Состав, назначение и характеристики основных элементов персонального компьютера

2.3.1. Основные компоненты компьютера.

Персональный компьютер (ПК) в минимальной конфигурации имеет в составе четыре основных части: монитор, клавиатуру, мышь и системный блок.

Монитор ПК является устройством визуального отображения процессов работы ПК аналогично телевизионному приемнику. Клавиа­тура предназначена для ввода в ПК числовой, текстовой информации и команд, а на мониторе отображается процесс работы компьютера в графической и (или) тексто­вой формах. Мышь – ручной манипулятор, предназначенный для указания различных графических объектов на экране монитора и выбора на нем команд управления информационными процессами компьютера.

Центральная часть персонального компьютера – это систем­ный блок, поскольку в нем располагаются его основные компоненты по обработке информации. К сис­темному блоку можно подключить множество различных внешних устройства для ввода/вывода информации, таких, как:

• принтер для вывода на печать текстовой и графической информации;
• сканер – устройство для ввода (сканирования) изображений с бумаги или слайдов в дискретной форме;
• факс-модем – для подключения компьютера к телефонной линии для выхода к локальным или глобальным компью­терным сетям (с помощью факс-модема можно передать любую информацию на другой компьютер, также имеющий в своем составе факс-модем и расположенный в тысячах километров от передающего, или передать факсимильное сообщение на обычный факс-аппарат);
• звуковые колонки для воспроизведения звукового сопровождения или эффектов (при наличии звуковой карты);
• видеокамеру для ввода в компьютер видеоизображений (при наличии специальной карты);
• TV–тюнер или УКВ-тюнер для приема теле- или радиопередач;
• джойстик – манипулятор в виде ручки с кнопками, для управления объектами в мультимедийных приложениях;
• широкую гамму различного типа внешних накопителей данных для сохранения информации;
• графопостроитель (плоттер) для вывода чертежей на бумагу;
• дигитайзер (графический планшет) для цифрового ввода в компьютер различных контурных изображений (чертежей, географических карт и т.п.) по точкам и для оцифровки про­извольных рисунков;
• другие устройства, использующиеся в программах виртуальных игр, например, шлем вир­туальной реальности, руль, педали и т.п.

Многие внешние устройства подключаются к компьютеру через его типовые разъемы, для других уст­ройств необходимы дополнительные электронные платы (контроллеры), сопрягающие работу устройства с ПК.. Контроллер монитора, например, называют видеоадаптером или видеокартой.

Обзор системного блока и его функций следует начать с его корпуса.

2.3.2. Корпус системного блока компьютера.

В корпусе системного блока, центрального в компьютере, располагаются все его важнейшие компоненты:

• материнская (системная) плата, на которой устанавливаются и подключаются все остальные платы и мик­росхемы (микропроцессор, оперативная память, контролеры различных устройств и т. д.);
• накопитель на жестком магнитном диске (винчестер).
• дисководы для чтения и записи гибких магнитных дисков, магнитооптических дисков, компакт-дисков и дисков DVD;
• блок питания, преобразующий напряжение сети в постоянный ток низкого напряже­ния для питания компонентов компьютера;
• индикаторы и выключатели .

На лицевой части корпуса обычно располагаются дисководы для чтения дискет и компакт-дисков, световые индикаторы, кнопки для включения и перезапуска компьютера. На задней стороне корпуса находятся разъемы для подключения монитора, клавиатуры, мыши и других внешних устройств.

• Корпус системного блока может располагаться на столе горизонтально – Desktop ([Де­сктоп] – настольный) или- Slim ([Слим] – худой), а мо­жет стоять вертикально в виде башни-Tower ([Тауэр ]- башня) . Корпус в виде башни занимает меньше места на рабочем столе, его можно выполнить большей высоты и разместить в нем большее количество устройств. По физическим размерам корпус-башня системного блока может быть типа Minitower [Минитауэр] – Мини-башня, Middletower [Мидлтауэр] – Средняя башня и Bigtowor [Биггауэр] – Большая башня. Корпус типа Slim используется в компьютерах, имеющих минимальный набор компо­нентов, например, в рабочих станциях локальной сети. В корпусе Slim можно установить материнскую плату только определенного размера. установить материнские платы АТХ, Baby-AT или полноразмерную плату AT.

