Тема 2. Структура 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.