Лекция 5. Устройства и компоновка компьютера. Материнская плата Информатика – 1. Аппаратное и программное обеспечение компьютерной техники
Устройство и компоновка компьютера (1) Условно детали в ПК, входящие в устройство компьютера, можно разделить на: Внутренние детали (комплектующие). К этим типам относятся устройства, находящиеся внутри корпуса системного блока. Внешние детали (периферийные). Подключаются к системному блоку через главные устройства ввода-вывода информации. К таким устройствам относятся монитор, клавиатура, мышь. Как правило в устройство компьютера входят три основные части: системный блок; клавиатура - устройство компьютера, способное вводить символы в компьютер и управлять некоторыми функциями; монитор - устройство компьютера, предназначенное для отображения текстовой или графической информации на экране. 2
Устройство и компоновка компьютера (2) Системный блок Системный блок представляет собой прямоугольный корпус, оборудованный блоком питания и системной (материнской) платой, к которой подключены основные элементы, необходимые для правильной роботы: процессор, оперативная память, жесткий магнитный диск, графическая карта. 3
Основные устройства. Материнская плата (1) Материнская плата (motherboard), называемая также системной платой (system board) или главной платой (main board) является устройством, которое управляет внутренними связями и взаимодействует с внешними устройствами. На материнской плате размещаются все основные элементы компьютера, линии соединения и разъемы для подключения других устройств. 4
Основные устройства. Материнская плата (2) 5 Материнская плата содержит следующие основные компоненты: шины; интерфейсы для подключения внутренних и внешних устройств; базовую систему ввода-вывода – BIOS (Basic Input/Output System); кэш-память; системные ресурсы.
Основные устройства. Материнская плата (3) 6 Шина (bus) – совокупность линий (проводников), по которым параллельно и одновременно обмениваются данными два и более компонент или устройств компьютера. Шины являются основными компонентами материнской платы. Порт – разновидность шины, связывающий только два устройства. Шина имеет собственную архитектуру, включающую следующие компоненты: контроллер шины; линии для обмена данными (шины данных); линии для адресации данных (шины адреса); линии для управления данными (шины управления).
Основные устройства. Материнская плата (4) 7 Контроллер шины осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами. По шине данных происходит обмен данными между процессором, внешними устройствами и оперативной памятью. Для адресации к какому-либо устройству компьютера используется шина адреса, по которой передается уникальный идентификационный код (адрес). Для того чтобы данные были записаны (прочитаны) в регистры устройств, подключенных к шине, адреса которых указаны на шине адреса, необходим ряд служебных сигналов: записи/считывание, готовности к приему или передаче данных, подтверждение приема данных и др. Все эти сигналы передаются по шине управления.
Основные устройства. Материнская плата (5) 8 На материнской плате обычно встроены следующие шины: системная шина, или шина процессора, которая используется набором микросхем для пересылки данных процессору и получения данных от процессора (скорость системной шины – это основная характеристика, определяющая реальную производительность процессора); шина кэш-памяти, предназначенная для обмена информацией между процессором и кэш-памятью; шина памяти, используемая для обмена информацией между оперативной памятью и процессором; шины ввода/вывода, которые подразделяются на локальные шины и стандартные шины.
Основные устройства. Материнская плата (6) 9 Локальная шина ввода/вывода – скоростная шина, предназначенная для обмена информацией между периферийными быстродействующими устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами, картами сканера и др.) и системной шиной. Стандартная шина ввода/вывода используется для подключения к вышеперечисленным шинам более медленных устройств (мыши, клавиатуры, модемов, старых звуковых карт и др.). Эти шины образуют иерархию, самым верхним уровнем которой является системная шина.
Основные устройства. Материнская плата (7) 10 Основными характеристиками шины являются: разрядность (отдельно для шины данных и шины адреса); тактовая частота (скорость); пропускная способность; стандарт шинного интерфейса.
Основные устройства. Материнская плата (8) 11 Порт - физическое или логическое соединение компьютера, предназначенное для приема и передачи данных. Аппаратный порт специализированный разъём в компьютере, предназначенный для подключения оборудования определённого типа (Википедия). Разъемы портов обычно установлены на системную плату и вынесены на заднюю стенку компьютера. Их также называют интерфейсами.
Основные устройства. Материнская плата (9) 12 COM–порт COM-порт - двунаправленный последовательный интерфейс, передающий данные по протоколу RS-232. Ранее COM-порт порт использовался для подключения модема или мыши, но в настоящее время морально устарел, хотя ещё можно встретить на некоторых компьютерах. С помощью данного порта можно установить связь одного компьютера с другими (длина до 30 м) при наличии соответствующих разъёмов.
