Устройство материнской платы включает в себя следующие узлы:
1)центральным звеном всей компьютерной системы является процессор. Для его установки на материнской плате используется специальное гнездо – сокет. Каждый сокет отличается друг от друга конструктивно, рассчитан под определённые процессоры и обозначается трёхзначным номером.
2)Одним из важных устройств, которое располагается на материнской плате, является микросхема BIOS. В ней находится программа начальной загрузки компьютера и его конфигурация. При включении питания компьютера BIOS инициализирует устройства, которые подключены к материнской плате, проверяет их работоспособность. И если всё нормально, то ищется загрузчик на носителях информации. В современных материнских платах может быть две микросхемы BIOS для повышения надёжности системы.
3)Вторым из важнейших устройств материнской платы является чипсет, он представляет из себя набор микросхем, которые по функциональному признаку делятся на северный и южный мост, которые отвечают за связь процессора, памяти и видеокарты и связь медленных устройств, таких как жёсткий диск, сетевая карта, звуковая карта и т.д. Кроме этого, северный мост осуществляет связь устройств, входящих в южный мост с процессором. Обычно два моста выполняется в виде двух отдельных микросхем, причём северный мост из-за нагрева в работе может снабжаться охлаждающей системой.
4)На системной плате расположены съёмные слоты оперативной платы. Обычно они расположены рядом с сокетом процессора и микросхемой северного моста. Количество слотов может быть разным (от 2 до 6). Эти слоты по шинам связаны с серным мостом и через него с ЦП (центральным процессором).
5)Рядом с северным мостом, перпендикулярно слотам оперативной памяти расположен разъём для видеокарты. В более старых компьютерах разъём был типа AGP, в современных платах это разъём PCI-Express x16. Как и слоты оперативной платы, данный разъём связан с помощью шины с микросхемой северного моста.
6)Чуть ниже разъёма видеокарты, параллельно, расположены разъёмы PCI. Они предназначены для подключения внутренних устройств, таких как: звуковые карты, платы различных тюнеров, сетевых карт и т.д. До этих портов также может располагаться дополнительный слот PCI Express x1.
7)На системной плате расположены штыревые разъёмы, для подключения жёстки дисков и оптических приводов с интерфейсом IDE, а также более новые разъёмы SATA. В современных материнских платах разъёмы IDE могут отсутствовать (обычно 1-2 разъёма).
8)Рядом с разъёмами SATA могут располагаться мелкие микросхемы – это контроллеры SATA. Основной задачей контроллера SATA является создание RAID массивов жёстких дисков.
9)На системной плате расположена батарейка BIOS, служащая для постоянного питания микросхемы, энергия батарейки используется для хранения временной информации к CMOS-памяти.
10)На материнской плате могут находиться разъёмы для подключения USB-портов, к примеру, с передней панели.
11)На системной плате находятся штыревые разъёмы для подключения кнопок лицевой панели системного блока: включение, перезагрузка, индикатор работы жёсткого диска и включения питания, подключение динамика.
12)В современных материнских платах часто звук поддерживается чипом звукового кодека (встроенная звуковая карта). При этом функция звукового процессора выполняет чип южного моста.
13)Каждая современная плата имеет встроенный сетевой контроллер, который обеспечивает работу ПК в локальной сети. Чаще всего этот компьютер используется для взаимодействия с сетью имеет порт RJ-45 (используется ля подключения кабеля типа витая пара).
14)На материнской плате находится штырьковый джампер (перемычка) для обнуления BIOS, то есть сброс пользовательских настроек на заводские.
15)Для питания материнской платы и её компонентов, а также подключаемых к ней устройств, располагается 24-контактный разъём, к которому подключается блок питания (БП).
16)На любой материнской плате присутствует панель с вынесенными на неё портами:1)PS/2 – для подключения клавиатуры/мышки; 2)LPT – подключение старых принтеров, сканеров и тому подобное; 3)разъёмы для подключения звуковых устройств; 4)разъём RJ-45; 5)USB-порты – универсальный порт для подключения внешних устройств; 6)в случае наличия встроенной видеокарты могут присутствовать порты (VGA, DVI, HDMI); 7)S/PDIF – разъём обеспечивает подключение цифровых аудио-выходов для внешних аудио систем, которые поддерживают цифровые оптические технологии;8)IEEE 1394a – используется высокоскоростными внешними устройствами (работа с мультимедиа).
