Тема 2. Структура персонального комп’ютера

Сайт:	Навчально-інформаційний портал НУБіП України
Курс:	Комп'ютерна схемотехніка та архітектура комп'ютерів (КН). Ч1 ☑️
Книга:	Тема 2. Структура персонального комп’ютера

Надруковано:	Гість-користувач
Дата:	четвер, 9 квітня 2026, 18:58

Зміст

1. СТРУКТУРНА СХЕМА IBM PC – СУМІСНОГО ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМП’ЮТЕРА
2. АРХІТЕКТУРА СИСТЕМНОЇ ПЛАТИ
3. ОРГАНІЗАЦІЯ ШИН КОМП'ЮТЕРА

1. СТРУКТУРНА СХЕМА IBM PC – СУМІСНОГО ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМП’ЮТЕРА

Персональний комп'ютер (ПК) є сукупністю двох важливих частин: апаратного та програмного забезпечення. На сьогоднішній день найбільше розповсюдження отримали IBM PC – сумісні персональні комп’ютери, структурна схема яких подана на рис. 1. Архітектура РС – сумісного комп'ютера визначається рядом властивостей, які забезпечують можливість функціонування програмного забезпечення, що управляє периферійним обладнанням. Програми можуть взаємодіяти з пристроями різними способами [5]: через виклики функцій операційної системи; через виклики функцій базової системи вводу/виводу (BIOS); безпосередньо взаємодіючи з відомими їм пристроями. Апаратне забезпечення персонального комп'ютера складається з таких частин: системний блок комп'ютера – пристрій розміщений в компактному металевому чи пластмасовому корпусі, в якому містяться всі електронні компоненти ПК, а також блок живлення; клавіатура – основний пристрій ручного введення інформації в ПК; монітор – найголовніший пристрій вводу/виводу візуальної інформації ПК. Крім того, в ПК можна використовувати додаткові пристрої вводу/виводу інформації (ПВВ) і засоби покращання якості електроживлення (наприклад, БДЖ – безперебійне джерело живлення, для захисту від раптового зникнення напруги в мережі). В системному блоці розташовуються такі компоненти: Системна плата (об'єднуюча, материнська) є основним компонентом комп'ютера. Вона, як правило, містить: сокет (слот) процесора; сокети (слоти) пам'яті SIMM і DIMM; слоти шини; ПЗП BIOS (ROM BIOS); кеш 2-го рівня (кеш L2, Level 2 cache); набір мікросхем системної логіки (чіпсет) системної плати; чіп вводу/виводу; перетворювачі напруги живлення процесора; батарею для живлення годинника і CMOS. 4 Засоби підвищення якості електроживлення (БДЖ) Системний блок комп’ютера Блок живлення + 5; + 12; - 5; - 12; (+ 3,3 В) Роз’єм живлення АТ (АТХ) Системна плата Електронна пам’ять (RAM) Основна пам’ять DRAM SIMM, DIMM, RIMM Кеш L1 (L2) SRAM COAST Мікропроцесор Кеш L2 (SRAM) Локальна шина Сопроцесор Кеш L1 SRAM Центральний процесор CPU Clock (коефіцієнти множення частоти 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 5…) Системна шина (Host Bus) Host Bus Clock 50; 55; 60; 66,6 75; 85; 100; 125 Системний контролер NorthernBridge Host-PCI Bridge PAC-PCI/AGP Controller Quad Port Bridge Шина РСІ 132 Мб/с Пристрої РСІ Звукова карта НЖМД CD-R CD-RW CD-ROM НГМД PIIX PCI-ISA-IDE-Xelerator Southern Bridge простий PCI пристрій ЗЗП 1-й канал IDE 2-й канал IDE Контролер НГМД CMOS Memory, RTC BIOS (ROM, FLASH) Порт AGP 532 Мб/с Контролер клавіатури Контролери інтерфейсних портів Шина ISA 8 Мб/с Пристрої ISA мережна карта Пристрої AGP відеокарта Монітор Клавіатура Пристрої, які підключаються через порти (принтер, миша, стример, модем, сканер) Пристрої USB (миша, клавіатура) Рис. 1. Структурна схема IBM PC – сумісного комп'ютера Набір мікросхем системної логіки містить всі схеми, які входять до складу системної плати. Він управляє центральним процесором, системною шиною процесора, кешем L2, оперативною пам'яттю, шиною PCI (Peripheral Component Interconnect), шиною ISA (Industry Standard Architecture) чи іншою, ідентичною за функціональним призначенням, ресурсами системи та ін. 5 Набір мікросхем системної логіки визначає також первинні можливості та специфікації системної плати – типи підтримуваних процесорів, пам’яті, плат розширення, дисководів та ін. Системні плати випускають у кількох варіантах, які відрізняються розмірами та форм-факторами. Форм-фактор системної плати визначає тип корпуса, у який її можна вставити. Мікропроцесор (МП) – це основний «мозковий» вузол ПК, в задачу якого входить виконання програмного коду, що знаходиться в пам'яті, і керування іншими пристроями. До складу мікропроцесора сучасного ПК крім центрального мікропроцесора – пристрою обробки CPU (Central Processing Unit) – входить математичний співпроцесор CoР (CoProcessor), який ефективно обробляє числові дані у форматі з плаваючою комою (крапкою), і невелика за обсягом швидкодіюча кэш - пам'ять, реалізована за одно або дворівневою схемою (від англ. cache – склад, схованка; кеш – пам'ять призначена для пом'якшення наслідків, що