Архитектура информационных систем. Литература по теме Практические задания Тема Устройство персонального компьютера системный блок и периферия Вопросы для самопроверки Литература по теме
 Скачать 5.96 Mb.
|
|
Тема 3. Типы и логическое устройство материнских плат Цели и задачи: Цели и задачи изученияданной темы – получение сведений о принципах устройства системной (материнской) платы IBM совместимых персональных компьютеров (ПК), устройствах размещенных на материнской плате, технических параметрах материнских плат. В результате успешного изучения темы Вы: Узнаете: · устройство системной (материнской) платы; · назначение и принципы работы отдельных устройств на материнской плате: регуляторы напряжения, конденсаторы, генератор тактовых импульсов, CMOS, BIOS и RTC; · основные технические параметры материнских плат; · принципы интеграции котроллеров различных устройств непосредственно на материнской плате. Приобретете следующие профессиональные компетенции: · умение определять технические параметры материнской платы по ее описанию из прайс-листа; · умение выбирать материнскую плату исходя из решаемых задач; · умение устанавливать параметры пользователя в CMOS, например пароль для загрузки ПК, системные дату и время. В процессе освоения темы акцентируйте внимание на следующих ключевых понятиях: BIOS (Basic Input/Output System) – базовая система ввода-вывода. С одной стороны BIOS это чип, размещаемый на материнской плате который может иметь объем от 512Kб до 4Мб памяти. С другой стороны BIOS это загрузочная программа, которая выполняется на последнем этапе процедуры POST. Программа BIOS производит первичную инициализацию устройств, осуществляет поиск операционной системы на внешних носителях и после обнаружения передает ей управление. Если операционная система не обнаружена, то BIOS ищет программу установки операционной системы и передает управление ей. В противном случае выдается сообщение о том, что загрузочный диск не обнаружен. Современные модели ПК позволяют осуществлять загрузку с CD – DVD дисков, а ноутбуки и другие портативные устройства с накопителей flash памяти (флэшек). Для терминальных рабочих станций BIOS производит инициализацию сетевого оборудования, осуществляет поиск и загрузку операционной системы с сетевого диска. В настоящее время ведутся работы по переходу с BIOS на UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) – универсальный загрузочный интерфейс. Дело в том, что BIOS, разработанный еще для шестнадцатиразрядных компьютеров уже не удовлетворяет современным требованиям к работе предзагрузочного окружения операционной системы. CMOS (Сomplimentary Metal Oxide Semiconductor) - интегральная схема, которая содержит особые параметры пользователя, например пароль, системные дату и время, порядок опроса устройств при поиске операционной системы. Как правило, доступ к меню настройки CMOS осуществляется нажатием клавиши «Del». Через это меню также можно изменить параметры работы оперативной памяти и процессора (например, выставить более высокую тактовую частоту, чем определенно по умолчанию). Однако следует помнить, что если параметры будут некорректными, это может привести к сбоям в работе ПК и даже выходу оборудования из строя. POST (Power-On Self-Test) – процедура тестирования устройств при включении ПК. Процедура POST проверяет наличие и работоспособность, а также определяет параметры процессора, оперативной памяти, интегрированных устройств и иного оборудования. При положительных результатах тестирования запускается программа BIOS. В противном случае на экран выдается сообщение об обнаруженном сбое или звуковой сигнал (например, в случае отсутствия или неработоспособности устройства передачи изображения). Форм-фактор - типо-размер комплектующих IBM совместимых ПК, определяющий их физические размеры и напряжение, подаваемое на те или иные разъемы питания. Чипсет - набор интегральных схем, устанавливаемых на материнской плате для обеспечения работы центрального процессора с периферийными устройствами. Также чипсет содержит весь набор параметров материнской платы (например, тактовая частота системной шины, поддерживаемая тактовая частота оперативной памяти и так далее). Теоретический материал