Устройство персонального компьютера

Следующая статья: Процессоры - история и их устройство

Содержание

• Общее устройство ПК
• Системный блок
• Развитие системных плат
• Базовая Система Ввода-Вывода (BIOS)
• Оперативная память CMOS
• EFI
• Некоторые образцы системных плат
• Таблица характерных размеров системных плат
• Системная плата FullSize
• Системная плата Baby AT
• Системная плата LPX (mini-IPX)
• Системная плата АТХ
• Системная плата Mini-ATX
• Системная плата NLX
• Системная плата MicroATX
• Системная плата FlexATX
• Системная плата IТХ
• Системная плата ВТХ
• Ризер-архитектуры

Общее устройство ПК

Конструктивно, персональный компьютер, чаще всего выполнены в виде центрального (системного) блока, к которому через разъемы (стыки) подключаются внешние устройства: клавиатура, дисплей, принтер и так далее.

Общий вид персонального компьютера в разобранном состоянии и его составляющие

Упрощенная блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, изображена на рисунке:

Общая структура персонального компьютера

Системный блок

Системный блок обычно состоит из: системной платы, блока питания, накопителей на дисках, разъемов для дополнительных устройств; плат расширения с контроллерами - адаптерами внешних устройств.

В зависимости от конфигурации и размеров корпуса определяются такие характеристики персонального компьютера, как возможность дальнейшего расширения, транспортировка, доступ к компонентам и так далее Типы корпусов: Slimline, Desktop, Tower (Mini-Tower, Midi-Tower, Super-Big-Tower), File Server, EasyPc и прочее.

Разновидности корпусов ПК

• а - Desktop;
• 6 - Tower;
• в - EasyPc

Развитие системных плат

Первоначальные ПК имели минимум устройств, интегрированных в системную плату (например, порт для клавиатуры). Все остальные, включая адаптер дисплея, НГМД или контроллеры жесткого диска, являлись дополнительными компонентами, подключаемыми через разъемы расширения.

Через какое-то время в системную плату было интегрировано большее количество устройств, однако многие из них - графика, сетевой интерфейс, устройства SCSI и звуковые - обычно остаются съемными. Этот процесс шел медленно, например, порты ввода-вывода и контроллеры диска еще в 1995 году часто размещались на платах расширения. Изготовители постоянно экспериментировали с различными уровнями интеграции, встраивая некоторые или даже все эти компоненты в системную плату. Однако есть очевидные препятствия - труднее модернизировать сборку, если интегрированные компоненты не могут быть удалены. Для высокоинтегрированных системных плат часто требуется нестандартный корпус, и для замены отдельного дефектного компонента может оказаться необходимой покупка новой системной платы.

Следовательно, те части системы, спецификация которых изменяется наиболее быстро, - оперативная память, центральный процессор и графика - имеют тенденцию размещаться в гнездах или слотах для облегчения замены. Точно так же обычно удаляются из основной спецификации, чтобы уменьшить затраты, компоненты, используемые не всеми пользователями, - типа сетевых интерфейсов или SCSI.

Основные изменения в форм-факторах системной платы за эти годы рассматриваются ниже. Рисунки иллюстрируют различие компонентов для двух типичных плат:

Плата ВАТ, общий вид

• Baby AT, где используется разъем Socket 7 для подключения процессора, приблизительно 1995 года;
• проект АТХ с разъемом Slot 1 для присоединения процессора Pentium II, типичный для системных плат на рынке в конце 1998 года.

Развитие системной платы заключается в значительной степени в отделении высокоскоростных компонентов от более медленных. Поскольку высокоскоростные устройства связывались более быстрыми шинами, шины малого быстродействия стали играть второстепенную роль. В конце 1990-х годов обозначилась тенденция к помещению периферийных устройств, разработанных как интегрированные чипы, непосредственно на системную плату. Первоначально этот круг ограничивался звуковыми и видеочипами, но со временем устройства, интегрированные таким образом, стали более разнообразными и включали элементы типа SCSI, локальной сети и даже контроллеры RAID. Очевидно, есть выигрыш по стоимости при этом подходе, однако отрицательная сторона этого - ограничение будущих возможностей обновления.

