Рассмотрим более подробно основные компоненты системного блока.

Часть компонентов системного блока конструктивно располагается на системной или материнской плате (motherboard или mainboard). Плата представляет собой конструктивный узел, на котором размещаются микросхемы устройств, и обеспечивается их необходимое электрическое соединение между собой. Системная плата имеет разъемы для электрического соединения с другими платами компьютера. Таким образом, системная плата является важнейшим конструктивным узлом системного блока, связывающим основные его компоненты и обеспечивающим их взаимодействие. От основных характеристик элементов, установленных на системной плате, зависят производительность персонального компьютера и его функциональные возможности. Системная плата является комплектующим изделием, т. е. производится и поставляется различными фирмами, которые при ее разработке ориентируются на определенный вид микропроцессора. Среди наиболее крупных производителей системных плат в настоящее время можно выделить компании Intel (Integrated Electronics, США), SiS (Silicon Integrated Systems Corporation, США) и VIA Technologies (Тайвань).

На системной плате устанавливаются: микропроцессор, набор микросхем системной логики, модули (устройства) постоянной и оперативной памяти, разъемы для установки и подключения микропроцессора, модулей памяти, внешних запоминающих устройств, источника питания и т. д., кроме того, на материнской плате имеется система шин, обеспечивающая обмен информацией между элементами установленных на системную плату. На рис. 5.3 приведен внешний вид одной из моделей (Intel 845GE) системной платы фирмы Intel.

Рис. 5.3. Внешний вид системной платы фирмы Intel (Intel 845GE)

В настоящее время общепризнанным лидером по разработке и производству системных плат является компания Intel, поэтому терминология, связанная с этими изделиями, является англоязычной. Для правильной оценки конкретной продукции этой компании желательно знать эту терминологию. На рис. 5.4 приведена упрощенная функциональная схема системной платы современного персонального компьютера с обозначенем отдельных ее элементов на английском языке:

Рис. 5.4. Функциональная схема системной платы персонального компьютера

• CPU (Central Processing Unit)   – микропроцессор (МП);

• Host Bus – шина микропроцессора;

• Chipset – набор микросхем, установленных на системной плате для обеспечения обмена данными между CPU и периферийными устройствами. Chipset определяет функциональные возможности материнской платы: тип и объем оперативной и кэш-памяти, тактовую частоту системной шины, поддерживаемые шины и т. д.;

• NORTH BRIDGE (северный мост)   – микросхема системного контроллера, или Memory Controller Hub (центр управления памятью);

• SOUTH BRIDGE (южный мост)   – микросхема контроллера ввода-вывода или I/O Controller Hub (центр управления вводом-выводом);

• Main Memory – микросхемы главной (оперативной) памяти, которые в данном случае представляют собой микросхемы быстродействующей динамической памяти с произвольным доступом RDRAM (Rambus Dynamic Random Access Memory);

• Direct RDRAM Interface – интерфейс прямого доступа к памяти;

• Graphics Controller – контроллер управления графическими устройствами;

• PCI Bus (Peripheral Component Interconnect Bus)   – системная шина, предназначенная для обмена информацией между микропроцессором и другими (внешними) устройствами;

• PCI Slots – разъемы для подключения внешних устройств;

• IDE (Integrated Device Electronics) Ports – порты (разъемы) для подключения внешних накопителей информации;

• USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) Ports – порты (разъемы) для подключения низкоскоростных внешних устройств;

• Hub Interface – интерфейс обмена информацией между микросхемами системного контроллера и контроллера ввода-вывода, входящих в состав чипсета;

• Flash BIOS (Basic Input Output System)   – микросхема постоянной памяти, представляет собой энергонезависимую память с возможностью перезаписи информации непосредственно на системной плате;

• LAN (local Area Network) Connect – разъем для подключения к локальной сети;

• Keyboard – клавиатура;

• FD (Floppy Disk)   – накопитель на гибких магнитных дисках;

• Mouse – мышь.

Рассмотрим основные элементы системной платы.

Микропроцессор (МП)   – важнейшее устройство персонального компьютера, отвечающего за процессы управления и выполнения арифметических и логических операций над данными представляет собой функционально законченное программно-управляемое устройство. Современные микропроцессоры реализованы на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). От основныхарактеристик МП в значительной степени зависит эффективность использования персонального компьютера в целом.

Своим происхождением слово «микропроцессор» обязано микроэлектронной технике и технике автоматического регулирования и управления процессами. В России наибольшее распространение получили МП двух компаний – Intel и AMD (Advanced Micro Devices). В процессе развития МП компании Intel сменилось несколько поколений, которые можно рассматривать как семейство микропроцессоров Intel. Каждое поколение МП характеризуется соответствующим уровнем схемотехнических и технологических решений, положенных в основу их производства. Эти решения определяли и определяют основные характеристики МП. В табл. 5.2 приведены поколения МП Intel и некоторые ихарактеристики.