викликані розузгодженням швидкості роботи швидкого МП і повільної оперативної пам'яті). Мікропроцесор – це найчастіше одна надвелика інтегральна схема (НВІС), реалізована в єдиному напівпровідниковому кристалі. Ступінь інтеграції визначається розміром кристала і кількістю реалізованих у ньому транзисторів. Деякі МП, строго кажучи, не є однокристальними – кристал центрального процесора зі співпроцесором і кілька кристалів вторинного кеша зібрані на загальному картриджі. В багатопроцесорній системі для підвищення загальної продуктивності системи функції центрального процесора розподіляються між декількома, звичайно ідентичними мікропроцесорами, один із яких призначається головним. Співпроцесор – це спеціалізований процесор, призначений для розвантаження центрального процесора від складних обчислень з плаваючою комою. Співпроцесор в МП класу 486 і старше вбудований у середину кристала мікропроцесора. Кеш – пам'ять першого рівня (Level 1 – L 1) у процесорів класу 486 і старше вбудована у середину кристала і працює на однаковій з ним частоті. Якщо МП використовує дворівневу модель кеш – пам'яті (L1, L2), то застосовується архітектура подвійної незалежної шини (ПНШ – Dual Independent Bus). Одна з шин МП архітектури ПНШ – локальна шина – використовується тільки для зв'язку з кристалами вторинного кеша, які розташовані у тому ж корпусі мікросхеми або на загальному картриджі. Ця шина є локальною і у геометричному 6 значенні – провідники мають довжину одиниць сантиметрів, що дозволяє її використовувати навіть на частоті ядра процесора. Значний обсяг вторинного кеша дозволяє задовольняти більшість запитів до пам'яті сугубо локально, при цьому коефіцієнт завантаження шини досягає 90%. Друга шина МП виходить на зовнішні виводи мікросхеми, вона є системною шиною МП. Ця шина працює на зовнішній частоті незалежно від внутрішньої шини. МП керує роботою ПК, отримуючи і посилаючи керуючі сигнали, адреси пам'яті і дані від одних компонентів ПК до інших компонентів, використовуючи для цього групу сполучаючих електронних шляхів, які називаються системною шиною (СШ). Системна шина - це електронний шлях на системній платі, що спільно використовується, до якого підключені всі керовані компоненти ПК. Коли дані передаються від одного компонента до іншого, вони переміщаються вздовж цього загального шляху до місця призначення. СШ поділяється на чотири складові частини: лінії передачі електроживлення, керуюча шина (для передачі керуючої інформації, наприклад, такої, як тактові сигнали від системного генератора тактових сигналів, сигнали переривання і т.д.), адресна шина (виконує передачу адрес комірок пам'яті і пристроїв, приєднаних до шини) і шина даних (разом із шиною адреси здійснює перенесення даних в середині ПК). Оскільки швидкодія різних компонентів ПК (мікропроцесора, пам'яті й інших пристроїв) істотно розрізняється, в комп'ютерах на МП класу 486 і старше застосовується внутрішнє множення частоти. Розрізняють наступні частоти: Host Bus Clock – частота системної шини (зовнішня частота процесора), опорна для всіх інших частот. МП класу Pentium і старше використовують частоти 50, 55, 60, 66,6, 75, 83, 100, 125 МГц і вишче. CPU Clock чи Core Speed - внутрішня частота МП, на якій працює його обчислювальне ядро (центральний процесор, співпроцесор, кэш-пам'ять L1) Сучасні технології дозволили істотно підвищити граничні частоти інтегральних компонентів, у зв'язку з чим широко застосовується внутрішнє множення частоти на 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, 4 і деякі інші значення. Основна чи оперативна пам'ять ПК призначена для оперативного обміну (збереження, запису і зчитування) інформацією (кодами і даними) між МП, зовнішньою пам'яттю і периферійними пристроями. Для побудови основної пам'яті в ПК використовують мікросхеми 7 динамічної пам'яті (мікросхеми DRAM – пам'яті – Dynamic Random Access Memory), що мають найкраще сполучення обсягу, щільності упакування, енергоспоживання і ціни. Мікросхеми DRAM – пам'яті в сучасному ПК установлюють на спеціальні модулі пам'яті SIMM (Single In – Line Memory Module), DIMM (Dual In – Line Memory Module), RIMM (Rambus In – Line Memory Module) у відповідні гнізда системної плати. Важливою особливістю основної пам'яті ПК є її ієрархічний спосіб побудови, що прийшов в архітектуру ПК з появою процесора 386, і полягає в сполученні основної пам'яті великого обсягу на мікросхемах динамічної пам'яті з відносно невеликою кеш-пам'яттю на швидко-діючих мікросхемах статичної пам'яті SRAM (Static RAM). Кеш-пам'ять є додатковим і швидкодіючим сховищем копій блоків інформації основної пам'яті, до яких, імовірно, найближчим часом буде звернення. Принцип роботи кеша – 10 - 20 % команд або