Микросхема BIOS
BIOS – базовая система ввода-вывода. Является ключевым элементом системной платы, без которого все её компоненты представляют собой лишь набор железок. BIOS, пользуясь средствами предоставляемыми чипсетом, управляет всеми компонентами и ресурсами системной платы. Из этого следует, что используемая версия BIOS в значительной степени привязана к чипсету. Кроме этого микросхема должна содержать данные и особенности применяемых компонентов. Код BIOS хранится в микросхеме энергонезависимой постоянной памяти (ROM BIOS) или флэш-памяти. На современных материнских платах в основном используется второй тип памяти. Микросхемы BIOS маркируются с помощью буквенно-цифрового кода: 28F… - флэш-память на 12В; 29С… - флэш-память на 5В; 29LV… - флэш-память 3В; 28Cxxx – EEPROM; 27Сxxx – память EPROM, записывается с помощью специального устройства – программатора, стирается ультрафиолетом. Современные микросхемы BIOS построены на флэш-памяти, можно перезаписывать с помощью специальных утилит.
Память CMOS
Память CMOS, совмещённая с часами таймера, является энергонезависимой памятью конфигурации компьютера. Помимо ячеек стандартного назначения в CMOS памяти имеются ячейки, которые используются для хранения текущих параметров чипсета, задаваемых встроенной утилитой CMOS Setup. Для питания этой памяти на системной плате устанавливается литиевая батарейка. Она рассчитана на срок службы в несколько лет. Первым признаком необходимости её замены может быть остановка внутренних часов календаря при выключении компьютера. Память CMOS является важным узлом компьютера, и правильность её питания может существенно влиять на работоспособность компьютера в целом.
Параметры CMOS Setup
Микросхема CMOS должна содержать информацию об установленных дисках системы и выбранных пользовательских параметрах перед использование компьютера. Программа Setup позволяет выбрать необходимые параметры. Запуск данной программы осуществляется нажатием определённой клавиши или комбинации клавиш в начале процедуры POST. В различных версиях BIOS загрузка осуществляется различными клавишами (Delete, F2,). Обычно информацию о сочетании клавиш можно найти на документации материнской платы, а также она пишется на экране (обычно в нижней строке). После запуска программы на экране появляется экран с меню. В большинстве современных программ BIOS Setup основное меню состоит из следующих пунктов:1)Maitenance – определение рабочей частоты процессора и удаление паролей; 2) Main(основные параметры) – распределение ресурсов аппаратного обеспечения;
3)Advanced(дополнительный параметры) – установка дополнительных свойств;
4)Security(безопасность) – установка паролей и активизация других средств безопасности;
5)Power(питание) – установка параметров управления питания;
6)Boot(загрузка) – определение параметров загрузки и блока питания;
7)Exit(выход) – обычно с сохранением или с отменой установленных параметров.
Процессор персонального компьютера
В устройстве ПК за вычисления и обработку всей информации отвечает ЦПУ (центральное процессорное устройство). Процессором является сложное высокотехнологичное изделие, в котором количество различных элементов (в основном транзисторов) рассчитывает уже больше миллиарда.
Общую архитектуру процессора можно представить в виде следующих основных блоков: 1) устройство управления – предназначено для дешифрации и исполнения команд;
2) рабочие регистры – элементы необходимые для адресации памяти и выполнения вычислительных операций;
3) арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические операции;
4) управление вводом-выводом – организация ввода-вывода данных в процессор или из процессора.
Процессор работает с командами. В каждой команде предписывается, какое действие должен выполнить процессор и с какими данными. Любая программа, которая выполняется процессором, состоит из множества различных команд, выполняя которые процессор выполняет программу. В общем случае команда для процессора имеет вид:
Код операции – Оперенд1 - … - Операнд2.
| Код операции | Операнд1 | … | Операнд2 |
Таким образом, каждая команда на самом низком уровне представляет собой группу битов (нулей и единиц), которая в свою очередь образует выше указанные поля (рисунок). Код операции показывает, что процессор должен делать, а поля операндов, предоставляют необходимые данные для осуществления операции процессора.
Процессор работает с оперативной памятью, так как в ней хранятся данные, необходимые процессору для работы и в оперативную память процессор помещает результаты своих вычислений перед окончательным сохранением в долговременную память (на жёсткий диск и т.д.). Взаимодействие процессора с памятью происходит посредством шины адреса, данных и управления.
На шину адреса помещается адрес ячейки памяти с данными, необходимыми процессору.
На шину данных помещаются данные из процессора, которые необходимо записать в память или данные из памяти, которые необходимы процессору для вычислений.
На шину управления поступает сигналы из процессора, которые указывают памяти или другим устройствам, с чем процессор будет работать, и какую операцию он будет производить. Работа процессора происходит по следующему алгоритму. Программный счётчик выдаёт адрес команды на шину адреса. Память помещает команду, находящуюся по этому адресу на шину данных. Процессор вводит команду в свой регистр команды. Там команда дешифруется, определяется код операции, определяется длина команды в байтах. Программный счётчик адресует следующую команду, находящуюся по адресу на длину команды от предыдущей. Сама команда после её обработки регистром команд, выполняется остальными устройствами процессора. Когда выполнение команды завершается, содержимое программного счётчика помещается на шину адреса и цикл повторяется.