Таблица 5.2

Деление МП на поколения, приведенное в табл. 5.2, условно. МП третьего поколения Intel 8080 были выбраны компанией IBM для установки в свой первый персональный компьютер IBM PC/XT (XT-eXTra), выпущенный в 1981 г., а МП Intel 80286 был установлен на персональных компьютерах IBM PC/AT (Advanced Technology – передовая технология). В дальнейшем компания IBMстала использовать тип МП в названии персонального компьютера. Например, компьютер, в котором применялся МП Intel Pentium, стал называться Pentium. Наряду с производством МП Pentium //компания Intel освоила производство МП под названием Celeron (упрощенный вариант Pentium). Современные модели МП Celeron по своим основным характеристикам немногим уступают моделям МП Pentium. Более подробно об отличительных особенностях поколений МП семейства Intel можно прочесть в соответствующей литературе [1, 5]. Наряду с компанией Intel российский компьютерный рынок освоила и компания AMD, которая выпускает МП под названием ATHLON и DURON. Данные МП по своим характеристикам в основном соответствуют МП компании Intel.

Современный МП является сложным электронным устройством, которое включает в себя следующие основные компоненты: арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления и синхронизации (УУ), регистры общего назначения (РОН) и внутреннюю кэш-память, внутреннюю шину. О назначении АЛУ и УУ говорилось ранее. РОН предназначены для временного хранения операндов исполняемой команды и результатов вычислений. Внутренняя кэш-память (от англ. cache – запас) применяется для ускорения доступа к информации, размещенной в оперативной памяти (ОП) компьютера. Так как быстродействие ОП ниже, чем МП, то между ними устанавливают промежуточную (буферную память), называемую кэш-памятью. Кэш-память МП – сверхбыстродействующее запоминающее устройство, в которое записывается та часть информации из ОП, с которой МП работает в данный момент. В персональных компьютерах используется в основном двухуровневая кэш-память: первый уровень, обозначаемый L1, реализован непосредственно в самом МП и имеет информационный объем от единиц до десятков килобайт; второй уровень L2 реализован в виде микросхемы и устанавливается на системную плату. Информационный объем кэш-памяти второго уровня может составлять от сотен до тысяч килобайт. Объем кэш-памяти зависит от конкретного типа МП и может иметь информационный объем до нескольких Мегабайт. Время доступа к информации в таких запоминающих устройствах варьируется от единиц до десятков наносекунд (не).

Устройства, входящие в МП, в соответствии с определенными принципами организуются в систему, называемую архитектурой. Архитектура МП зависит от системы команд, применяемой в МП, под которой понимается совокупность всех возможных команд, которые может выполнить МП над данными.

В современных ПК применяются МП двух основных архитектур:

• CISC (Complex Instruction Set Computer)   – процессор с полной системой команд;

• RISC (Reduced Instruction Set Computer)   – процессор с сокращенным набором команд.

Каждая из этих архитектур имеет свои особенности. CISC-процессоры имеют большой набор микрокоманд (в среднем до 400 в зависимости от конкретного типа МП), но при этом усложняется устройство управления МП и увеличивается время исполнения команд на микропрограммном уровне. RISC-процессоры имеют ограниченный набор микрокоманд (в среднем до 100), что упрощает устройство управления МП, и сокращают время выполнения команд. Однако для реализации некоторых действий в RISC-процессорах требуется большее число микрокоманд, чем в CISC-процессорах. Таким образом, считается, что CISC-процессоры являются более универсальными, но менее быстродействующими по сравнению с RISC-процессорами. МП компании Intel, устанавливаемые в ПК фирмы IBM, имеют архитектуру CISC, в которой используются некоторые особенности, характерные для архитектуры RISC-процессоров.

К характеристикам МП относятся:

• разрядность МП, которая определяет число двоичных разрядов (бит), одновременно обрабатываемых при выполнении одной команды. МП Pentium IV имеют 64 разрядную шину данных;

• тактовая частота МП, определяющая количество элементарных операций, выполняемых МП в секунду. Некоторые модели МП Pentium IV, используемые в настоящее время в ПК, имеют тактовую частоту до 4 ГГц;

• частота переключения шины МП (Host Bus, см. рис. 5.4), которая определяет ее пропускную способность. Например, если частота переключения составляет 800 МГц, то пропускная способность шины при ее разрядности 64 бит приблизительно составит 64 · 800 = 6 Гбайт/с;

• информационный объем кэш-памяти уровней L1 и L2;

• напряжение питания (В);

• рассеиваемая электрическая мощность (Вт) и т. д.