Основные устройства. Материнская плата (10) 13 Параллельный порт (LPT) LPT - параллельный порт, предназначенный для подключения периферийных устройств к ПК. Исторически интерфейс был разработан для подключения принтера к ПК, однако может применяться и для других целей (подключение сканера и других внешних устройств, организация связи между двумя компьютерами). LPT порт содержит 25 выводов, расположен на задней крышке системного блока. Длина кабеля LPT-порта должна быть не более 3 метров.
Основные устройства. Материнская плата (11) 14 Порт PS/2 Каждый пользователь ПК знаком с этим портом. PS/2 - интерфейс, предназначенный для подключения клавиатуры и мыши. VGA-порт VGA-порт - 15-контактный разъём. Предназначенный для подключения аналоговых мониторов по стандарту VGA. В настоящее данный интерфейс морально устарел и активно вытесняется цифровыми интерфейсами DVI, HDMI и DisplayPort.
Основные устройства. Материнская плата (12) 15 USB порт Последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. (Википедия) Версии: два режима работы: режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed) 1,5 Мбит/с режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) 12 Мбит/с три режима работы: Low-speed, Кбит/c (клавиатуры, мыши, джойстики) Full-speed, 0,512 Мбит/с (аудио-, видеоустройства) High-speed, Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации)
Основные устройства. Материнская плата (13) 16 Базовая система ввода-вывода – BIOS (Basic Input/Output System) компьютера является программой, которая служит интерфейсом между аппаратным обеспечением компьютера и операционной системой. В современных компьютерах устройства также имеют свои BIOS, которые, в свою очередь, служат интерфейсом между BIOS компьютера и соответствующим устройством. Программа BIOS компьютера содержит следующие компоненты: программу первоначальной загрузки; тестовую программу проверки системы POST (Power On Self Test – самотестирование при включении); программу конфигурации компьютера CMOS Setup; драйверы устройств, контроллеры которых установлены на материнской плате.
Основные устройства. Материнская плата (14) 17 Для ускорения доступа к оперативной памяти в современных быстродействующих компьютерах применяется специальная "сверхбыстрая"("сверхоперативная") память, которая называется кэш-памятью и является как бы буфером между очень быстрым процессором и достаточно медленной оперативной памятью. Ее начали использовать начиная с 486 компьютеров и сейчас используют во всех современных моделях ПК. Кэш-памятью управляет специальное устройство контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память.
Основные устройства. Материнская плата (15) 18 Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш- память, так называемый кэш первого уровня (внутренняя кеш- память), которая обозначается L1(Level 1) и имеет размер порядка 64–128 Кбайт. Ее назначение согласование скорости работы процессора и внешней кэш-памяти. Кроме того, существует кэш второго уровня(внешняя кеш- память), которая обозначается L2(Level 2) и имеет ёмкость от 128 Кбайт до 256 Кбайт и выше. Главная задача внешней кэш- памяти организовать обмен данными между процессором и памятью с наименьшим количеством тактов ожидания.
Основные устройства. Материнская плата (16) 19 Ресурсами компьютера являются оперативная память, скорость процессора и т.д. Однако среди этих ресурсов выделяются так называемые системные ресурсы, которые совместно используют узлы и устройства. Основными системными ресурсами являются: система прерываний; порты ввода-вывода; технология Plug&Play.
Основные устройства. Материнская плата (17) 20 Для взаимодействия устройств и программ компьютера с центральным процессором, в IBM-совместимых компьютерах предусмотрена система прерываний (interrupts). Помимо обеспечения взаимодействия устройств и программ, система прерываний компьютера аппаратно поддерживает мультипрограммирование. Прерывания в компьютере делятся на: аппаратные (hardware interrupts); программные (software interrupts). Аппаратные прерывания – встроенные в процессор прерывания (например, при отключении электропитания) и прерывания от устройств компьютера (клавиатуры, жесткого диска и т.д.). С помощью программных прерываний в прикладных программах выполняются действия по вводу-выводу данных на устройства и управление работой программы.