Плата ATX

Вид задней панели для корпусов с различными типами системных плат

• а - Baby AT;
• б - ATX;
• 1 - разъем для подсоединения шнура электропитания монитора (на АТХ-корпусах может отсутствовать);
• 2 - разъем для подключения компьютера к сети переменного тока;
• 3 - разъем для подсоединения клавиатуры PS/2;
• 4 - разъем для подсоединения клавиатуры;
• 5 - разъем для подключения мыши PS/2;
• 6- USB-порты;
• 7- последовательный порт (COM2);
• 8 - последовательный порт (СОМ1);
• 9 - параллельный порт (LPT);
• 10 - видеовыход (VGA/SVGA);
• 11 - разъем для подключения локальной сети (в соответствии с моделью компьютера);
• 12- MIDI/GAME порт (в соответствии с моделью компьютера);
• 13 - гнезда для подключения внешних аудиосистем (в соответствии с моделью компьютера)

Базовая Система Ввода-Вывода (BIOS)

Все системные платы содержат небольшой блок постоянного запоминающего устройства (ROM), который отделен от основной системной памяти, используемой для загрузки и выполнения программного обеспечения. ROM содержит BIOS персонального компьютера (Базовая Система Ввода-Вывода). Это дает два преимущества: программы и данные в ROM BIOS не должны перезагружаться каждый раз при запуске компьютера, и они не могут быть разрушены ошибками в приложениях, которые пытаются записать информацию в «неправильную» часть памяти.

Интегральные схемы BIOS (а) и CMOS (б)

BIOS играет двоякую роль: с одной стороны, это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой стороны - важный модуль любой операционной системы. Модуль BIOS реализован на микросхеме постоянной или флэш-памяти.

Перепрограммируемая базовая система ввода-вывода может быть модифицирована через гибкую дискету, чтобы гарантировать будущую совместимость с новыми чипами, добавочными платами и так далее

В современных системах требуются более объемные ППЗУ. Настройка (конфигурирование) системной платы состоит из подстройки ПК под используемый графический режим, установки рабочей тактовой частоты, указания объема имеющейся в наличии кэш-памяти, типа встроенного сопроцессора и так далее Существует семь возможных вариантов настройки, типичными из которых являются:

• Standard-CMOS-Setup (основные установки CMOS);
• Advanced-CMOS-Setup (дополнительные установки CMOS);
• Advanced-Chipset-Setup (дополнительные установки системной платы).

Базовая система ввода-вывода включает несколько отдельных подпрограмм, обслуживая различные функции. Первая часть выполняется при включении машины. Компьютер инспектируется, чтобы определить, какие аппаратные средства присоединены, и затем проводятся некоторые простые тесты, чтобы зафиксировать, что все функционирует, - процесс, называемый POST - самопроверка после включения.

Если какие-то из периферийных устройств относятся к типу «Plug-and-play», то именно в этот момент базовая система ввода-вывода назначает им ресурсы. Есть также возможность вызвать программу Setup, что позволяет пользователю сообщать ПК, какие аппаратные средства присоединены, но благодаря автоматическим базовым системам самоконфигурирования ввода-вывода это не так часто теперь используется.

Когда все тесты пройдены, ROM пытается определять, с какого устройства будет загружаться ОС машины. Обычно BIOS сначала проверяет присутствие операционной системы в накопителе на гибких магнитных дисках (А:), затем - на первичном жестком диске.

Оперативная память CMOS

Системные платы также включают отдельный блок оперативной памяти, основанный на схеме малой мощности CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor RAM), который сохраняется действующим с помощью батарей даже после отключения питания ПК и располагается в контроллере периферии. Он используется, чтобы сохранять основную информацию о конфигурации ПК: номера и тип жестких дисков и НГМД, объем памяти, какой вид и так далее Это можно вводить вручную, но современные BIOS автоконфигурирования делают многое из этой работы, и в CMOS сохраняются более важные параметры настройки типа выбора периода регенерации динамической оперативной памяти. Другие важные данные, сохраняемые в памяти CMOS, - время и дата, которые модифицируются часами реального времени (RTC - real time clock). Часы, оперативная память CMOS и батарея обычно интегрируются в единственный чип. При загрузке система считывает время с RTC, после этого процессор сохраняет время - вот почему системные часы иногда идут неверно. Перезагрузка персонального компьютера заставляет перечитать RTC, что корректирует системное время центрального процессора.

В CMOS RAM информация хранится до тех пор, пока он подключен к небольшому источнику питания. Однако CMOS RAM занимает много места на кристалле, дороже динамической памяти и поэтому используется в случаях крайней необходимости. Данный тип памяти считается энергонезависимым только потому, что постоянно подпитывается или от аккумулятора, или от батарейки.

EFI

Базовая Система Ввода-Вывода не очень изменилась за время, прошедшее от рождения персонального компьютера в 1981 году, оставаясь массивом ассемблерного кода «ручной работы», и большинство пользователей о ней знают только из сообщений, быстро пробегающих по экрану после включения ПК.

