Внутренние устройства системного блока

1. Лекции 8

Внутренние устройства
системного блока.
1

2.

Материнская плата —
это сложная многослойная
печатная плата, к которой
подключаются остальные
компоненты компьютера.
Материнская плата
покрыта сетью медных
проводников-дорожек, по
ним электропитание и
данные поступают к
смонтированным на плате
микросхемам и слотам, в
которые вставляются
остальные устройства
компьютера. Материнская
плата — печатная плата,
на которой монтируется
чипсет и прочие
компоненты
компьютерной системы.
2

3.

Форм-фактор материнской платы — стандарт, определяющий
размеры материнской платы для персонального компьютера, места её
крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов
ввода/вывода, разъёма центрального процессора (если он есть) и
слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения
блока питания.
Форм-фактор
(как
и
любые
другие
стандарты)
носит
рекомендательный характер. Спецификация форм-фактора определяет
обязательные и опциональные компоненты. Однако подавляющее
большинство производителей предпочитают соблюдать спецификацию,
поскольку ценой соответствия существующим стандартам является
совместимость
материнской
платы
и
стандартизированного
оборудования (периферии, карт расширения) других производителей.
3

4. Состав системного блока ПК:

1. Материнская плата - основная плата ПК:
4
Оперативная память,
Микросхемы ПЗУ и система BIOS,
Шины и разъемы,
Процессор,
Микропроцессорный комплект (чипсет);
2.
3.
4.
5.
Жесткий диск;
Внешние носители памяти;
Видеокарта (видеоадаптер);
Звуковая карта.

5.

5

6. Материнская плата. Оперативная память

Оперативная память
(RAM - Random Access
Memory) - это массив
кристаллических ячеек,
способных хранить
данные.
С точки зрения
физического принципа
действия различают:
•динамическую память
(Dynamic RAM - DRAM);
6
•статическую память
(Static RAM).

7. Оперативная память: DRAM

Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде
микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих
обкладках. Это наиболее распространенный тип памяти.
(+) Наиболее экономически доступный тип памяти.
(-) 1. Невысокое быстродействие (при заряде и разряде
конденсаторов неизбежны переходные процессы, т.е. запись
данных происходит сравнительно медленно).
2. Необходимость регенерации ячеек ОП. Заряды ячеек
имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма
быстро. Поэтому необходима постоянная регенерация
(подзарядка) ячеек ОП, которая осуществляется несколько
десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход
ресурсов ВС .
Применение: в качестве основной оперативной памяти ПК.
Сегодня наиболее распространена синхронизированная DRAM –
SDRAM: DDR I, II, III, IV – Dual Data Rate SDRAM.
7

8. Оперативная память: SRAM

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить
как электронные микроэлементы - триггеры, состоящие
из нескольких транзисторов.
В триггере хранится не заряд, а состояние
(включен/выключен).
(+) Статическая память обеспечивает более высокое
быстродействие по сравнению с DRAM.
(-) Технологически статическая память сложнее и,
соответственно, дороже.
Применение: в качестве вспомогательной памяти (так
называемой кэш-памяти), предназначенной для
оптимизации работы процессора.
8

9. Оперативная память: конструкция

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных
панельках (модулях). Модули оперативной памяти вставляют в
соответствующие разъемы на материнской плате.
Конструктивно модули памяти имеют два исполнения:
• однорядные SIMM-модули (Single In-line Memory Module);
• двухрядные DIMM-модули (Dual In-line Memory Module).
На компьютерах с процессорами Pentium однорядные модули
можно применять только парами (количество разъемов для их
установки на материнской плате всегда четное), а DIММ-модули
можно устанавливать по одному. Многие модели материнских плат
имели разъемы как того, так и другого типа, но комбинировать на
одной плате модули разных типов нельзя.
Модули памяти DDR выпускаются только в форм-факторе DIMM.
9

10. Материнская плата. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию,
даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ,
называют «зашитыми» — их записывают туда на этапе изготовления
микросхемы.
Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую
систему ввода-вывода (BIOS — Basic Input Output System).
BIOS позволяет проверить состав и работоспособность ПК и
обеспечить взаимодействие с внешними устройствами. Программы,
входящие в BIOS, при запуске компьютера выдают на экран
диагностические сообщения, а также позволяют вмешиваться в ход
запуска с помощью клавиатуры. Современная BIOS
перезаписываемая.
10

11.

В неё зашита программа
начальной загрузки
компьютера и конфигурация
компьютера.
При включении питания
компьютера, BIOS дает
сигнал устройствам, которые
подключены к материнской
плате, и проверяет их
работоспособность.
Если всё нормально, то
компьютер готов к загрузке
информации на носители,
такие, например, как
«жёсткий» диск.
После этого управление
компьютером автоматически
передается операционной
системе.
11
Таким образом, микросхема BIOS является
загрузчиком операционной системы
компьютера.

12. На системной плате расположена батарейка BIOS.

12
Она служит для постоянного питания микросхемы BIOS, в
которой и хранится программа начальной загрузки и
конфигурация компьютера.