В качестве примера рассмотрим следующую широко практикуемую запись обозначения МП в прайс-листах торгующих организаций:

CPU Intel Pentium 4 661 3.6 ГГц/ 2Мб/ 800МГц BOX 775-LGA.

Представим данную запись в развернутом виде:

CPU – МП;

Intel – компания производитель МП;

Pentium 4 661 – модель МП;

3.6 ГГц – тактовая частота МП;

2 Мб – информационный объем кэш-памяти в мегабайтах уровня L2 (2048 Кбайт), уровень L1 для данного МП составляет 16 Кбайт;

800МГц – частота переключения шины МП;

BOX 775-LGA – тип корпуса и разъема (socket) МП.

Наряду с МП на системной плате присутствует набор микросхем системной логики, обеспечивающий логическую организацию работы МП, памяти и устройств ввода-вывода, который называется чипсет (англ. chipset – chip – микросхема, set – набор). В данный набор входят: системный контроллер, называемый NORTH BRIDGE, или центр управления памятью, и системный контроллер ввода-вывода – SOUTH BRIDGE, или центр управления вводом-выводом. Современные чипсеты выполняют функции следующих устройств компьютера: контроллера оперативной памяти; контроллера кэш-памяти; контроллера прямого доступа к памяти (DMA); контроллера прерываний; моста шины PCI; контроллера интерфейса IDE и USB; контроллера клавиатуры и т. д. Производителями микросхем системной логики являются компании Intel (IntegratedElectronics, США), AMD (AdvancedMicro Devices), SiS (Silicon Integrated Systems Corporation, США), VIA Technologies (Тайвань) и т. д.

Важнейшими элементами системной платы являются устройства ОП и ПП, которые называются также устройствами основной памяти компьютера. ОП, или как ее еще называют в англоязычной технической литературе – RAM (Random Access Memory), предназначена для хранения исполняемых программ и данных. ОП обеспечивает хранение информации лишь в течение сеанса работы компьютера, и после его выключения информация безвозвратно теряется. ОП представляет собой набор микросхем, устанавливаемых на системную плату. Существует два вида ОП, отличающиеся друг от друга техническими характеристиками: динамическая ОП (DRAM – Dynamic RAM) и статическая ОП (Static RAM). Динамическая и статическая ОП имеют свои недостатки и преимущества, однако в ПК в качестве ОП в настоящее время используется в основном динамическая ОП. Более подробно о физических принципах построения динамической и статической ОП и их конструктивных особенностях можно прочесть в соответствующей литературе [1,2,4,5]. К основным характеристикам ОП можно отнести:

• информационный объем (в ПК может достигать единиц гигабайт, в среднем 512 Мбайт);

• время доступа к данным составляет несколько десятков наносекунд (в среднем 70 не).

ПП, или ROM (Read Only Memory), предназначена для хранения постоянной, т. е. неизменяемой, информации и доступна лишь для чтения программ и данных, записанных при изготовлении компьютера. После выключения компьютера информация в ПП сохраняется, т. е. данная память является энергонезависимой. В ПП хранится системная информация: программа начальной загрузки компьютера, программы тестирования устройств компьютера и т. д. Программа начальной загрузки является частью операционной системы и носит название базовой системы ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System). ПП представляет собой микросхему, которая может быть однократно программируемой (ПЗУ – постоянное запоминающее устройство) или многократно программируемой (ППЗУ – перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство). В настоящее время в ПК используются в основном ППЗУ. Например, на рис. 5.4 ППЗУ обозначено как Flash BIOS.

Для обмена информацией между компонентами ПК используется системная магистраль, которая включает в себя два типа шин: локальную и системную. Под шинами понимается совокупность проводных каналов связей (электрических линий), конструктивно располагающихся на системной плате. В ПК тип используемых шин определяется системной платой.

В качестве локальных шин используются шины, непосредственно подключенные к МП, т. е. это шина МП (Host Bus, см. рис. 5.4), шина для подключения видеоконтроллера, управляющего монитором, шина для подключения внешних накопителей, шина для подключения средне– и низкоскоростных внешних устройств и т. д.

Посредством локальной шины МП происходит обмен информацией между МП и чипсетом с высокой скоростью. Данная локальная шина работает на частоте несколько сотен мегагерц.

Локальная шина для подключения видеоконтроллера, которая в ПК называется также AGP (Advanced Graphic Port), позволяет организовать непосредственную связь между видеоконтроллером и ОП, что значительно повышает скорость обмена видеоданными между ними за счет устранения задержек при обращении к ОП. Эта шина является 32-разрядной и работает на частоте 66 МГц.

В качестве шин для подключения внешних накопителей информации могут использоваться шины на основе разных стандартов, однако наиболее широко используются в ПК шины IDE (Integrated Device Electronics) или ее модификация EIDE (Enhanced IDE), а также шина SCSI (Small Computer System Interface).