В начале 2000 года компания Intel объявила, что собирается заменить BIOS выпуском первой версии EFI (extensible firmware interface или расширяемого интерфейса встроенного программного обеспечения). Это новый стандарт для архитектуры, интерфейса и услуг марки встроенного программного обеспечения ПК, предназначенного для обеспечения хорошо специфицированного набора сервисов.

Сервисы EFI разделены на две группы: те, которые являются доступными только до загрузки ОС, или «загрузочные сервисы», и те, которые также доступны в дальнейшем, или «сервисы рабочего времени». Загрузочные сервисы обеспечивают функциональные возможности предлагаемых EFI для конфигурирования платформы, инициализации, диагностики, загрузки образа ядра ОС и другое

Сервисы EFI определены в Спецификации EFI как основные услуги и протоколы интерфейсов. Ряд протоколов интерфейсов был определен для доступа к разнообразию загрузочных устройств, которые удовлетворяют рекомендациям EFI. Другие обеспечивают сервисы для функций прикладного уровня, например распределение памяти или получение доступа к указанному интерфейсу.

Модули EFI в общем разделяются на приложения и драйверы. Драйверы соответствуют модели, определенной в EFI-специфика-ции, и используются, чтобы реализовать специфический протокол интерфейса. Во многих случаях выполнение одного протокола может использовать или расширять функциональные возможности существующего протокола, таким образом обеспечивая механизм для объектно-ориентированной обработки.

В сущности, EFI - «мини-ОС» с собственными правами, способная работать с сетями, графикой, клавиатурой и памятью.

Некоторые образцы системных плат

Размеры системной платы нормированы. Также стандартизованы и отверстия внутри платы, которые соединяют ее с дном корпуса. Поэтому говорят не о размерах, а о типоразмерах системных плат.

Существует несколько основных типоразмеров системных плат, которые представлены в таблице.

Таблица характерных размеров системных плат

Системная плата FullSize

Полноразмерная плата (FullSize) по своим габаритам соответствует системной плате IBM PC AT. Расположение разъемов клавиатуры и слотов расширения такой платы строго определены, чтобы совпадать с отверстиями в корпусе. Плата помещается только в полноразмерный корпус типа Desktop и Tower.

Системная плата Baby AT

Стандарт системных плат типоразмера Baby AT (ВАТ) появился в 1982 году На этих платах расположение разъемов клавиатуры и слотов также должно соответствовать отверстиям в корпусе. Для подключения клавиатуры используется стандартный 5-контактный DlN-разъем. Системные платы размера Baby AT могут быть установлены практически в любой корпус, за исключением корпусов с уменьшенной высотой и Slimline. Именно поэтому они получили наибольшее распространение.

Системная плата LPX (mini-IPX)

Системные платы LPX и mini-LPX обычно устанавливаются в корпусах с уменьшенной высотой или Slimline. Слоты расширения этих плат смонтированы на отдельной выносной плате (Reisercard), которая устанавливается в слот системной платы перпендикулярно ей. Карты расширения устанавливаются в выносную плату таким образом, что их плоскость становится параллельной системной плате - это позволяет уменьшить высоту корпуса PC. Все разъемы установлены на задней панели системной платы LPX. Обычно это разъемы для подключения монитора, параллельный порт, два последовательных порта и разъемы типа mini-DIN для клавиатуры и мыши стандарта PS/2. Все разъемы смонтированы непосредственно на системной плате.

Схематическая топология некоторых системных плат

• а - Baby AT;
• б - LPX;
• в - АТХ;
• г - NLX;
• д - Micro ATX;
• е - чипсет;
• 1 - передняя панель;
• 2 - задняя панель;
• 3 - центральный процессор;
• 4 - разъемы памяти;
• 5 - разъемы периферийных устройств (ATA/ISA);
• 6 - питание;
• 7 - разъемы шин и интерфейсов (ISA/PCI), ризер-карты (для Flex АТХ);
• 8 - подключение устройств ввода-вывода (мышь, клавиатура, аудио, видео, сеть и прочее );
• 9- разъем AGP;
• 10 - вертикальная монтажная стойка (ризер-плата);
• 11 - микросхемы графики

Системная плата АТХ

В 1995 года корпорация Intel анонсировала новую спецификацию АТХ для форм-фактора системной платы и корпуса PC. Плата спецификации АТХ сочетает в себе наилучшие черты стандартов Baby-AT и LPX, кроме того, в ней заложены многие дополнительные усовершенствования.