даних будуть необхідні в 80 – 90 % випадків. У сучасному комп'ютері кеш – пам'ять побудована за трирівневою схемою: кеш L1 – кеш на системній платі 386 процесорів, працює на Host Bus Clock; кеш, вбудований в кристал мікропроцесора класу 486 і старше, працює на CPU Clock; кеш L2 – кеш на системній платі мікропроцесора класу 486 і старше (за винятком МП Pentium Pro, Pentium II Xeon, Pentium II, Celeron 300A і старше, К6–3 і їхніх мобільних варіантів) працює на Host Bus Clock; кеш вбудований в корпус МП чи встановлений на загальному картриджі (для МП Pentium Pro, Pentium II Xeon, Pentium II, Celeron 300A і старше, К6–3) працює на CPU Clock чи на половині цієї частоти; кеш L3 – кеш на системній платі мікропроцесора К6–3 працює на Host Bus Clock. Кеш на системній платі сучасного ПК набирається мікросхемами статичної пам'яті фіксованого обсягу, запаяних на плату без застосування додаткових модулів і роз'ємів (для старих системних плат із МП Pentium широке поширення отримали модулі COAST (Cache On A Stick) – «кеш на полиці»; модуль із двостороннім друкованим роз'ємом, який встановлений у спеціальний слот). CMOS Memory (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), RTC (Real Time Clock) – спеціальна мікросхема напівпостійної пам'яті (КМОН – пам'ять) невеликого обсягу для збереження інформації про 8 конфігурацію ПК разом з годинником і календарем. Живлення CMOS Memory, RTC при виключеному ПК здійснюється від батарейки. BIOS (Basic Input Output System) – ключовий елемент системної плати, призначений для енергонезалежного збереження системної інформації. BIOS, користуючись засобами, наданими чипсетом, керує всіма компонентами і ресурсами системної плати. Код BIOS зберігається в мікросхемі енергонезалежної постійної пам'яті (Read Only Memory (ROM BIOS) чи флеш-пам'яті (Flash BIOS). Шини розширення – призначені для підключення різних адаптерів чи контролерів периферійних пристроїв, що розширюють можливості ПК. Під адаптером звичайно розуміють засіб сполучення якогонебудь пристрою з шиною ПК (контролер служить тим же цілям сполучення, але при цьому мається на увазі його деяка активність, тобто здатність до самостійних дій після отримання команд від обслуговуючої його програми; складний контролер може мати у своєму складі і власний процесор). В сучасному ПК застосовують наступні шини, розташовані на системній платі у виді слотів чи секцій розширення: PCI – Peripheral Component Interconnect Local Bus; AGP – Accelerated Graphic Port – прискорений графічний порт; ISA – Industry Standard Architecture. Зовнішні інтерфейси ПК (рівнобіжний, послідовний і USB – шина), як і шини розширення, дозволяють значно розширити функціональні можливості ПК. Однак, на відміну від шин розширення, зовнішні інтерфейси дозволяють підключати різні периферійні пристрої прямо, без використання додаткових адаптерів. Сучасні системні плати будують на основі чипсетів (Chipset) – набір з декількох надвеликих інтегральних схем, що реалізують усі необхідні функції зв'язку основних компонентів: МП, пам'яті і шин розширення. Майже всі сучасні чипсети є набором із двох мікросхем, що прийнято називати Northern Bridge (Північний міст) і Southern Bridge (Південний міст). Northern Bridge відповідає за роботу з МП, системною шиною, PCI - шиною, AGP-портом, пам'яттю і кешем (які не входять до складу МП). Southern Bridge – це фактично простий PCI – пристрій, що містить всередині себе контролер Bus Master IDE (який дозволяє пристроям, що знаходяться на такій шині, самим керувати процесом передачі даних по ній без участі процесора), міст PCI–ISA. 9 Периферія досить стабільна, тому архітектура Southern Bridge набагато менше піддається змінам, чим Northern Bridge, що дозволяє в нових чипсетах використовувати його попередні версії. Міст PCI–IDE потрібний для роботи з існуючими накопичувачами з жорсткими магнітними дисками (НЖМД), міст PCI–ISA є рудиментом, що відмирає. Контролери накопичувачів на гнучких магнітних дисках (НГМД), інтерфейсних портів, клавіатури, CMOS Memory, RTC можуть входити власне в чипсет, а можуть бути реалізовані на окремих «сторонніх» мікросхемах. Зовнішні запам'ятовуючі пристрої комп'ютера (ЗЗП) – це пристрої, що дозволяють автономно зберігати інформацію для наступного її використання незалежно від стану ПК (включений чи виключений). В сучасному ПК в ЗЗП входять пристрої магнітної, оптичної і магнітооптичної пам'яті. ЗЗП можна розміщувати як у системному блоці комп'ютера, так і в окремому корпусі. Блок живлення призначений для перетворення змінного електричного струму в постійний, який стабілізований у невеликих межах, а також для захисту електричних ланцюгів блока живлення і комп'ютера від впливу різних перешкод і несправностей.