Все команды процессор выполняет последовательно, команда за командой. Иногда выполнение какой-то команды необходимо остановить, так как необходимо выполнить более приоритетную. Для этого вырабатываются специальные команды переходов (прерываний). При появлении таких команд текущие операции останавливаются, запоминается последнее состояние процессора, затем выполняется необходимая команда. После её выполнения загружается последнее состояние процессора и очередь команд продолжает выполняться.
Сколько бит обрабатывается процессором за один раз (за один такт) показывает такая характеристика как разрядность процессора. На данный момент большинство процессоров за один такт способны обработать от 32 до 64 битов. В основе работы процессора лежит тактовый принцип. Исполнение каждой команды занимает определённое количество тактов. В ПК тактовые импульсы задаёт одна из микросхем, входящая в чипсет, расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, и тем выше его производительность.
На производительность ЦП также влияет размер Кэш-памяти, количество ядер, а также чипсет, расположенный на материнской плате.
Многоядерными процессорами являются, процессоры у которых 2 и более ядер, находятся в одном корпусе, в результате чего обработка информации ведётся в несколько потоков, что в конечном итоге влияет на производительность.
Процессор работает значительно быстрее, чем оперативная память, и при обращении к ней ему приходится некоторое время ожидать результата. Что бы уменьшить время ожидания, непосредственно на кристалле процессора устанавливается небольшой объём очень быстрой памяти, называемой кэш-памятью. Она содержит данные, наиболее часто используемые процессором, и обычно работает на его тактовой частоте. Специальные алгоритмы для кэш-памяти позволяет своевременно подгружать нужные процессору данные из оперативной памяти, что увеличивает производительность системы.
Современные процессоры имеют двух- или трёх-уровневую организацию кэш-памяти. У кэш-памяти 1 уровня наивысшая скорость и небольшой объём (не больше 100 кбайт), кэш-память 2 уровня обладает несколько меньшим быстродействием, но её объём может составлять от нескольких сотен Кбайтов до нескольких Мб. Кэш-память 3 уровня также более медленная, чем 1 уровня и её объём обычно более Мб.
Ядро ЦП работает на тактовой частоте, являющейся произведением частоты FSB на коэффициент умножения (множитель процессора). FSB – частота внешней шины процессора.
Разъёмы процессора
На протяжении всей истории развития ПК выделяется два типа разъёмов для процессоров: 1)сокеты – наиболее распространённый тип разъёмов (квадратная форма);
2)слоты – устаревший тип разъёмов, внешне похож на разъёмы для подключения плат расширения.
На данный момент существует две фирмы производителей процессора: Intel и AMD.
Разъёмы центральных процессоров Intel: 1)для настольных ПК (Socket37, Socket423, Socket478, SocketT(LGA775), SocketB(LGA1366), SocketH(LGA1156), SocketH2(LGA1155), SocketB2(LGA1356), SocketR(LGA2011) и др.)
2)для мобильных ПК: Socket495, Socket479, Socket441, SocketM, SocketP.
3)серверные: Socket8, PAC418, Socket603, Socket604, PAC611, SocketJ(LGA771), SocketB, SocketH, SocketTW(LGA1248), SocketLS(LGA1567).
Разъёмы ЦП AMD: 1)настольные: SocketA (Socket462), Socket754, Socket940, Socket939, SocketAM2, SocketF(Socket1207), SocketAM+, SocketAM3, SocketAM3+, SocketFM1, SocketFM2.
2)мобильные: SocketA, Socket754, Socket563, SocketS1, SocketFS1, SocketFP1, FT31
3)серверные: SocketA, 940, SocketF, SocketF+, SocketG34, SocketC32.
Оперативная память
Оперативная память (ОЗУ/RAM) – используется для оперативного обмена информации (командами или данными) между процессором, внешней памятью и периферийными устройствами. С англ. данный тип памяти переводится как память с произвольным доступом. Произвольность доступа подразумевает возможность записи в любую ячейку ОЗУ или чтение любой ячейки ОЗУ в произвольном порядке. На данный момент выделяют два типа оперативной памяти: статичекая и динамическая. Разница между ними заключается в том, что в статической оперативной памяти поддержание сигналов на конденсаторах осуществляется постоянно, в динамической оперативной памяти заряд на конденсаторах регенерируется (примерно каждые 18мкС) с помощью специального сигнала. В связи с этим микросхемы SRAM более производительные, однако они имеют более большие габаритные размеры. Микросхемы DRAM более медленные, однако у них более высокая плотность упаковки элементов, что означает возможность размещения на одной печатной плате большего объёма памяти.