Основные устройства. Материнская плата (18) 21 Число прерываний, которые могут использовать устройства, ограничено, поэтому может возникнуть ситуация, если одно и то же IRQ задано для нескольких устройств. То же касается и портов ввода-вывода, поскольку разные изготовители могут задать в своих устройствах одни и те же порты. Для того, чтобы разрешить эти проблемы, корпорация Microsoft в сотрудничестве с Intel и другими производителями компьютерного оборудования разработала спецификацию Plug&Play (дословно – включи и играй), или сокращенно PnP. Основной целью разработки этой спецификации было создание компьютера с автоматической конфигурацией устройств и автоматическим назначением ресурсов.
Основные устройства. Материнская плата (19) 22 В реализации спецификации PnP принимают участие следующие компоненты компьютера: устройства, подключаемые к компьютеру; шина; BIOS; операционная система. Устройства PnP могут идентифицировать себя по запросу BIOS или операционной системы и конфигурироваться в соответствии с назначенными им системными ресурсами. Контроллеры шины компьютера должны распознавать устройства PnP и взаимодействовать с ними. BIOS в процессе загрузки собирает сведения о подключенных к компьютеру устройствах и назначает каждому устройству PnP системные ресурсы Затем BIOS передает эту информацию операционной системе. Операционная система берет на себя управление всеми внешними устройствами, загружая соответствующие драйверы.
Основные устройства. Материнская плата (20) 23 Возможности компьютера в значительной степени определяются используемой в нем материнской платой. Основными характеристиками материнской платы являются: тип гнезда для подключения процессора и количество гнезд; максимальный объем оперативной памяти; интерфейсы и количество слотов расширения; состав дополнительных компонент; состав и количество разъемов для подключения внешних устройств; форм-фактор.
Основные устройства. Материнская плата (21) 24 Форм-фактор материнской платы стандарт, определяющий размеры материнской платы для ПК, места ее крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода/вывода, сокета центрального процессора и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания. В последних версиях форм-фактора определяются и требования и к системе охлаждения компьютера. При выборе комплектующих для ПК необходимо помнить, что корпус компьютера должен поддерживать форм-фактор материнской платы.
Основные устройства. Материнская плата (22) 25 Форм-фактор ATX (Advanced Technology eXtended) – форм-фактор, который был предложен еще в 1995 г. компанией Intel и с тех пор по сей день сохранил огромную популярность. Системные платы форм фактора ATX имеют размеры 30,5 x 24,4 см. В настоящее время большинство системных плат, корпусов и блоки питания на базе процессоров Intel и AMD выпускаются в формате ATX. К особенностям спецификации ATX относится следующее: размещение портов ввода/вывода на системной плате; встроенный разъем типа PS/2 для клавиатуры и мыши; расположение разъемов IDE и FDD ближе к самим устройствам; размещение гнезд процессора в задней части платы, рядом с блоком питания; использование единого 20-контактного и 24-контактного разъемов питания.
Основные устройства. Материнская плата (23) 26 mATX (micro ATX) – уменьшенный стандарт ATX. Он используется в основном в офисных машинах, где не требуется много слотов для наращивания конфигурации. EATX (Extended ATX) – основное отличие от ATX это размеры (30.5 x 33.0 см). Основная сфера их применения это серверы. BTX (Balanced Technology Extended) – новый стандарт, разработанный с целью эффективного охлаждения внутренних компонентов системного блока. BTX имеет сравнительно небольшие размеры и подходит для построения миниатюрных компьютеров. Платы BTX имеют размеры 26.7 х 32.5 см и имеют 7 слотов расширения. mBTX (micro BTX) – уменьшенный вариант BTX, поддерживающий 4 слота расширения. mBTX – имеют размеры 26.7 х 26.4 см.
Основные устройства. Материнская плата (24) 27 mini-ITX – стандарт электрически и механически совместим с форм-фактором ATX. Форм-фактор mini-ITX разработан компанией VIA Technologies и имеет небольшие размеры (17 х 17 см). SSI EEB (Server Standards Infrastructure Entry Electronics Bay) – данный форм-фактор материнской платы в основном применяется для построения серверов и имеет размеры 30.5 x 33.0 см. Основной разъем для подключения блока питания имеет 24+8 контактов. SSI CEB (SSI Compact Electronics Bay) – данный форм-фактор также применяется для построения серверов и имеет 24+8 контактов основной разъем. Габариты таких плат x 25.9 см.
Основные устройства. Материнская плата (25) 28 Устаревшие стандарты: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата AT; LPX. Современные стандарты: АТХ; microATX; Flex-АТХ; NLX; WTX, CEB. Внедряемые стандарты: Mini-ITX и Nano-ITX; Pico-ITX; BTX, MicroBTX и PicoBTX