по теме Материнская (системная) плата, в компьютерном обиходе называемая просто «мать» является основным устройством, размещаемым внутри системного блока. Если материнская плата выходит из строя, то компьютер вы даже не сможете включить, что возможно в любом другом случае (даже при поломке микропроцессора). Происходит это потому, что все устройства, в том числе и процессор, располагаются на материнской плате. Следует отметить, что материнская плата является самым уязвимым устройством компьютера и может легко пострадать от механических повреждений при сборке или сгореть от перепадов питания (не достаточных для того, чтобы вышел из строя блок питания), так как при этом основной удар материнская плата берет на себя. Тип материнской платы, определяющий возможность установки на нее различных устройств, характеризуется следующими основными параметрами: 1. форм-фактор и габариты; 2. тип разъема (слота, сокета) для установки микропроцессора; 3. чипсет; 4. тактовая частота системной шины; 5. параметры контроллеров устройств; 6. наличие и параметры слотов; 7. наличие и параметры интегрированных устройств. Печатная плата (Printed Circuit Board - PCB) это и есть плата, на которой размещаются все компоненты. PCB обычно состоит из нескольких слоев, состоящих из плоских камедевых пластин, между которыми находятся элементы цепи - соединительные линии, которые называются «дорожки». Обычная PCB имеет четыре таких слоя, два слоя, которые находятся сверху и снизу являются сигнальными слоями. Для некоторых МП нужно шесть слоев (см. рис. 17), такими МП являются МП, разработанные для двухпроцессорных систем или же когда количество контактов процессора превышает 425 контакта. Это потому, что сигнальные дорожки должны быть расположены вдали друг от друга, чтобы предотвратить перекрестные помехи и дополнительные слои решают эту проблему.  Рис. 17. Слои материнской платы Разметка и длина дорожек очень важна для нормальной работы системы. Основная задача снизить любое искажение сигнала из-за пересечения дорожек. Чем длинней дорожка и/или выше скорость передачи сигнала, тем больше перекрестных помех, откуда следует, что нужно увеличить расстояние между дорожками. Некоторые дорожки должны быть максимальной длины для сохранения непрерывности сигнала, например, такие, которые подходят напрямую к процессору. На материнскую плату подается напряжение от блока питания (БП)– 3.3V. Различные компоненты, установленные на МВ питаются от разного напряжения. Наиболее распространенные компоненты потребляют +5В (такие как чип BIOSа, часы реального времени, контроллер клавиатуры, DRAM чипы, логика большей части контроллеров, коннекторы) и +3.3В (L2 кэш, чипсет, SDRAM чипы, AGP). Двигатели накопителей и кулеры питаются от +12В. БП подключается к МП ATX – одним 20-контактным разъемом с ключом, исключающим возможность неправильного подсоединения к МВ, а также проводами дополнительного питания процессора (4 либо 8 контактов). Регуляторы напряжения. Различные компоненты, установленные на МП потребляют различное количество напряжения. Наиболее распространенные компоненты потребляют 5В (такие как чип BIOS-а, часы реального времени, контроллер клавиатуры, DRAM чипы) и 3.3В (L2 кэш, чипсет, SDRAM чипы). Процессор может потреблять от 2В до 8В. Скачки напряжения могут легко повредить все компоненты, и чтобы этого не произошло, на плату устанавливаются регуляторы напряжения. Модули, которые отвечают за работу регуляторов напряжения называются VRM (Voltage Regilate Module - модуль стабилизатора напряжения). На МП для процессоров Pentium, в основном требуется два регулятора напряжения - один для контроля напряжения на I/O (3.3В), а другой для самого процессора или, как еще говорят напряжение на ядре процессора. Для того, чтобы использовать как можно больше различных типов процессоров, схема должна держать определенный диапазон напряжения. Для этого обычно на плату устанавливается набор резисторов соединенных с рядом контактов. Сейчас на большинстве МП стоит так называемый автодетект (автоопределение), это значит, что схема сама определяет и распределяет напряжение, ориентируясь по контактам на процессоре, что исключает потребность в джамперах (механических