Металлический корпус не только защищает расположенные в нем компоненты персо­нального компьютера, но и является полноправным функциональным элементом, слу­жащим основой для последующего расширения и обновления (апгрэйда) системы, а также поддержания температурных режимов внутренних блоков с помощью вентиляторов (кулеров).

Блок питания встроен в корпус нераздельно. Основная задача блока питания – преобразование напряжения сети 220-240 В в напряжение питания конструктивных элементов компьютера ±12 и ±5 В. Современные импульсные блоки питания весят намного меньше, чем трансформаторные. С введением напряжения +3,3 В стандарт АТХ возник другой набор управляю­щих сигналов, отличающийся от формируемых обычными стандартными системами. В корпусах не АТХ– стандарта вентиляторы располагаются на тыльной стенке корпуса блока питания, и воздух вдувается снаружи. Преимуществом такого расположения вентилятора является уменьшение загрязнения внутренних узлов персонального компьютера, поскольку в кор­пусе создается избыточное давление, и воздух выходит через щели в корпусе..

2.3.3. Интерфейсы

Компоненты системного блока персонального компьютера соединяются между собой через стан­дартные интерфейсы. Дадим краткую харак­теристику некоторых, наиболее распространенных сегодня интерфейсов.

PCI (Peripheral Component Interconnect – Соединение внешних компонентов). Поддерживает тактовую частоту до 33 МГц, имеет максимальную пропускную способность до 132 Мбайт/с на частоте 33 МГц для 32-разрядной шины (264 Мбайт/с для 32-разрядных и 528 Мбайт/с для 64-разрядных данных на частоте 66 МГц). Интерфейс PCI обеспечивает поддержку режимов Bus Mastering и автоматической кон­фигурации компонентов при установке (Plug–and–Play). В настоящее время интерфейс PCI является самым распространенным интерфейсом для подключения к материнской плате различных компонентов – звуковых карт, контролле­ров SCSI, видеоплат и других устройств.

CSA (Communication Streaming Architecture) – обеспечивает более высокую, по сравне­нию с шиной PCI, пропускную способность в 2 Гбит/с. Поскольку шина PCI не может обеспечить скорость передачи данных выше 1 Гбит/с, компания Intel ввела новую шину CSA с удвоенной, по сравнению с PCI, пропускной способностью.

PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association – Стандарт между­народной ассоциации производителей плат памяти для персональных компьютеров). Интерфейс PCMCIA служит для подключения внешних устройств к мобильным компью­терам класса Notebook. Поддерживает автоматическую конфигурацию Plug–and–Play, подключение и отключение устройств в процессе работы компьютера («горячее» под­ключение). Конструктивно представляет собой миниатюрный 68-контактный разъем.

USB (Universal Serial Bus – Универсальная последовательная шина). К одному USB-каналу можно цепочкой подключить до 127 внешних устройств. На современных материнских платах обычно имеется по два канала USB на контроллер. Обмен данными по шине USB проходит в пакетном режиме при максимальной пропускной способности до 12 Мбит/с.

Интерфейс USB 2 является логическим развитием шины USB. Интерфейс USB 2 полно­стью совместим с USB, т.е. любое устройство USB будет работать и для USB 2. Макси­мальная пропускная способность шины USB 2 составляет 480 Мбит/с.

AMR (Audio Modem Riser – Расширение для звука и модема) – интерфейс с 48-контактным разъемом для подключения дочерних плат, объединяющих функции связи и обработки звука (модем, факс, телефония).

Socket 423 – разъем с 423 контактами. Предназначен для установки процессоров Pen­tium 4 фирмы Intel.