2. АРХІТЕКТУРА СИСТЕМНОЇ ПЛАТИ

Найважливішим вузлом комп'ютера є системна плата (system board), яку іноді називають материнською (motherboard), основною або головною платою (main board). Спільно з процесором і оперативною пам'яттю вона утворює платформу, що визначає основні функціональні можливості комп'ютера і його продуктивність. Ключовий елемент системної плати – набір мікросхем системної логіки (НМСЛ), який забезпечує взаємодію інших компонентів і функціонування базових інтерфейсів. Крім НМСЛ системна плата містить базову систему вводу/виводу (BIOS), ланцюги електричного живлення компонентів, механічні елементи для монтажу в корпус. Основними параметрами системної плати є: форм-фактор; підтримуваний інтерфейс процесора; тип і максимальний об'єм підтримуваної оперативної пам'яті; підтримувані інтерфейси; тип і можливості BIOS. Як додаткові параметри чосто виступають вбудовані графічні, звукові, комунікаційні можливості. 10 Форм-фактори системних плат Існує декілька найбільш поширених форм-факторів, що враховуються при розробці системних плат. Форм-фактор (form factor) є фізичними параметрами плати і визначає тип корпусу, в якому вона може бути встановлена. Форм-фактори системних плат можуть бути стандартними (тобто взаємозамінними) або нестандартними. Нестандартні форм-фактори, на жаль, є перешкодою для модернізації комп'ютера, тому від їх використання краще відмовитися. Найбільш відомі формфактори системних плат перераховані нижче: ATX; micro-ATX; flex-ATX; mini-ITX (різновид flex-ATX); NLX; Інші: незалежні конструкції (розробки компаній Compaq, Packard Bell, Hewlett Packard, портативные/мобильные системи і так далі). За останні декілька років відбувся перехід від системних плат оригінального форм-фактора Baby AT, який використовувався в перших комп'ютерах IBM РС і XT, до плат форм-фактора ATX і NLX, використовуваним в більшості повнорозмірних настольних і вертикальних систем. Існує декілька варіантів формфактора ATX, до числа яких входять micro-ATX (зменшена версія форм-фактора ATX, використовуваного в системах малих розмірів) і flex-ATX (ще більш зменшений варіант, призначений для домашніх комп'ютерів нижчого цінового рівня). Існує також і новий форм-фактор mini-ITX, що є зменшеною версією форм-фактора flex-ATX, призначеного для систем мінімального розміру. Форм-фактор NLX призначений для корпоративних настільних систем. Сучасні форм-фактори фактично є промисловим стандартом, що гарантує сумісність кожного типу плат. Це означає, що системна плата будь-якого типу може бути замінена іншою платою того ж типу. Стисло розглянемо основні стандартні форм-фактори системних плат. Форм-фактор ATX Конструкція ATX була розроблена порівняно недавно. В даний час ATX є найбільш поширеним форм-фактором системних плат, що рекомендується для більшості нових систем [13]. 11 На рис. 2 показано, як виглядає конструкція системи ATX в настольному виконанні із знятою верхньою кришкою або у вертикальному з видаленою бічною панеллю. Рис. 2 Системна плата АТХ Зверніть увагу: системна плата практично не закривається відсіками для установки дисководів, що забезпечує вільний доступ до різних компонентів системи (процесор, модулі пам'яті, внутрішні роз'єми дисководів), не заважаючи доступу до роз'ємів шини. У цій системній платі поєднуються якнайкращі риси раніших стандартів Baby AT і LPX і закладено багато додаткових удосконалень. Наявність вбудованої подвійної панелі роз'ємів . На тильній стороні системної плати є область з роз'ємами вводу/виводу шириною 6,25 і заввишки 1,75 дюйма. Це дозволяє розташувати зовнішні роз'єми безпосередньо на платі і виключає необхідність використання кабелів, що з'эднують внутрішні роз'єми і задню панель корпусу. Наявність одноключевого внутрішнього роз'єму джерела живлення. Це спрощує заміну роз'ємів на джерелі живлення типу Baby AT. Специфікація ATX містить одноключевий роз'єм джерела живлення, яке легко вставляється і який неможливо встановити неправильно. Переміщення процесора і модулів пам'яті. Змінені місця розташування цих пристроїв: тепер вони не заважають платам розширення, і їх легко замінити новими, не виймаючи при цьому жодного зі встаБлок живлення Відсіки для установки дисководів 3,5” і 5,25” Процесор Системна плата Послідовний і паралельний роз'єми, роз'єми шини USB, миші, клавіатури, роз'єм ігрового порту і роз'єми звукової плати 12 новлених адаптерів. Процесор і модулі пам'яті розташовані поряд з джерелом живлення і обдуваються одним вентилятором, що дозволяє обійтися без спеціального вентилятора для процесора, який не завжди ефективний і часто схильний до поломок. Вдаліше