В дальнейшем Intel полностью перешла на производство системных плат спецификации АТХ. Ряд других поставщиков системных плат, например ASUSTek, также наладили выпуск системных плат АТХ.

Системная плата Mini-ATX

Mini-ATX - просто меньшая версия полноразмерной АТХплаты. На обеих параллельный и последовательный порты, PS/2 клавиатура и порты мыши расположены на задней панели ввода-вывода двойной высоты. Размещение непосредственно на плате отменяет потребность в кабеле к портам ввода-вывода. Последствие этого, однако, - то, что АТХ нуждается в специально спроектированном корпусе, с правильно расположенными отверстиями для портов, и ни платы АТХ, ни Mini-ATX не могут использоваться в корпусах AT.

Системная плата NLX

В начале 1997 года корпорацией Intel был предложен стандарт NLX, регламентирующий:

• новые физические и функциональные параметры блока питания;
• требования к режимам охлаждения и условиям соединения отдельных компонентов ПК между собой;
• систему крепления системной платы;
• разбиение платы на зоны, в пределах которых располагаются электронные компоненты, имеющие определенную высоту и служащие для реализации тех или иных функций.

Стандарт NLX явился дальнейшим развитием стандарта АТХ. Согласно стандарту NLX в ПК устанавливается так называемая ризер-карта (riser card), напоминающая плату адаптера, вставляемую в системную плату в корпусе типа Slimline. Как и плата адаптера Slimline, ризер-карта имеет стандартные слоты PCI и ISA, в которые устанавливаются все необходимые карты расширения.

Основное отличие ризер-карты NLX от адаптера Slimline состоит в том, что системная плата также устанавливается в специальный слот, называемый NLX Riser Connector. Этот разъем содержит не только информационную шину, но и шину питания. Таким образом, после установки системная плата автоматически оказывается подключенной к шине питания.

Кроме того, на ризер-карте располагаются различные разъемы, которые ранее располагались на системной плате, - IDE, FDD, USB, блок питания и другое.

Ризер-карта является фактически кросс-платой, через которую происходит коммутация всех модулей системного блока между собой, а также подача питания на них. На системной плате NLX располагаются гнезда ЦП, слоты для модулей памяти, чипсет, микросхемы BIOS и кэш-памяти.

Все внешние разъемы (LPT, СОМ, Audio и другое ) в соответствии с новым стандартом смещены к краю системной платы. Данное технологическое решение обеспечивает необходимую гибкость при установке одной и той же системной платы в разные корпуса как типа Desktop, так и Mini-Tower.

Стандарт NLX практически превращает ПК в устройство, состоящее из двух элементов: системной платы и корпуса со стандартными разъемами для связи с внешними устройствами.

Системная плата MicroATX

Представленный в конце 1990-х годов стандарт micro-АТХ - в основном меньшая версия АТХ спецификации Intel, предназначенная для компактных и дешевых систем потребителя с ограниченными потребностями в расширении системы.

Максимальный размер платы - квадрат со стороной 9.6', и она разработана, чтобы вписаться или в корпус стандарта АТХ, или в один из новых проектов настольного корпуса Microtower. Панель ввода-вывода аналогична проекту АТХ, но есть только условия для размещения не более четырех слотов расширения (АТХ позволяет семь). MicroATX также позволяет использование малогабаритного источника электропитания.

Системная плата FlexATX

FlexATX - естественное развитие MicroATX, который был первоначально выпущен в конце 1999 года Стандарт FlexATX дополнительно к спецификации MicroATX выражает только требования к системной плате, а не полное системное решение, не детализирует интерфейсы, память или графические технологии. Эти требования переадресованы к дизайнерам и системным проектировщикам. Выбор процессора, однако, ограничен разъемами формата «гнездо» (Socket).

Основное различие между FlexATX и microATX - в том, что новый форм-фактор уменьшает размер системной платы до 9 х 7.5'. Это приводит к снижению полных системных затрат, а также облегчает проектирование малогабаритных систем. FlexATX форм-фактор обладает обратной совместимостью со спецификациями АТХ и microATX - использование тех же самых установочных отверстий системной платы.

Системная плата IТХ

Весной 2000 года VIA Technologies объявила о выпуске системной платы еще меньшего размера, чем FlexATX. Размеры платы IТХ 8.5 х 7.5', что на полтора дюйма меньше по ширине, чем у конкурента - Intel. Ключевое новшество, которое позволяет IТХ достигать такой компактной формы, - специально спроектированный блок питания со встроенным вентилятором. Его размеры (глубина х ширина х высота) 174 х 73 х 55 миллиметров (ср. со стандартом АТХ, где размеры блока питания 140 х 150 х 86 миллиметров).