Socket 478 – разъем с 478 контактами. Предназначен для установки более поздних про­цессоров Pentium 4 фирмы Intel.

Socket 754 – разъем для установки 64-разрядных процессоров Athlon 64 от AMD.

Socket 940 – разъем для установки 64-разрядных процессоров семейства Athlon 64 и Opieron от AMD.

Slot M – разъем для установки 64-разрядных процессоров фирмы Intel. Socket A (Socket 462) – разъем для процессоров Athlon и Duron фирмы AMD. Разъем обладает 462 контактами.

Slot A – разъем для процессоров Athlon фирмы AMD.

2.3.4. Материнская плата и порты Ввода/Вывода

Главная часть системного блока – материнская плата, на которой располагаются процессор, микросхемы и другие электронные платы, организующие работу персонального компьютера

2.3.4.1. Основные компоненты материнской платы

На материнской плате размещаются следующие компоненты:

• Процессор, установленный в специальный разъем. Для охлаждения процессора на него обычно устанавливается кулер (радиатор с вентилятором);
• Микросхемы кэш-памяти второго уровня (внешней кэш-памяти). Во многих процес­сорах, например, Pentium III корпорации Intel, эти микросхемы устанавливаются на плате картриджа самого процессора;
• Разъемы (слоты) для установки модулей оперативной памяти. В настоящее время используются разъемы с 72 контактами для модулей SIMM и с 168 контактами – для модулей DIMM. В некоторых материнских платах применяются разъемы для модулей RIMM.Количество и тип разъемов на разных материнских платах может быть различным;
• Разъемы (слоты) для установки карт расширения. Как правило, на старых материн­ских платах имеются разъемы для карт стандарта ISA и PCI. Современные модели материнских плат оборудованы слотом AGP, а разъемов ISA на них уже нет;
• Микросхема перепрограммируемой памяти (EEPROM), в которой хранятся програм­мы базовой системы ввода/ввода (BIOS), начальной проверки компьютера, загрузки операционной системы, драйверы устройств, начальные установки (CMOS Setup) и т.п.;
• Разъемы для подключения жестких и гибких дисков, устройств для чтения и записи дисков CD и DVD, последовательные порты СОМ для подключения таких устройств, как мышь, модем и др., параллельные порты LPT для подключения принтера, сканера ,некоторых типов накопителей со съемными дисками и др., а также порты USB;
• Системный набор микросхем (Chipset – [чипсет]) для управления обменом данными между всеми компонентами персонального компьютера. Две основные микросхемы чипсета называются «северным мостом» и «южным мостом»;
• Аккумуляторная батарея для питания микросхемы памяти CMOS, в которой хранятся текущие настройки BIOS (CMOS Setup) и системных часов.

Дополнительно на некоторых материнских платах могут быть установлены микросхемы, выполняющие функции видеоадаптера, звуковой карты, сетевой карты и т.д. Как правило, подобные материнские платы выполнены в форм-факторе LPX или mini–LPX. Интеграция перечисленных устройств на материнской плате помогает экономить место в корпусе персонального компьютера и позволяет подключать другие устройства в освободившиеся слоты расширения.

Все компоненты материнской платы связаны друг с другом посредством шин – проводников, по которым обмениваются информацией компоненты и устройства персонального ком­пьютера. Шина (Bus) отличается от простого проводника тем, что имеет три типа линий из параллельных проводов, по числу которых определяется разрядность этих линий:

• линии данных (шина данных);
• линии адреса (шина адреса);
• линии управления (шина управления).

Кроме этого, каждая шина имеет контроллер. Контроллер шины осуществляет управле­ние процессом обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы либо интегрируется в микросхемы чипсета.

По шине данных происходит обмен данными между центральным процессором и уста­новленными в слоты памятью и картами расширения. Особую роль при этом играет так называемый режим DMA (Direct Memory Access – Прямой доступ к памяти). Управление обменом данными в этом режиме осуществляется DMA-контроллером, минуя централь­ный процессор. DMA-контроллер обычно интегрируется в одну из микросхем чипсета.