Шина для подключения средне– и низкоскоростных внешних устройств носит название USB (Universal Serial Bus), в настоящее время широко используется шина USB версии интерфейса 2.0. Скорость передачи данных по данной шине достигает 480 Мбит/с.

Системная, или общая, шина предназначена для обеспечения обмена информацией между внешними устройствами и МП. Системная шина состоит из трех отдельных шин: шины адреса, шины данных и шины управления. Каждая из этих шин характеризуется своей разрядностью, т. е. числом параллельных проводников для передачи информации, и тактовой частотой, т. е. частотой, на которой работает контроллер шины при формировании циклов передачи информации.

Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Разрядность шины адреса определяет максимальное число ячеек памяти, к которым может обратиться МП.

Шина данных обеспечивает передачу команд и данных. Разрядность данной шины во многом определяет пропускную способность системной шины и производительность ПК.

Шина управления предназначена для управления системной шиной, т. е. обеспечивает ее работу. Разрядность данной шины определяется алгоритмом ее работы, который задается контроллером шины.

В качестве системной шины в настоящее время в ПК преимущественно используется шина PCI (Peripheral Component Interconnect Bus – взаимосвязь периферийных компонентов). Шина PC/была разработана компанией Intel в 1992 г. Шина данных PCI может быть 32– или 64-разрядной, тактовая частота контроллера этой шины соответственно равна 33 или 66 МГц. Шина адреса имеет 32 разряда. До системной шины РС/в ПК использовались системные шины ISA (Industry Standard Architecture), EISA (Extended Industry Standard Architecture), MCA (Micro Channel Architecture), VIB (VESA EocalBus), разработанная в 1992 г. ассоциацией стандартов видеооборудования VESA (Video Electronics Standards Association). Более подробно об этих системных шинах можно прочесть в соответствующей литературе [1,5].

Кроме системной платы, как уже отмечалось, в системный блок устанавливаются накопители информации на гибких (НГМД), жестких (НЖМД) и оптических дисках (НОД), накопитель на магнитной ленте (НМЛ), сетевой адаптер (СА), модем (встроенный), блок питания (БП) и устройства охлаждения (УО).

Накопители информации НГМД, НЖМД, НОД, НМЛ и т. д. достаточно подробно описаны в гл. 6.

Сетевой адаптер, или сетевая карта, устанавливается в ПК в том случае, если его необходимо подключить к компьютерной сети, т. е. совокупности компьютеров, между которыми осуществляется обмен информацией по высокоскоростным каналам связи: радиоканалам, оптоволоконным, кабельным и т. д. Сетевая карта имеет свой уникальный адрес, который однозначно определяет адрес ПК в сети. Данные, необходимые для передачи с одного компьютера на другой, сетевая карта формирует в специальные пакеты и пересылает их адресату – другой сетевой карте, установленной в другом компьютере сети. Данные поступают к сетевой карте по системной магистрали ПК. Скорость передачи данных по сети через сетевые карты составляет от 10 до 100 Мбит/с. Крупными производителями сетевых карт и сетевого оборудования являются компании Intel, Linksys, ZyXEL, Eline и т. д.

Модем (модулятор – демодулятор) представляет собой устройство для передачи данных в цифровом виде по аналоговым линиям связи, предназначенное для подключения ПК к глобальной сети Internet (Интернет) по обычной телефонной или специальной линии. Модемы подразделяются на аналоговые и цифровые, встроенные в системный блок и внешние. Цифровые данные, поступающие в аналоговый модем из ПК, преобразуются в нем с помощью модулятора в непрерывный аналоговый сигнал и передаются по телефонной или специальной линии адресату. Демодулятор осуществляет обратное преобразование сигнала (демодуляцию), т. е. преобразует аналоговый сигнал в цифровой сигнал, и передает восстановленные цифровые данные в ПК. Скорость передачи данных из сети и в сеть Интернет у аналоговых модемов невелика и составляет в зависимости от поддерживаемого модемом протокола передачи данных 33,6 или 56,6 Кбит/с. Цифровые модемы используют более совершенные технологии передачи цифровых данных (например, технологии xDSI), но стоят пока существенно дороже аналоговых. Скорость передачи данных в таких модемах может достигать 8 Мбит/с.

Внутренние модемы конструктивно выполнены в виде платы, на которой размещены радиоэлектронные компоненты. Устанавливаются такие модемы в системный блок и подключаются к системной магистрали ПК через разъем (слот) на материнской плате. К разъему вход-выход самого модема подключается телефонная или специальная линия.

Внешние по отношению к системному блоку модемы конструктивно выполнены в виде функционально законченных устройств. Подключается модем через соответствующий порт (указывается в техническом описании на внешний модем) системного блока ПК.