Системная плата ВТХ

Intel предложила в конце 2004 года проект платы Balanced Technology Extended (сбалансированная расширенная технология), предназначенной для замены традиционных плат. Форм-фактор ВТХ является масштабируемым и допускает широкий спектр систем различных размеров и назначений, позволяя заменить единой спецификацией платы АТХ, microATX и FlexATX. Внутренние компоненты могут быть размещены на плате таким образом, что ЦП и другие тепловыделяющие схемы могут охлаждаться единственным воздушным потоком. Этот поток создается универсальным охладителем, который именуется «Thermal Module».

Ризер-архитектуры

Конструкция платы NLX является примером ризер-архитектур, потребность в которых возникла в конце 1990-х годов и которые способствуют уменьшению полных системных затрат и в то же самое время увеличивают гибкость процесса производства системы. Первым примером была спецификация AMR (Audio/Modem Riser или аудиомодемная ризер-карта), представленная летом 1998 года AMR поддерживала как звуковые, так и модемные функции, однако имела некоторые недостатки, которые были идентифицированы после выпуска спецификации. Это были трудности поддержки устройств Plug-and-Play (PnP, Р&Р), а также тот факт, что ризер-карта занимала один слот PCI.

Формат ризер-карты AMR (а), карты ACR (б)

Затем были определены новые спецификации ризер-архитектуры, которые комбинируют большее количество функций на единственной плате: это аудиоадаптер, модем, широкополосные технологии и интерфейсы локальной сети. Две самые современные спецификации ризер-архитектуры включают конкурирующие CNR и ACR.

Предложенная Intel спецификация CNR (Communication and Networking Riser) определяет аппаратную масштабируемую ризер-карту системной платы и интерфейс, которая поддерживает аудио, модем и локальную сеть в основных наборах микросхем.

Интеграция на системной плате аудио, модема и подсистем локальной сети также проблематична, поскольку увеличиваются шумовые наводки, от которых, в свою очередь, деградирует работа каждой системы. CNR решает эти проблемы, физически отделяя эти чувствительные к наводкам системы от «шумной» среды системной платы.

Спецификация CNR предполагает наличие пяти интерфейсов:

• интерфейс АС97. Поддерживает звуковые и модемные функции на CNR-плате;
• локальная сеть (LAN Connect Interface - LCI). Обеспечивает 10/100 локальную сеть или домашнюю телефонную сеть на основе набора микросхем Intel;
• независимый от среды интерфейс (МII - Media Independent Interface). Обеспечивает 10/100 локальную сеть или домашнюю телефонную сеть на основе сетевых возможностей CNR платформ, использующих интерфейс МП;
• универсальная последовательная шина (USB);
• шина сопровождения системы (System Management Bus - SMBus). Обеспечивает функциональными возможностями Plug-and-Play (РnР) плату CNR.

Каждая плата CNR может использовать максимально четыре интерфейса (путем выбора типа локальной сети).

Конкурирующая спецификация ACR поддерживается содружеством ведущих компаний в области вычислительных средств и связи, включая 3COM, AMD, VIA Technologies и Lucent Technologies. Подобно CNR, спецификация определяет форм-фактор интерфейсы для множества подсистем связи и звуковых проектов в настольных персональных компьютерах.

Интерфейс ACR комбинирует несколько существующих шин связи и добавляет новые и прогрессивные шины связи, отвечая на спрос промышленности на дешевые, высокоэффективные периферийные устройства связи. ACR поддерживает модем, аудио, локальную сеть и xDSL. Зарезервированы контакты для поддержки будущих беспроводных шин. Подобно AMR, спецификация ACR была предназначена, чтобы занять или заменить существующий РСI-слот. Это фактически уменьшает число доступных PCI-слотов на один независимо от того, используется ACR-соединитель или нет. Хотя это может быть приемлемо в системных платах больших размеров (АТХ), потеря PCI-соединителя в системной плате microATX или FlexATX, где обычно предусматривают только два слота расширения, может оказаться недопустимой для пользователя. CNR-специ-фикация преодолевает эту проблему, осуществляя стратегию совмещенного разъема подобно совмещенным слотам ISA/PCI. В этом случае соединители CNR и РСI эффективно используют одно и то же пространство устройств ввода-вывода.

Видео: «Водяной попрыгун»

Люди не птицы, но при помощи воды летают как птицы, а также могут плавать и зависать в воздухе.