Чем выше разрядность шины данных, тем больше данных может быть передано за опре­деленный промежуток времени и тем выше производительность персонального компью­тера. Компьютеры с процессором 80286 имели 16-разрядную системную шину данных, с процессором 80386 и 80486 – 32-разрядную, а компьютеры с процессорами семейства Pentium имеют уже 64-разрядную системную шину данных.

Максимальный объем адресуемой оперативной памяти зависит от разрядности адресной шины (числа линий) и равен 2ⁿ, где n – число линий шины адреса. Компьютеры с процессором 8088 имели 20 адресных линий в систем­ной шине данных и могли адресовать память объемом лишь 1 Мб (2²⁰ = 1048 576 байт), с процессором 80286 – 24 адресные линии, а компьютеры с процессором 80486 и выше имеют уже 32-разрядную шину адреса, с помощью которой можно адресовать 4 Гб памяти.

Для того, чтобы данные были записаны/считаны в регистры устройств, подключенных к шине, необходим ряд служебных сигналов, которые переда­ются по шине управления.

Шина управления предназначена для обмена информацией между двумя и более устройствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом. Обычно шина имеет места для подключения внешних устройств, которые при подключении сами становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключенными к ней устройствами.

В персональном компьютере имеются следующие типы шин, различающиеся по своему функциональному назначению:

• системная шина (или шина центрального процессора). Часто системную шину назы­вают английской аббревиатурой FSB (Front Side Bus – шина переднего плана);
• шина AGP для подключения видеоадаптера;
• шина кэш-памяти, предназначенная для обмена информацией между централь- ным процессором и кэш-памятью;
• шина памяти, используемая для обмена информацией между оперативной памя- тью и центральным процессором;
• шины ввода/вывода (интерфейсные шины – PCI, IEEE 1394, USB).

Электрические цепи материнской платы, связывающие центральный процессор с опера­тивной и кэш-памятью, образуют системную шину компьютера. Обмен информацией по системной шине осуществляется под контролем одной из микросхем, входящих в Чипсет, которую называют «северным мостом». Системная шина является самой быстродейст­вующей. Для оценки быстродействия системной шины используется характеристика, называемая пропускной способностью. Пропускная способность шины измеряется в максимально возможном объеме информации, которую можно передать по шине за еди­ницу времени. (Мбайт/сек.). Пропускная способность шины определяется разрядностью ее линии данных и тактовой частотой, которая у современных материнских плат состав­ляет 100 МГц и выше.

Как уже отмечалось ранее, системная шина работает под управлением контроллера, ин­тегрированного в одну из микросхем чипсета («северный мост»). Этот кон­троллер в свою очередь образует обычно две интерфейсные шины: PCI (Peripheral Component Inter­connect – Шина соединения периферийных компонентов) и AGP (Accelerated Graphics Port – Ускоренный графический порт). Шина PCI предназна­чена для связи центрального процессора с наиболее быстродействующими устройст­вами компьютера, такими, как сетевые платы, дополнительные видеоадаптеры и т.д. Шина AGP была разработана спе­циально для ввода и вывода графической информа­ции непосредственно в оперативную память. Шина AGP обладает большей пропуск­ной способностью по сравнению с PCI.

К шине PCI подключен контроллер (вторая микросхема из чипсета – «южный мост»), который образует другие интерфейсные шины и управляет ими: ISA (на ста­рых материн­ских платах), USB (Universal Serial Bus – Универсальная последователь­ная шина) и IЕЕE 1394 (Insti­tute of Electrical and Electronic Engineers 1394 – Стандарт института инженеров по электротех­нике и электронике № 1394), которая также носит название FireWire («огненный провод»).Контроллер жесткого диска подключается к контроллеру «южного моста». Контрол­лер дисковода для чтения 3,5-дюймовых дискет подключается к шине ISA. Шина ISA является самой медленной интерфейсной шиной по сравнению с но­выми, бо­лее быстродействующими шинами USB и FireWire. В современных ма­теринских платах она отсутствует. С появлением шин USB и FireWire все больше подключаемых к компь­ютеру внешних устройств поддерживают новые стандарты интерфейсных шин.