розташування внутрішніх роз'ємів вводу/виводу. Ці роз'єми для накопичувачів на гнучких і жорстких дисках зміщені і знаходяться не під роз'ємами розширення або самими накопичувачами, а поряд з ними. Тому можна зменшити довжину внутрішніх кабелів до накопичувачів, а для доступу до роз'ємів не потрібно прибирати одну з плат або накопичувач. Покращуване охолоджування. Процесор і оперативна пам'ять сконструйовані і розташовані так, щоб максимально поліпшити охолоджування системи в цілому. При цьому необхідність в окремому вентиляторі для охолоджування корпусу або процесора знижується. Одна з особливостей оригінальної специфікації ATX полягала в тому, що вентилятор блоку живлення направляє потік повітря всередину корпусу. Зворотний потік або схема нагнітання повітря приводить до під-вищення тиску в корпусі, що перешкоджає проникненню грязі і пилу. Зниження вартості. Конструкція ATX не вимагає наявності гнізд кабелів до роз'ємів зовнішніх портів, що зустрічаються на системних платах Baby AT, додаткового вентилятора для процесора і 3,3 вольтного стабілізатора на системній платі. У цій конструкції використовується один єдиний роз'єм живлення. Крім того, можна укоротити внутрішні кабелі дискових накопичувачів. Все це істотно знижує вартість не тільки системної плати, але і всього комп'ютера, включаючи корпус і джерело живлення. Системна плата ATX, по суті, є конструкцією Baby AT, перевернутою на бік. Роз'єми розширення паралельні коротшій стороні і не заважають гніздам процесора, пам'яті і роз'ємам вводу/виводу (рис. 3). 13 Рис. 3 Типове розташування роз'ємів на платі АТХ і її задній панелі Окрім повнорозмірної схеми ATX, компанія Intel описала конструкцію mini-ATX, яка розміщується в такому ж корпусі: повнорозмірна плата ATX має розміри 305×244 мм (12×9,6 дюйма); плата mini-ATX - 284×208 мм (11,2×8,2 дюйма). Крім того, існує два зменшені варіанти системної плати ATX, які носять назви micro-ATX і flex-ATX.

3. ОРГАНІЗАЦІЯ ШИН КОМП'ЮТЕРА

Сукупність трактів, об'єднуючих між собою основні пристрої ОМ (центральний процесор, пам'ять і модулі вводу/виводу), утворює структуру взаємозв'язків обчислювальної машини. Структура взаємозв'язків повинна забезпечувати обмін інформацією між: центральним процесором і пам'яттю; центральним процесором і модулями вводу/виводу; пам'яттю і модулями вводу/виводу. Взаємозв'язок частин ОМ і її «спілкування» із зовнішнім середовищем забезпечуються системою шин. Більшість машин містять декілька різних шин, кожна з яких оптимізована під певний вид комунікацій. Частина шин прихована усередині інтегральних мікросхем або доступна тільки в межах друкарської плати. Шину утворює набір комунікаційних ліній, кожна з яких здатна передавати сигнали, що представляють двійкові цифри 1 і 0. По лінії може пересилатися розгорнена в часі послідовність таких сигналів. При сумісному використанні декілька ліній можуть забезпечити одночасну (паралельну) передачу двійкових чисел. Фізично лінії шини реалізуються у вигляді окремих провідників, як смужки провідного матеріалу на монтажній платі або як алюмінієві або мідні провідні доріжки на кристалі мікросхеми. Операції на шині називають транзакціями. Основні види транзакцій ‒ транзакции читання і транзакції запису. Якщо в обмені бере участь пристрій вводу/виводу, можна говорити про транзакції вводу і виводу, по суті еквівалентних транзакціям читання і запису відповідно. Шинна транзакція включає дві частини: пересилання адреси і прийом (або пересилання) даних. Англійський еквівалент терміну «шина» – «bus». 3.1. Типи і призначення шин комп'ютера Важливим критерієм, що визначає характеристики шини, може служити її цільове призначення. По цьому критерію можна виділити: шини «процесор-пам'ять»; шини вводу/виводу; системні шини. 15 Шина «процесор-пам'ять» Шина «процесор-пам'ять» забезпечує безпосередній зв'язок між центральним процесором (ЦП) обчислювальної машини і основною пам'яттю (ОП). У сучасних мікропроцесорах таку шину часто називають шиною переднього плану і позначають абревіатурою FSB (Front-Side Bus). Інтенсивний трафік між процесором і пам'яттю вимагає, щоб смуга пропускання шини, тобто кількість інформації, що проходить по шині в одиницю часу, була найбільшою. Роль цієї шини іноді виконує системна шина (див. нижче), проте в плані ефективності значно вигідніше, якщо обмін між ЦП і ОП ведеться по окремій шині. До даного виду можна віднести також шину, що пов'язує процесор з кеш-пам'яттю другого рівня, відому як шина заднього плану, - BSB (Back-Side Bus). BSB дозволяє вести обмін з більшою швидкістю, чим FSB, і повністю реалізувати можливості