Различные типы памяти нашли разные применения в ПК. Более быстрая статическая память применяется в кэш-памяти процессора. Динамические виды памяти применяются в качестве буферной памяти различных устройств, а также в качестве основной оперативной памяти. На данный момент наиболее распространённым типом динамической оперативной памяти является память типа SDRAM, и её разновидности DDR1, DDR2, DDR3, DDR5 (в видеоадаптерах).
Структура динамической памяти
Динамическая память получила своё название от принципа действия и её запоминающих ячеек, которые выполнены в виде конденсаторов, образованных элементами полупроводниковых микросхем. При записи логической 1 в ячейку конденсатор заряжается, при записи 0 разряжается. Схема считывания разряжает через себя этот конденсатор, и если заряд был не нулевым, выставляет на своём выходе единичное значение и подзаряжает конденсатор до прежнего уровня. При отсутствии обращения к ячейке со временем за счёт токов утечки конденсатор разряжается и информация теряется. В связи с этим такая память требует постоянной периодической подзарядки конденсаторов, то есть память может работать в динамическом режиме (требуется постоянное обращение к каждой ячейке памяти).
Благодаря относительной простате ячейки динамической памяти на одном кристалле можно разместить миллионы ячеек и получают самую дешёвую полупроводниковую память достаточно высокого быстродействия с умеренным энергопотреблением.
Оперативная память также отличается видами модулей. Все модули оперативной памяти стандартизированы и имеют взаимную совместимость. Выделяют два вида модулей: SIMM, DIMM. Каждые из этих модулей также делятся по количеству дорожек. На данный момент применяются модули типа DIMM с двухстасорока контактными пластинами.
Кроме этого модули оперативной памяти так же различаются наличием и расположением ключей.
ключ
В более старых модулях памяти располагалось два ключа. Памяти типа DDR2, DDR3 находится только один ключ, однако он располагается на разном расстоянии от края. В связи с этим модули памяти DDR2, DDR3 не совместимы.
Клавиатуры
| Микропроцессор |
| Буфер данных |
Данные
| Буфер синхроимпульсов |
| Клавишное поле |
| Схема опроса клавиш |
| Индикация |
| Питание |
Независимо от типов применяемых датчиков нажатия клавиш, все они объединяются в матрицу – клавишное поле. Клавиатура содержит внутренний контроллер(микропроцессор), осуществляющий сканирование матрицы клавиш, управление индикаторами, внутреннюю диагностику и связь с материнской платой.
Внутренний контроллер клавиатуры способен определить факты нажатия и отпускания клавиш. При нажатии клавиши клавиатура передаёт идентифицирующий её скан-код. При удержании клавиши в нажатом положении через некоторое время клавиатура начинает авто-повтор передачи скан-кода. Так же скан-код передается при отжатой клавиши. Сам по себе скан код представляет собой некоторую последовательность битов, которая представляет собой номер, идентифицирующий расположение клавиши в клавишном поле.
При работе клавиатуры микропроцессор постоянно сканирует клавишное поле на предмет нажатия/отжатия клавиш. В случае если клавиша нажата, микропроцессор вырабатывает соответствующий скан-код. Затем этот скан-код передается по интерфейсу на материнскую плату в контроллер клавиатуры/мыши. В Случае если интерфейс занят, информация помещается в буфер……….
В портативных устройствах на данный момент широко применяются мембранные клавиатуры. Эта клавиатура является разновидностью предыдущей, но в ней нет отдельных клавиш. Контакты находятся на печатной плате, над ними устанавливается резиновый колпачок, всё это представляет собой единую конструкцию. Над каждой мембраной устанавливается клавиша. При нажатии клавиша продавливает мембрану во внутрь и она закарачивает контакты. При отпускании клавиши мембрана восстанавливает исходное положение. Такие клавиатуры мало пригодны для длительной печати, посколько клавиши имеют жесткий ход. Однако в связи с тем, что данный вид клавиатур имеет минимум деталей, поэтому она считается довольно безопасной в плане отказоустойчивости. Кроме этого такие клавиатуры наиболее дешёвые.
В качестве бесконтактных клавиатур в производство пошли клавиатуры с ёмкостными датчиками. Такие клавиатуры дороже чем контактные, но они более устойчивые к загрязнению и коррозии.
В ёмкостных датчиках нет замыкающих контактов. Их роль выполняет две смущающиеся относительно друг друга пластинки и специальная схема, реагирующая на изменение ёмкости между ними. Клавиатура представляет собой набор таких датчиков. Благодаря бесконтактным датчикам такая клавиатура устойчива к коррозии и загрязнению, в ней практически отсутствует дребезжание (явление, когда при одном нажатии на клавишу символ выводится несколько раз). Кроме этого такой вид клавиатур является наиболее долговечным. Единственный недостаток такой клавиатуры высокая стоимость.