2.3.4.2. Характеристики чипсетов для материнских плат

Набор микросхем материнской платы, обеспечивающий обмен данными между цен­тральнымпроцессором, оперативной памятью и периферийными устройствами, называют системным набором или чипсетом (chipset). Чипсет определяет такие функциональные возмож­ности материнской платы, как тип устанавливаемых процес­соров, тип и объем оперативной памяти и кэш-памяти второго уровня, тактовую час­тоту системной шины, поддерживаемые интерфейсные шины. На материнской плате, в зависимости от ее мо­дификации, может нахо­диться различное количество разъемов для подключения допол­нительных устройств и наращи­вания оперативной памяти. Каждая материнская плата имеет разъем для установки централь­ного процессора определен­ного типа. В современ­ных материнских платах применяются разъ­емы стандартов Slot I, Slot 2, Socket 370, Socket 478 и т.д.

Лидером в разработке и изготовлении системных наборов является корпорация Intel, по­этому прочие производители чипсетов вынуждены ориентироваться на решения In­tel и обес­печивать совместимость с ее компонентами и стандартными интерфейсами. Совре­менные сис­темные наборы включают в себя две «базовые» микросхемы – «север­ный мост» (North Bridge) и «южный мост» (South Bridge). Первая из них обычно управляет шиной оперативной памяти, шиной AGP, шиной PCI и обеспечивает взаимодействие с системной шиной процессора. Южный мост управляет интерфей­сами IDE, USB, ACPI, ШЕЕ 1294; эта микросхема включает в себя мост ISA–PCT, контроллеры клавиатуры, мыши, FDD. Сейчас появились чипсеты со встроенными ви­део- и звуковыми контроллерами. Рассмотрим характеристики наиболее распространенных системных наборов.

2.3.4.3. Чипсеты фирмы Intel

Корпорация Intel занимает ведущие позиции на рынке системных наборов мик­росхем для процессоров Pentium III, Pentium 4 и других, так как в отличие от конкурен­тов, начала разработку соответствующих микросхем параллельно с разработ­кой своих процессоров. Кратко охарактеризуем некоторые из распространенных.

Чипсет 460GX предназначен для мощных многопроцессорных серверов на базе про­цес­сора Itanium с интерфейсом РАС418. Поддерживается работа четырех процессо­ров. Отме­тим, что существуют чипсеты, которые организуют работу 32 процессоров Itanium.

Чипсет i815 проектировался как преемник популярного чипсета 440ВХ. Он поддер­жи­ва­ет процессоры Pentium III и Celeron на ядре Coppermine. Поддерживаются час­тоты сис­темной шины 66, 100 и 133 МГц. Чипсет iS 15 имел встроенное графическое ядроi752. Более поздние модификации чипсета iS 15 поддерживали процес­соры Pentium III и Celeron на ядре Tualatin, шину USB 2.0 и интерфейс АТА-100.

Чипсет (865РЕ – поддерживает процессоры Pentium 4 и Celeron с частотами шины 400/533/800 МГц, а также двухканальную память SDRAM DDR266/DDR333/DDR400. В чипсете реализована шина AGP 8х. Новый южный мост ICH5 поддерживает Serial ATA-150. Чипсет I865G отличается отi865PE наличием интегри­рованного графического ядра Intel Extreme Graphics

2.3.4.4. Чипсеты фирм ALi, SiS, Via и NVIDIA

Одним из преимуществ продукции Ali, VIA и SiS всегда являлась шина. Рассмотрим сна­чала Чипсеты для процессоров Intel Pentium 4.