13.

Материнская плата. Шины
13

14. Материнская плата. Шины

• Шины расширений:
1. ISA (Industry Standard Architecture – архитектура промышленного
стандарта) – 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина
адреса, рабочая частота 16 МГц, но может использоваться МП с
тактовой частотой 50 МГц.
Количество линий аппаратных прерываний - 15. Адресное
пространство 16 МБ. Пропускная способность ШД 4-5 МБ/с.
2. EISA (Extended ISA) – 32-разрядная шина данных и шина адреса.
Адресное пространство – 4 Гбайт, скорость обмена между МП,
кэшем и ОП определяется параметрами микросхем памяти,
увеличено число разъемов расширений (до 10-15 устройств).
3. MCA (Micro Channel Architecture), IBM в 1987 г. Пропускная
способность шины 76 Мбайт/c, рабочая частота 10–20 МГц. Шина
MCA уже не используется.
14

15. Материнская плата. Шины

15
• Локальные шины:
1. VLB (VESA Local Bus) является расширением внутренней шины
МП для связи с видеоадаптером и (реже) с винчестером, платами
мультимедиа, сетевым адаптером.
Разрядность – 32 и 64 бита. Реальная скорость передачи данных
– 80 Мбайт/с.
2. PCI (Peripheral Component Interconnect – соединение внешних
устройств) разработана в 1993 г. фирмой Intel.
Шина PCI имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на
работу с любым МП, к ней можно подключать 10 устройств
различной конфигурации с возможностью автоматического
конфигурирования.
Разрядность PCI – 32 и 64 бита, теоретическая пропускная
способность – 132 Мбайт/с, а в 64-битовом варианте – 263
Мбайт/с.
3. AGP (Accelerated Graphic Port) – специализированная
32-разрядная системная шина для видеокарты.
4. PCI-Express – современная версия шины PCI, имеющая
пропускную способность от 2 до 512 Гбайт в зависимости от
поколения и количества связей.

16. Материнская плата. Шины

• ATA (Advanced Technology Attachment) параллельный интерфейс подключения накопителей (жёстких
дисков и оптических дисководов) к компьютеру (IDE, EIDE, PATA).
Пропускная способность – до 150 МБ/с.
• SATA (Serial ATA) - последовательный интерфейс обмена данными
с накопителями информации. SATA является развитием
параллельного интерфейса ATA (IDE). Пропускная способность
SATA Revision 3.0 - до 6 Гбит/с.
• USB (Universal Serial Bus - «универсальная последовательная
шина») - последовательный интерфейс передачи данных для
среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств.
USB 3.0 имеет пропускную способность до 5 Гбит/с.
Для подключения периферийных устройств к шине USB используется
четырёхпроводной кабель, при этом два провода (витая пара)
используются для приёма и передачи данных, а два провода - для
питания периферийного устройства (ПУ).
16

17. Материнская плата. Процессор

17
Процессор - основная микросхема
компьютера, в которой выполняются
все вычисления. Конструктивно
процессор состоит из ячеек (регистров),
похожих на ячейки оперативной
памяти, но в этих ячейках данные могут
не только храниться, но и изменяться.
МП выполняет следующие функции:
•чтение и дешифрацию команд из ОП;
•чтение данных из ОП и регистров
адаптеров ВУ;
•прием и обработку запросов и команд
от адаптеров на обслуживание ВУ;
•обработку данных и их запись в ОП и
регистры адаптеров ВУ;
•выработку управляющих сигналов для
всех прочих узлов и блоков ПК.

18. Материнская плата. Виды МП

• CISC (Complex Instruction Set Computing) –
МП с полным набором команд (используется
сейчас);
• RISC (Reduced Instruction Set Computing) –
МП с сокращенным набором команд;
• URISC (Ultimate RISC) – предельный
случай процессора типа RISC;
• MISC (Minimum Instruction Set Computing) –
МП с минимальным набором команд и весьма
высоким быстродействием (в стадии
разработки)..
18

19. Материнская плата. МП CISC:

CISC - концепция проектирования МП, для которых
характерно:
•нефиксированное значение длины команды;
•арифметические действия кодируются в одной команде;
•небольшое число регистров, каждый из которых
выполняет строго определённую функцию.
(+) 1. Широкая распространенность.
(-) 1. Высокая стоимость аппаратной части;
2. Сложности с распараллеливанием вычислений;
3. Невысокое быстродействие.
Представители: процессоры на основе команд x86 (кроме
некоторых гибридов)и процессоры Motorola MC680x0.
19

20. Материнская плата. МП RISC:

20
RISC - архитектура процессора, для которого
характерно упрощение инструкций , чтобы их
декодирование было более простым, а время
выполнения - меньшим.
(+) 1. Декодирование команд упрощено;
2. Увеличение быстродействия.
(-) 1. Малая область применения.
Современные процессоры, начиная с Intel
Pentium Pro, являются CISC-процессорами с
RISC-ядром. Они непосредственно перед
исполнением преобразуют CISC-инструкции
процессоров x86 в более простой набор
внутренних инструкций RISC.