переключателях, которые нужно было переставлять вручную на старых моделях). Конденсаторы. Конденсаторы обеспечивают ровный поток напряжения в схеме. Это очень важно потому, что потребление энергии процессором может меняться мгновенно от низкого к высокому и наоборот, особенно когда выполняется режим приостановки работы (HALT) или возвращение в нормальное состояние. Регуляторы напряжения не могут реагировать мгновенно на изменения, для этого и «сглаживается» напряжение. Генератор тактовых импульсов (Clock Generator Chip). Каждый компонент в компьютере работает по импульсным тактам - но не каждый компонент работает на одних и тех же тактах. PCI, PCI-E, AGP, USB и системная шина - все работают на скоростях отличных друг от друга и поэтому требуют свой собственный тактовый сигнал. Процессору тоже нужен тактовый сигнал так же как и синхронным чипам памяти, таким как SRAM и SDRAM использующимся как главная память, тоже нужен сигнал. Так вот, генератор тактовых импульсов и генерирует все эти тактовые сигналы, необходимые для синхронной работы устройств с различной скоростью. BIOS и RTC (часы реального времени). Для того чтобы компьютер запустил операционную систему, ему нужна «программа раскрутки». Эта программа загружается из специально отведенного участка памяти и дает ровно столько информации, сколько надо для того, чтобы получить доступ к компонентам необходимым для полной загрузки операционной системы. Например, программа должна загрузить информацию об устройстве для FDD и HDD, а так же для видео системы. На компьютере эта информация храниться в чипе постоянной памяти, которая называется BIOS (Basic Input/Output System). Этот чип может иметь примерно от 512Kб до 4Мб памяти, который программируется на заводе и может быть перепрограммирован только программой, которая включает специальный режим в котором память может быть перезаписана новой загрузочной программой. Эту процедуру обычно называют «Прошивкой BIOS-а». Когда компьютер включен, запускается специальный процесс, называемый Power-On Self-Test - POST (Само-Проверка-При-Включении), который определяет процессор, сколько установлено памяти и все ли зарегистрированные компоненты присутствуют и работают. После того, как эта операция выполнена, алгоритм загрузки на каждом загружаемом устройстве ищет специальный набор инструкций. Первый набор инструкций, который удовлетворяет критерию, загружается в память и извлекается. Если все настроено правильно, эти инструкции завершат процесс загрузки, загрузив операционную систему. Для того, чтобы дать BIOS-у знать какой специальный компонент должен поддерживаться, существует интегральная схема CMOS (Сomplimentary Metal Oxide Semiconductor), которая содержит особые параметры пользователя, которые считываются сразу после того, как определен процессор. Эта схема обычно встраивается в чип часов реального времени (Real Time Clock - RTC), в котором содержится информация о дате и времени. До меню параметров в CMOS можно добраться через специальное меню во время процесса POST, в основном это меню появляется в при нажатии клавиши DEL в то время как производится подсчет памяти и далее изменения вводятся в ручную. Эти изменения должны быть сохранены для того, чтобы они вступили в силу. Если приборы настроены не правильно, система может не загрузить операционную систему или компоненты будут не доступны после загрузки операционной системы. RTC и CMOS хранят информацию только тогда, когда поступает напряжение, которое подается из небольшой батареи на МП. Если эта батарея повреждается или отсоединяется, информация в CMOS теряется и должна быть введена заново во время следующей загрузке. 1.Форм-фактор и габариты материнской платы. Материнская плата должна иметь тот же форм-фактор (типо-размер), что и блок питания в корпусе, в который она будет установлена. Самый распространенный на сегодняшний день форм-фактор - ATX (30,5х24 см). Существует также разновидность последнего стандарта - Micro ATX (mini-ATX, 28,4х21 см), но корпус для любого варианта используется тот же самый, хотя mATX можно поставить и «маленькие» корпуса Midi- и Mini Tower. Редко встречаются стандарты LPX и NLX, они используются только для сборок фирменных моделей компьютеров. Форм-фактор АТХ отличают следующие признаки: · все внешние разъемы располагаются в 2 этажа и напаяны у правого края РСВ; · процессор находится под блоком питания, который создает дополнительное охлаждение; · разъемы контролеров floppy и IDE (для подключения устройств HDD и CD-R) располагаются близко к корзине для крепления винчестера и дисководов, а модули оперативной памяти легкодоступны. 