швидкіснішої кеш-пам'яті. Оскільки у фон-нейманівських машинах саме обмін між процесором і пам'яттю багато в чому визначає швидкодію ОМ, розробники приділяють зв'язку ЦП з пам'яттю особливу увагу. Для забезпечення максимальної пропускної спроможності шини «процесор – пам'ять» завжди проектуються з урахуванням особливостей організації системи пам'яті, а довжина шини – по можливості мінімальною. Шина вводу/виводу Шина вводу/виводу служить для з'єднання процесора (пам'яті) з пристроями вводу/виводу. Враховуючи різноманітність таких пристроїв, шини вводу/виводу уніфікуються і стандартизуються. Зв'язки з більшістю пристроїв вводу/виводу (але не з відеосистемами) не вимагають від шини високої пропускної спроможності. При проектуванні шин вводу/виводу враховується вартість конструктиву і з'єднувальних роз'ємів. Такі шини містять менше ліній в порівнянні з варіантом «процесор-пам'ять», але довжина ліній може бути дуже великою. Типовими прикладами подібних шин можуть служити шини PCI і SCSI. Шина РСІ Шина розширення РСІ була розроблена фірмою Intel для процесора Pentium. Розробники її відмовились від традиційної концепції, ввівши ще одну шину між процесором і шиною вводу/виводу. Вона не підключається безпосередньо до шини процесора, яка дуже чутлива до зовнішніх втручань. Було розроблено новий комплект мікросхем 16 контролерів для розширення шини. Підключення пристроїв до шини РСІ подано на рис. 4. Ця шина доповнює традиційну конфігурацію розташування шин ще одним рівнем. При цьому звичайна шина вводу/виводу не використовується, а фізично створюється ще одна високошвидкісна системна шина з розрядністю, що дорівнює розрядності процесора. В материнських платах тактова частота шини РСІ задається як половина тактової частоти системної шини. Висока пропускна спроможність шини досягається за рахунок її паралельної роботи з шиною процесора, РСІ не звертається зі своїми запитами до неї. В той час, як шина РСІ обмінюється інформацією з іншими пристроями, процесор працює з даними, що містяться в кешпам'яті. Основним принципом, покладеним в основу локальної шини РСІ, є застосування мостів (Bridges), які здійснюють зв'язок між шиною РСІ та іншими шинами. Процесор Кеш-пам'ять Контролер SCSI Інтерфейс шини розширення DRAM Контролер пам'яті шини Звукова плата Обробка зображень Локальна шина PCI Мережний адаптер Графічний адаптер Основні функції вводу/виводу Шина ISA/EISA Рис. 4. Структурна схема підключення пристроїв до локальної шини РСІ В шині РСІ реалізовано принцип Bus Mastering, який відображає здатність зовнішнього пристрою при передачі даних керувати шиною без участі процесора. Пристрій, що підтримує Bus Mastering, захоплює шину і стає головним. За такого підходу процесор під час передачі даних звільняється для виконання інших задач. Шина РСІ стала стандартом серед шин вводу/виводу. 17 Шина SCSI Абревіатура SCSI розшифровується, як Small Computer System Interface; це універсальний інтерфейс, використовуваний для підключення пристроїв різного типу до персонального комп'ютера і створений на основі стандарту SASI (Shugart Associates System Interface). Інтерфейс SCSI головним чином призначений для підключення високошвидкісних жорстких дисків до високопродуктивних ПК, таких, як робочі станції і мережеві сервери. SCSI є не тільки дисковим, але і системним інтерфейсом, тобто дозволяє підключати пристрої самих різних типів, зокрема принтери і сканери. Шина підтримує в цілому від 7 до 15 пристроїв. Існують також багатоканальні адаптери, які забезпечують підтримку від 7 до 15 пристроїв на кожному каналі [13]. Прискорений графічний порт (AGP) Прискорений графічний порт (AGP) призначений для підвищення ефективності роботи з відео- і тривимірною графікою. Він подібний до РСІ, але має деякі доповнення і розширення. AGP не залежить від шини РСІ ні логічно, ні електрично, ні фізично. Роз'єм AGP подібний до роз'єму РСІ, але має контакти для додаткових сигналів і відповідно іншу розводку контактів. AGP – по суті високоефективне з'єднання, розроблене спеціально для відеоадаптера. В системі для одного адаптера допускається тільки один роз'єм AGP. Шина AGP працює на частоті 66 МГц, нею можна передавати дані зі швидкістю приблизно 533 Мбайт/с. При використанні відеоадаптера AGP шина РСІ вивільняється для виконання традиційних функцій вводу/виводу. Крім підвищення ефективності роботи відеоадаптера порт AGP дає змогу отримати швидкий доступ безпосередньо до оперативної пам'яті. Однією з головних особливостей стандарту AGP є здатність розподілити RAM між процесором і чіпсетом відеокарти. Обробка тривимірних зображень виконується RAM