21.

Материнская плата. МП URISC и MISC:
• URISC - предельный случай процессора
типа RISC, в котором выполняется только один
тип инструкций: обычно это «вычесть и пропустить
следующую инструкцию, если вычитаемое было
больше уменьшаемого». Этот тип МП еще
называют OISC (One Instruction Set Computing).
• Процессоры MISC, как и процессоры RISC,
характеризуются небольшим числом чаще всего
встречающихся команд. Большая разрядность
процессора позволяет укладывать несколько
команд в одно большое слово, которое
выполняется за один цикл работы процессора.
21

22. Блоки МП. Устройство управления (УУ)

УУ вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по
кодовым шинам инструкций во все блоки ЭВМ.
Упрощенная схема УУ:
22

23. Блоки МП. Устройство управления (УУ)

• Регистр команд –регистр, в котором содержится код команды: код
выполняемой операции и адрес операндов, участвующих в
операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части МП в
блоке регистров команд (РК).
• Дешифратор операций – логический блок, выбирающий в
соответствии с поступающими из регистра команд кодом операции
(КОП) один из множества имеющихся у него выходов.
• ПЗУ микропрограмм хранит в своих ячейках управляющие
сигналы, необходимые для выполнения в блоках ПК операций
обработки информации.
• Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части
МП) – устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти по
реквизитам, поступающим из РК.
23

24. Блоки МП. Арифметико-логическое устройство (АЛУ)

Блоки МП. Арифметикологическое устройство (АЛУ)
АЛУ предназначено для выполнения
арифметических и логических операций
преобразования информации. Функциональная
схема АЛУ:
24

25. Блоки МП. АЛУ

• Сумматор –схема, выполняющая процедуру сложения
поступающих на ее вход операндов.
• Регистры – быстродействующие ячейки памяти
различной длины для хранения операндов.
• Схема управления принимает по кодовой шине
инструкций управляющие сигналы от УУ и преобразует
их в сигналы для управления работой регистров и
сумматора АЛУ.
АЛУ выполняет операции только над целыми двоичными
числами. Выполнение операций над числами с
плавающей или фиксированной запятой производится с
привлечением математического сопроцессора или по
специально составленным программам.
25

26. Блоки МП. Микропроцессорная память

МПП – память небольшой емкости, но высокого
быстродействия (время обращения к ней измеряется
наносекундами – тысячными долями микросекунды). Она
предназначена для кратковременного хранения, записи и
выдачи информации, непосредственно в ближайшие
такты работы машины участвующей в вычислениях.
МПП состоит из регистров. Регистры МПП делятся на:
•Специальные регистры применяются для хранения
различных адресов (например, адресов команд),
признаков результатов выполнения операций и режимов
работы ПК.
•Регистры общего назначения (РОН) являются
универсальными и могут использоваться для хранения
любой информации.
26

27. Блоки МП. Интерфейсная часть МП

27
Интерфейсная часть МП предназначена для связи и
согласования МП с системной шиной ПК, а также для
приема предварительного анализа команд выполняемой
программы и формирования полных адресов операндов и
команд.
Интерфейсная часть включает:
•адресные регистры МПП,
•узел формирования адреса,
•блок регистров команд, являющийся буфером команд в
МП,
•внутреннюю интерфейсную шину МП,
•схемы управления шиной и портами ввода-вывода.

28. Основные параметры процессоров:

• рабочее напряжение обеспечивается материнской платой (примерно
1-3 В);
• разрядность (количество бит, которое МП может принять и
обработать в своих регистрах за один такт), 32, 64 и выше;
• рабочая тактовая частота (количество команд, которые может
выполнить МП в единицу времени), от 1 ГГц;
• коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты (вводится изза несоответствия тактовых частот МП и материнской платы), 3-5 раз;
• размер кэш-памяти (внутренняя сверхоперативная память МП),
имеется три уровня памяти:
1-й: выполняется в том же кристалле, что и процессор, десятки Кб;
2-й: исполняется на отдельном кристалле, до 1Мб,
3-й: на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещает на
отдельном кристалле, несколько Мб.
28

29.

• Все основные электронные схемы компьютера и
необходимые дополнительные устройства включаются в
материнскую плату, или подключаются к ней с помощью
слотов расширения. Наиболее важной частью
материнской платы является чипсет
• Чипсет — это набор микросхем материнской платы, он
состоит из 2-х основных микросхем: северный и южный
мост.
• Северный мост-отвечает за работу с процессором,
памятью и видеоадаптером. Северный мост определяет
частоту системной шины, возможный тип оперативной
памяти, её максимальный объем и скорость обмена
информацией с процессором.
• Южный мост— это микросхема, которая обеспечивает
взаимодействие между центральным процессором и
жестким диском, картами PCI, PCI Express, интерфейсами
IDE, SATA, USB и др. В отличие от северного моста,
южный мост обычно не подключён напрямую к
процессору
29

30.

30

31.

31