2.Тип разъема (слота, сокета) для установки микропроцессора. Процессор физически и электрически должен быть совместим с МП. Компания Intel ведет политику постоянной смены типов разъемов: Socket 370 ® Socket 423 ® Socket 478 ® Socket 775 ® Socket 1155 и Socket 1156 ® Socket 2011. Материнские платы и процессоры, использующие Socket 775, выходят из употребления, и приобретаются в основном для сборки недорогих компьютеров офисного или домашнего применения. Дело в том, что данный тип слота, в отличие от более поздних решений, не позволяет устанавливать многоядерные процессоры. 3.Чипсет. Чипсет – это набор интегральных схем, устанавливаемых на материнской плате для обеспечения работы центрального процессора с периферийными устройствами. Чипсет управляет работой всех остальных контроллеров и компонентов, согласуя их работу во времени, именно в нем содержится информация о тактовых частотах устройств, типах процессоров, параметрах контроллеров устройств и другая информация. На протяжении нескольких лет, Intel владела примерно 90% рынка производителей чипсетов, но сейчас эта ситуация изменилась, основную конкуренцию составляют чипсеты AMD, VIA, ALi и SiS. В настоящее время пользуются популярностью чипсеты Intel NM10, AMD Hudson M1 FCH, Intel H61, Intel Z68, Intel P67, Intel H55. 4.Тактовая частота системной шины. Каждый чипсет МП имеет особые характеристики, которые выражаются в синхронизации (стробировании), в диапазоне поддерживаемых частот. За опорную частоту берется частота системной шины (Frequence of Serial Bus - FSB), которая, благодаря особенностям работы генератора, управляет частотой локальных шин через встроенные коэффициенты деления, которые находятся от неё в прямой зависимости. Для каждой шины чипсет может поддерживать как один, так и несколько коэффициентов. Обычно, наличием нескольких делителей, а соответственно, и более широкими возможностями по установкам CPU и разгону, славятся чипсеты VIA и SIS. Так уж придумали, что коэффициент меняется через каждые 33 МГц по опорной частоте. Для локальной шины с базовой частотой 33МГц (PCI) должны поддерживаться коэффициенты соотношения с системной шиной ½ (при FSB=66-99МГц); 1/3 (для 100-133МГц) и ¼ (для 133-166 МГц), т.е. используются делители 2, 3 и 4. Для шины 66МГц (AGP) должен поддерживаться коэффициент 1, 2/3 и ½ соответственно, а делители соответственно – 1, 1.5 и 2. Тоже самое относится и к шинам USB, PCI, PCI-E, В промежутках, где коэффициент неизменен, с ростом частоты FSB растёт и частота локальных шин, что характерно для разгона по шине. 5.Параметры контроллеров устройств. Как мы выяснили, «мама» - это РСВ с напаянными на неё контроллерами и разъемами. Стандартом стало наличие двухканального контроллера HDD с поддержкой режима UltraDMA 66/100/133, контроллер FDD, контроллер HDD SATA (SATA II, SATA III), контроллер портов, в том числе USB с пропускной способностью от 10 Кбит в секунду до 480 Мбит в секунду и IR-порт. Существуют котроллеры, которые обычно не включаются в чипсет потому, что устройства, для которых они предназначены, не являются общепринятыми и требуют лишних расходов. Сюда входят SCSI (80-160 Мбит/с) и IEEE1394 (FireWire, 400 Мбит/с) контроллеры. Если производитель МП хочет включить поддержку устройства, который не поддерживается чипсетом, надо будет добавлять дополнительный контроллерный чип. Наиболее важными являются контроллер прерываний 8259, контроллер клавиатуры и контроллер ввода/вывода (Super I/O). В качестве IDE-контроллера VIA использует свою микросхему 571, ACPI – 30xx, FDD – 8251 и USB – 3038. Одной из самым важных на плате является микросхема Super I/O, которая включает контроллер гибких дисков, контроллер последовательных и параллельного портов, контроллер клавиатуры и мыши. В хороших Super I/O реализована функция буферизации потоков в портах с помощью микросхемы UART NS 16550A, которая позволяет значительно увеличить пропускную способность до 115 Кб/с. 6.