Чипсет SIS648 в свое время имел высокую производительность и был реальным кон­ку­рентом связке i85OE+RDRAM (PC1066), причем плата на SiS648 с DDR400 стоила за­метно дешевле сочетания Intd+Rambus. Но этот чипсет не поддерживал техноло­гию НТ {Hyper–Threading – Многопоточность).

Чипсет SIS655FX – это чипсет с двухканальной поддержкой памяти DDR400 и процес­со­ров Pentium 4 (FSB 800 МГц) с технологией Hyper–Threading. Пропускная спо­собность чип­сета (процессор-северный/южный мост – память) 6,4 Гб/с. Южный мост, SiS964 имеет интер­фейс Serial ATA и способен обеспечить поддержкуRAID-массива.

Чипсет VIA PT880 – набор системной логики для процессоров Pentium 4. Чипсет поддер­живает частоты системной шины 400, 533 и 800 МГц.

Чипсеты SiS733, SiS735, SiS745, SiS746, SiS746FX, SiS748 предназначены для плат­фор­мы Socket А, т.е. процессо­ров фирмы AMD 7 поколения (Athlon/Duron). Чипсет NVIDIA nForce2 Ultra 400 для платформы AMD Athlon XP (Socket А) поддержи­вает двухканальную память DDR266/333/400, системную шину 400 ГГц, AGP, 4 порта USB 2.0, FireWire, ATA133, Serial ATA.

Чипсет NVIDIA nForce3 Pro предназначен для новых 64-разрядных процес­соров семей­ства Opteron от AMD. Выпу­щено несколько вариантов чипсета. Напри­мер, вариант nForce3 Pro 150 имеет 10/100 Мбит/с Ethernet и три Ultra ATA-133, под­держивает USB 2.0, АС’97 аудио, PCI, AGP 8х и RAID уровня 0, 1 и 0+1, Socket 754.

2.3.4.5. Последовательные и параллельные порты Ввода/вывода

Обычно шина предназначена для обмена информацией между несколькими уст­ройства ми, в то время как порт – только между двумя (между шиной и внешним устрой­ством). Например, шина AGP фак­тически является портом.

Для управления периферийными устройствами используется расположенный на материнской плате контроллер ввода/вывода, который подключен непосредственно к микро­схеме южного моста чип­сета. Контроллер ввода/вывода; обычно поддерживает два последовательных порта СОМ1 и COM2, порты PS2, один параллельный порт LPT и порт клавиатуры. Порт С0М1 используется обычно для подключения манипулятора «мышь», COM2 – для подключения внеш­него модема, LPT-для принтера или ска­нера. Разъемы портов ввода/вывода располо­жены на материнской плате, но обязательно выведены на зад­нюю панель корпуса ком­пьютера либо с помощью специальныхшлейфов, либо непосредственно с мате­рин­ской платы. Появление новых, более быстродействующих, стандартов интерфейсных шин USB и FireWire вытесняет старые малопроизводитель­ные порты .К шине FireWire может быть од­новременно подключено до 63 устройств, а к шине USB – до 127. Такое большое число одно­временно подключенных к компьютеру устройств с помощью шины USB объясняется ее топо­логией, которая представляет собой соеди­нение «звезда». Всего через один корневой концентратор может быть под­ключено 127 кон­центра­торов или USB-устройств. Однако, учитывая относи­тельно невысокую пропуск­ную способность шины, оптималь­ным числом следует считать 4—5 одновременно под­ключенных устройств. При этом более скоростные устройства следует под­ключать бли­же к корневому концентратору. Шина USB при­звана заме­нить порты ввода/вывода СОМ1, COM2, LPT, порт клавиатуры и т.д.

Вы познакомившись с общим устройством материнской платы современного компьютера, узнали, что производитель­ность материнской платы напрямую связана с набором мик­ро­схем (чипсетом) и частотой системной шины.