центрального процесора і відеопроцесором. Системна шина З метою зниження вартості деякі ОМ мають загальну шину для пам'яті і пристроїв вводу/виводу. Така шина часто називається системною. Системна шина служить для фізичного і логічного об'єднання всіх пристроїв ОМ. Оскільки основні пристрої машини, як правило, розміщуються на загальній монтажній платі, системну шину 18 часто називають об'єднувальною шиною (backplane bus), хоча ці терміни не можна рахувати строго еквівалентними. Системна, шина в змозі містити декілька сотень ліній. Сукупність ліній шини можна підрозділити на три функціональні групи: шину даних, шину адреси і шину управління [23]. До останньої зазвичай відносять також лінії для подачі напруги живленя на модулі, що підключаються до системної шини. Функціонування системної шини можна описати таким чином. Якщо один з модулів хоче передати дані в іншій, він повинен виконати дві дії: отримати в своє розпорядження шину і передати по ній дані. Якщо якийсь модуль хоче отримати дані від іншого модуля, він повинен отримати доступ до шини і за допомогою відповідних ліній управління і адреси передати в інший модуль запит. Далі він повинен чекати, поки модуль, що отримав запит, пошле дані. Фізично системна шина є сукупністю паралельних електричних провідників. Цими провідниками служать металеві смужки на друкарській платі. Шина підводиться до всіх модулів, і кожен з них під'єднується до всіх або деяких її ліній. Якщо ОМ конструктивно виконана на декількох платах, то всі лінії шини виводяться на роз'єми, які потім об'єднуються провідниками на загальному шасі. Серед стандартизованих системних шин універсальних ОМ найбільш відомі шини Unibus, Fastbus, Futurebus, VME, NuBus, Multibus-II. Персональні комп'ютери, як правило, будуються на основі системної шини в стандартах ISA, EISA або MCA. Шина ISA Протягом багатьох років шина ISA була стандартом в галузі РС – комп'ютерів. Вона є однією з перших у сімействі шин, але використовується до цього часу. Це зумовлено тим, що для багатьох пристроїв, зокрема миші, клавіатури, модемів, ручних сканерів та інших, швидкодія цієї шини більш ніж достатня. Свого часу, коли частота ISA перевищила 8 МГц, здійснювались спроби відділити шину ISA від шини процесора, яка була тоді основною. Раніше вони працювали на одній частоті. Згодом, щоб шини не розділяти, було розроблено розширений варіант шини ISA з новою назвою – VESA Local Bus (чи VL–Bus). Так відбувся поворот до архітектури локальних шин. Фірма Intel сумісно з Microsoft розробила стратегію поступової відмови від шини ISA (згідно із специфікацією РС98 і РС99). За специфікації РС99 надалі в комп'ютері повинні використовуватись тільки 19 дві шини – PCI i AGP. Але, враховуючи великий парк РС із шиною ISA, вона використовуватиметься ще не один рік. Шина EISA Шина EISA є подальшим вдосконаленням шини ISA. Вона була розроблена фірмами Epson, Hewlett–Packard, NEC, Compaq i Wyse і має такі переваги: повна сумісність слота ЕISA із слотом ISA, що дає можливість встановлювати карти ISA в слоті ЕISA, а це, в свою чергу, відкидає необхідність замінювати всі карти розширення; шина ЕISA є 32–розрядною, що дає можливість використання відповідних карт – мережних, графічних, жорсткого диска; шина ЕISA (як і МСА) є інтелектуальною, тобто конфігурація карт розширення виконується не апаратно за допомогою DIP – перемикача і джамперів, а програмно. Шина ЕISA не отримала значного поширення через високу вартість і відсутність у достатній кількості карт розширення ЕISA та нижчу пропускну спроможність порівняно з локальною шиною VESA. Шина VESА Шина VESА була розроблена для зв'язку процесора зі швидкодіючими периферійними пристроями. Вона є розширенням шини ІSA для обміну відеоданими. Обмін інформацією з процесором здійснюється під керуванням контролерів, розташованих на картах, що встановлюються в слот VESA (VLB) в обхід стандартної шини вводу/виводу. Шина VESA (VLB) широко застосовувалась для процесорів і486, але на сьогодні вона повністю витіснена продуктивнішою шиною РСІ. 3.2. Послідовний, паралельний і інші інтерфейси вводу/виводу Основними засобами комунікації, використовуваними в сучасних ПК, є послідовні і паралельні порти. Послідовні порти (вони ж комунікаційні або COM порти) спочатку використовувалися пристроями, яким була потрібна двонаправлена взаємодія з системою. Сюди відносяться модеми, миші, сканери, дігітайзери і будь-які інші пристрої, які "говорять" з ПК і отримують відповідну "відповідь". Нові послідовні порти дозволяють здійснювати високошвидкісну двонаправлену передачу даних. Термін послідовний означає, що передача даних здійснюється по одиночному провідникові, а біти при цьому передаються послідовно, один за другим. 