГц і забезпечує швидкодію до 264 Мбайт / с незалежно від кількості під'єднаних пристроїв. Важливим нововведенням цього стандарту була підтримка механізму plug-and-play, суть якого полягає в тому, що після фізичного підключення зовнішнього пристрою до гнізда шини PCI відбувається автоматичне конфігурування цього пристрою.
FSB (Front Side Bus). Починаючи з процесора Pentium Pro для зв'язку з оперативною пам'яттю використовується спеціальна шина FSB. Ця шина працює на частоті 100-133 МГц і має пропускну здатність до 800 Мбайт / с. Частота шини FSB є основним параметром, саме вона вказується в специфікації материнської плати. За шиною PCI залишилася лише функція підключення нових зовнішніх пристроїв.
USB (Universal Serial Bus). Стандарт універсальної послідовної шини визначає новий спосіб взаємодії комп'ютера з периферійним обладнанням. Він дозволяє підключати до 256 різних пристроїв з послідовним інтерфейсом, причому пристрої можуть під'єднуватися ланцюжком. Продуктивність шини USB відносно невелика і складає 1,55 Мбіт / с. Серед переваг цього стандарту слід відзначити можливість підключати і відключати пристрої в "гарячому режимі" (тобто без перезавантаження комп'ютера), а також можливість об'єднання декількох комп'ютерів в просту мережу без використання спеціального апаратного та програмного забезпечення.
Внутрішня пам'ять
Під внутрішньою пам'яттю розуміють всі види запам'ятовуючих пристроїв, розташовані на материнській платі. До них відносяться: оперативна пам'ять, постійна пам'ять і незалежна пам'ять.
Оперативна пам'ять RAM (Random Access Memory)
Пам'ять RAM - це масив кристалічних осередків, здатних зберігати дані. Вона використовується для оперативного обміну інформацією (командами та даними) між процесором, зовнішньою пам'яттю і периферійними системами. З неї процесор бере програми і дані для обробки, в неї записуються отримані результати. Назва "оперативна" походить від того, що вона працює дуже швидко і процесору не потрібно чекати при зчитуванні даних з пам'яті або запису. Однак, дані зберігаються лише тимчасово при включеному комп'ютері, інакше вони зникають.
За фізичним принципом дії розрізняють динамічну пам'ять DRAM і статичну пам'ять SRAM.
Осередки динамічної пам'яті можна представити у вигляді мікроконденсаторів, здатних накопичувати електричний заряд. Недоліки пам'яті DRAM: повільніше відбувається запис і читання даних, потребує постійної підзарядки. Переваги: простота реалізації і низька вартість.
Елементи статичної пам'яті можна представити як електронні мікроелементи - тригери, що складаються з транзисторів. У тригері зберігається трохи заряд, а стан (включений / виключений). Переваги пам'яті SRAM: значно більшу швидкодію. Недоліки: технологічно складний процес виготовлення, і відповідно, велика вартість.
Мікросхеми динамічної пам'яті використовуються як основна оперативна пам'ять, а мікросхеми статичної - для кеш-пам'яті.
Оперативна пам'ять в комп'ютері розміщена на стандартних панельках, які називаються модулями. Модулі оперативної пам'яті вставляють у відповідні роз'єми на материнській платі. Конструктивно модулі пам'яті мають два виконання - однорядні (SIMM - модулі) та дворядні (DIMM - модулі). На комп'ютерах з процесорами Pentium однорядні модулі можна застосовувати лише парами (кількість роз'ємів для їх встановлення на материнській платі завжди парне). DIMM - модулі можна встановлювати по одному. Комбінувати на одній платі різні модулі не можна.
Основними характеристиками модулів оперативної пам'яті:
SIMM - модулі мають обсяг 4, 8, 16, 32, 64 мегабайт; DIMM - модулі - 16, 32, 64, 128, 256, 512 Мбайт. Час доступу показує, скільки часу необхідно для звертання до комірок пам'яті, чим менше, тим краще. Вимірюється в наносекундах. SIMM - модулі - 50-70 нс, DIMM - модулі - 7-10 нс.
Постійна пам'ять ROM (Read Only Memory)
Основне призначення цих програм полягає в тому, щоб перевірити склад та працездатність системи та забезпечити взаємодію з клавіатурою, монітором, жорсткими і гнучкими дисками.
Незалежна пам'ять CMOS
Робота таких стандартних пристроїв, як клавіатура, може обслуговуватися програмами BIOS, але такими засобами неможливо забезпечити роботу з усіма можливими пристроями (у зв'язку з їх величезною різноманітністю та наявністю великої кількості різних параметрів). Але для своєї роботи програми BIOS вимагають всю інформацію про поточну конфігурацію системи. З очевидних причин цю інформацію не можна зберігати ні в оперативній пам'яті, ні в постійній. Спеціально для цих цілей на материнській платі є мікросхема енергонезалежної пам'яті, яка називається CMOS. Від оперативної пам'яті вона відрізняється тим, що її вміст не зникає при вимкненні комп'ютера, а від постійної пам'яті вона відрізняється тим, що дані можна заносити туди і змінювати самостійно, відповідно до того, яке обладнання входить до складу системи.
Мікросхема пам'яті CMOS постійно живиться від невеликої батарейки, розташованої на материнській платі. У цій пам'яті зберігаються дані про гнучкі та жорсткі диски, процесори і т.д. Той факт, що комп'ютер чітко відслідковує дату і час, також пов'язаний з тим, що ця інформація постійно зберігається (і обновлюється) у пам'яті CMOS. Таким чином, програми BIOS зчитують дані про склад комп'ютерної системи з мікросхеми CMOS, після чого вони можуть здійснювати звертання до жорсткого диска та інших пристроїв.
Контрольні питання
- Що таке материнська плата? Які компоненти персонального комп'ютера на ній знаходяться?
- У чому полягає виконання програм центральним процесором?
- Які основні параметри процесора? Що характеризує тактова частота і в яких одиницях вона вимірюється?
- Що таке кеш-пам'ять? Рівні кеш-пам'яті?
- Для чого призначені шини? Які є типи шин?
- Які шинні інтерфейси материнської плати ви знаєте?
- Чим відрізняється оперативна пам'ять від постійної пам'яті?
- Що таке RISC-процесори? У чому полягає їх відмінність від CISC-процесорів?
- В якій пам'яті зберігаються програми BIOS?
- Вибачте за тимчасові незручності зберігається в незалежній пам'яті?
- Які ви знаєте типи оперативної пам'яті? Яка між ними різниця?