Наличие и параметры слотов. В число слотов шин ввода/вывода, присутствующих на плате, могут входить ISA (Industry Standard Architecture), PCI (Peripheral Component Interface), PCI –E, AGP (Advanced Graphics Port) и AMR (Audio Modem Riser). Слоты ISA позволяют использовать «старинные» 8-битные и 16-битные карты, которые имеют рабочую частоту работы шины 8МГц и на современные МП не устанавливаются. PCI слоты работают в 32-битном режиме и поддерживают скорость работы шины до 33МГц (в определенных продуктах и 66МГц). AGP слот - это специальный 32-битный слот для видеокарт и работает он на частоте 66МГц, обеспечивая значительную пропускную способность для графических приложений (до 1 ГБ/с в режиме 4Х, 266 МГц). Стандартом стало использование 2 контроллеров USB 3.0 с пропускной способностью до 5 Гбит/с. В настоящее время слоты AGP практические не используются, а видеокарты устанавливаются в слот PCI-E. Современные видеокарты обладают большой вычислительной мощностью, и, соответственно, имеют большое энергопотребление и тепловыделение. В итоге в ряде качественных «матерей» стал применяться более дорогой разъём AGP Pro. В нём кроме стандартных контактов AGP используются 48 дополнительных контактов электропитания. Разъем удлинился за счет присоединения через ограничитель в слоте 20 контактов с одной стороны и 28 с другой. AGP Pro позволяет использовать видеокарты мощностью до 110 Вт! Стандартные AGP-видеокарты совместимы с разъемом AGP Pro, но обратной совместимости нет. Для установки модулей оперативной памяти старые МП использовали FPM или EDO SIMM-ы (Single Inline Memory Module), но сейчас основной стандарт ОЗУ - SDRAM DIMM-ы (Dual Inline Memory Module), спецификации DDR 3 (double-data-rate). На сегодняшний день вряд ли можно насчитать два-три чипсета, которые имеют поддержку для FPM или EDO, а производители перешли на разъемы памяти DIMM. 7.Наличие и параметры интегрированных устройств. Последние несколько лет одной из наиболее «горячих» тем была тема интеграции МП - нужно ли встраивать видео, звук, и другие возможности в МП. Большинство продвинутых пользователей и любителей компьютерных игр решительно выступают против интеграции МП, так это ограничивает возможности их выборе и считают, что интеграция должна осуществляться на МП класса low-end, которые поставляются на «массовый рынок». С другой стороны, производители находят интеграцию МП довольно привлекательной, так как это позволяет им представлять пользователю более функциональный продукт и в то же время снизить цену на товар в связи с уменьшением нескольких расширительных гнезд и меньших размеров PCB. Сейчас многие МП предлагают интегрированные решения, включая звук, видео, адаптер локальной сети и SCSI контроллеры. Подобные МП не только выигрывают в цене, они также имеют преимущества в установке, которая проходит быстро и легко. Кроме того, в случае необходимости интегрированные устройства можно отключить через меню CMOS и установить другие контроллеры. В качестве интегрированного звука используются наиболее продвинутые контроллеры, удовлетворяющие спецификации AC’97. Эта спецификация разделяет контроллеры на 2 части, соединенные интерфейсом AC’97 Link. Первая часть (цифровая) обеспечивает связь с CPU и контролирует соответствующие цифровые потоки. Вторая (аналоговая) часть участвует в оцифровке сигнала и его раскодировании. Встроенная графика до последнего времени была реализована не слишком хорошо, впрочем, для офисных систем этого было более чем достаточно. Но расширение возможностей CPU привело к возможности создания мощных видеосредств, примером чему является чипсет nVidia nForce x20D, который имеет встроенную GeForce MX и обеспечивает изображение, близкое к реальному GF MX AGP. Создание было реально из-за того, что используется двухканальная память DDR, и нагрузка на ОЗУ минимальна, кроме того, nVidia сама производит эти видеочипы. Неплохое качество обещано и в i845G. Чипсеты со встроенным i752 видео особого распространения не получили, т.