20 Паралельний порт використовується для підключення до комп'ютера принтера, звідси і пішла його назва – LPT (Line Printer Terminal – порт порядкового принтера). Традиційний, він же стандартний, LPTпорт (званий ще SSP-портом) орієнтований на виведення даних, хоча з деякими обмеженнями дозволяє і вводити дані. Проте, не дивлячись на таку вузьку спеціалізацію, паралельні порти почали застосовуватися як відносний швидкий інтерфейс передачі даних між пристроями. У паралельних портах для одночасної передачі байта інформації використовується вісім ліній. Цей інтерфейс відрізняється високою швидкодією, часто застосовується для підключення до комп'ютера принтера, а також для з'єднання комп'ютерів. Істотним недоліком паралельного порту є те, що з'єднальні провідники не можуть бути дуже довгими. При великій довжині сполучного кабелю в нього доводиться вводити проміжні підсилювачі сигналів, оскільки інакше виникає багато перешкод. В даний час для настільних і портативних комп'ютерів розроблено два високошвидкісні пристрої з послідовною шиною: USB і IEEE 1394, званий також i.Link або FireWire. Ці високошвидкісні комунікаційні порти відрізняються від стандартних паралельних і послідовних портів, встановлених в більшості сучасних комп'ютерів, ширшими можливостями. Перевага нових портів полягає в тому, що їх можна використовувати як альтернативу SCSI для високошвидкісних з'єднань з периферійними пристроями, а також під'єднувати до них всі типи зовнішніх периферійних пристроїв. Периферійна шина USB Периферійна шина USB призначена для периферійних пристроїв поза корпусом РС. Швидкість обміну інформацією шиною USB – 12 Мбіт/с. Для підключення до комп'ютера всі периферійні пристрої повинні бути обладнані роз'ємами USB і підключатися до РС через окремий блок – USB-хаб чи концентратор, який знаходиться на материнській платі. До комп'ютерів з шиною USB підключають клавіатуру, мишу, джойстик, принтер та інші периферійні пристрої, не вимикаючи живлення. При підключенні кожного з них автоматично здійснюється його конфігурування. За його допомогою до комп'ютера можна підключити до 127 периферійних пристроїв. Кабелі, роз'єми, концентратори та периферійні пристрої, що підтримують USB, можна визначити по знаку, показаному на рис. 5. Зверніть увагу на символ плюс, доданий до другого знаку – він означає стандарт USB 2.0 (високошвидкісний стандарт). 21 Підтримка USB 1.x Підтримка USB 2.0 і 1.x Рис. 5. Логотип пристроїв USB Основним ініциатором разрабки стандарту USB виступила фірма Intel. Починаючи з набору мікросхем системної логіки Triton II (82430HX), в якому стандарт USB був втілений в мікросхемі PIIX3 South Bridge, компанія Intel підтримує цей стандарт у всіх своїх наборах мікросхем системної логіки. У специфікації USB 2.0, що з'явилася відносно недавно, швидкість передачі даних в 40 разів вища, ніж в оригінальній USB 1.0; крім того, забезпечується повна зворотна сумісність пристроїв. Шина Fire Wire (IEEE 1394) Це стандарт високошвидкісної локальної послідовної шини, розроблений фірмами Apple та Texas Instruments. Шина ІЕЕЕ 1394 призначена для обміну цифровою інформацією між шиною розширення РСІ та іншими пристроями, зокрема жорсткими дисками, пристроями обробки аудіо- і відеоінформації та ін. Вона також ідеально підходить для роботи мультимедійних додатків у реальному часі, особливо пов'язаних з нелінійним монтажем відеофрагментів. Шина ІЕЕЕ 1394 передає дані зі швидкістю 12,5; 25; 50; 100 та 200 Мбайт/с, а при роботі з окремими файлами – до 1 Гбіт/с. Пакетний режим передачі інформації забезпечує її високу швидкість. Для передачі інформації використовується простий 6-провідний кабель. Дві різні пари ліній кабелю призначені для передачі тактових імпульсів та інформації, а дві лінії є лініями живлення. До шини ІЕЕЕ 1394 можна під'єднувати практично всі пристрої, здатні працювати з SCSI. До них належать накопичувачі на жорстких і оптичних дисках, CD – ROM, DVD – диски, цифрові відеокамери, пристрої запису на магнітну стрічку та інші високошвидкісні периферійні пристрої. Адаптери ІЕЕЕ 1394 випускаються для шини РСІ. Починаючи з Windows 98, в наступних версіях Windows додаються драйвери для портів ІЕЕЕ 1394. Фірма Intel згідно із специфікацією РС98 і РС99 планує повністю замінити шину ISA шиною USB для підключення низькошвидкісних периферійних пристроїв вводу/- виводу і шиною ІЕЕЕ 1394 для підключення пристроїв зберігання інформації CD – ROM, HDD та інших, а також введення відеоданих.

Доступність

Скинути все

Шрифти