к. подразумевали использование части ОЗУ в качестве видеопамяти. В качестве примера рассмотрим материнскую плату Asustek P8H61 EVO (рис. 18). Описание по прайс-листу: Мат. плата Socket1155 ASUS «P8H61 EVO» rev.3.0 (iH61, 2xDDR3, SATA III, SATA II, PCI-E, SB, 1Гбит LAN, USB2.0, USB3.0, ATX). Спецификация: 1. тип слота для установки микропроцессора: Socket1155; 2. чипсет: Intel H61; 3. производитель:Asustek; 4. название материнской платы (маркировка): P8H61 EVO; 5. слоты оперативной памяти: 2 разъема DDR3; 6. слоты расширения: PCI-E; 7. интегрированные устройства: звуковая карта с саундбластером, сетевая карта 1Гбит/с; 8. контроллеры жестких дисков и DVD: Serial ATA III и Serial ATA II; 9. порты: USB 2.0, USB3.0; 10. форм-фактор: ATX.  Рис. 18. Материнская плата Asustek P8H61 EVO Вопросы для самопроверки: 1. Какие основные параметры определяют тип материнской платы? 2. Что означает понятие «интегрированная материнская плата»? 3. Какая информация хранится в BIOS и CMOS? 4. Возможно ли изменение информации BIOS? 5. Для чего нужен генератор тактовых импульсов? 6. Какие микросхемы и модули расположены на материнской плате? 7. Какие типы слотов вы знаете? 8. Что происходит во время выполнения процедуры POST? 9. Возможна ли потеря информации в CMOS? 10. Для чего необходим чипсет? Напишите небольшое эссе (объемом в 2-3 страницы) по одному из перечисленных ниже вопросов: 1. Процесс производства материнских плат. 2. Сравнительный анализ материнских плат разных производителей. 3. Интегрированные материнские платы: достоинства и недостатки. 4. Особенности материнских плат для ноутбуков. 5. Процесс перезаписи BIOS (алгоритм процесса, используемое программное и аппаратное обеспечение). 6. Сравнительный анализ AMI BIOS и AWARD BIOS. 7. Система звуковых сигналов POST. 8. Эволюция версий BIOS (на примере какой-либо материнской платы). 9. Архитектура чипсета (основные блоки и их назначение). 10. Перспективы развития слотов системной шины. Литература по теме: Основная литература: 1. Аппаратное обеспечение вычислительных систем / Д.В. Денисов, В.А. Артюхин, М. Ф. Седненков; под ред. Д.В. Денисова. – М.: Маркет ДС, 2010 – 184 с. (Университетская серия). Дополнительная литература: 1. Вычислительная техника: учеб. пособие. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. – 608 с.: ил. – (Профессиональное образование). Глава 3, п. 3.7 (стр. 272-277). 2. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебник. – М.: ФОРУМ, 2008. – 512 с.: ил. – (Профессиональное образование). Глава 4, п. 4.5 (стр. 447-456). Видеоролики: 1. Установка материнской платы // http://video.mail.ru/mail/bor-volodya/293/36.html. 2. Системная плата // http://www.youtube.com/watch?v=IewQJnNZV60. 3. Установка материнской платы // http://youtu.be/ZuVwO4dkEKo. 4. Работа в BIOS // http://youtu.be/IXBraJa3vXE. 5. Настройка BIOS // http://youtu.be/5Zilqbum7QA. Практические задания: Задание 1. Дано описание материнской платы по прайс-листу: Мат. плата Socket1156 MSI «H55M-E23» (iH55, 2xDDR3, SATA II, PCI-E, D-Sub, DVI, HDMI, SB, 1Гбит LAN, USB2.0, mATX). Проведите описание технических параметров (спецификации) данной материнской платы аналогично примеру в конце темы. Задание 2. Дано описание материнской платы по прайс-листу: Socket 1156 GIGABYTE «GA-H55M-D2H» (iH55, 2xDDR3, SATA II, U133, 2xPCI-E, D-Sub, DVI, HDMI, SB, 1Гбит LAN, USB2.0, mATX). Проведите описание технических параметров (спецификации) данной материнской платы аналогично примеру в конце темы. Задание 3. Дано описание материнской платы по прайс-листу: Socket 478, Intel 865PE/ICH5, Gigabyte (GA-8IPE1000MK) Hyper-Threading, FSB/800МГц, Dual Channel DDR/400МГц, AGP8x/1.5v, 3xPCI, Звук/5.1, Сеть 100Мбит/с, Serial ATA/150, USBv2.0, ATA/100, mATX (Retail). Проведите описание технических параметров (спецификации) данной материнской платы аналогично примеру в конце темы. Задание 4. Определите последовательность сборки материнских плат на примере завода компании «Gigabyte». Для этого расставьте картинки в соответствии с последовательностью производственного цикла. 1 – С 6 - 2 - 7 - 3 - 8 - 4 - 9 - 5 - 10 -    Задание 5. Подумайте и напишите, какой принцип и почему нарушается при изготовлении интегрированных материнских плат, какие достоинства и недостатки есть у интегрированных материнских плат. |