Арифметические основы вычислительных машин

Обычно компьютер имеет в своем составе два интерфейса RS-232C, которые обозначаются COM1 и COM2.

RS-232 обеспечивает передачу информации между двумя устройствами на расстоянии до 15 м.

 

Интерфейс IEEE 1284

Также используются синонимы: параллельный порт, порт принтера, LPT (англ. Line Print Terminal).

В основном используется для подключения к компьютеру принтера, сканера и других внешних устройств, однако может применяться и для других целей (организация связи между двумя компьютерами, подключение каких-либо механизмов телесигнализации и телеуправления). В основе данного стандарта лежит интерфейс Centronics и его расширенные версии (ECP, EPP). Стандарт IEEE 1284 предусматривает двустороннюю передачу данных между компьютером и периферийным устройством со скоростью передачи до 2 Мбайт/с.

В настоящее время этот интерфейс втесняется интерфейсом USB, который обеспечивает более высокую скорость печати и надёжную работу принтера.

 

Интерфейс IEEE 1394

Последовательная высокоскоростная шина (используются синонимы FireWire, i-Link). Используется в основном для:

• Подключения видео мультимедийных устройств (используется как средство копирования с видео камеры в файлы и для захвата видео).
• Подключения Жёстких дисков.

Последние версии стандарта позволяют передавать данные  c максимальной скоростью — 3,2 Гбит/с. Максимальная длина кабеля может достигать 100 метров. Шина IEEE 1394 позволяет подключать до 63 устройств.

Интерфейс FireWire обеспечивает «горячее» (без отключения компьютера) подсоединение внешних устройств.

Этот интерфейс обычно присутствует на достаточно дорогих материнских платах.

 

Интерфейс USB

Спецификация периферийной шины USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) была разработана для подключения компьютерной периферии вне корпуса компьютера с автоматическим автоконфигурированием (Plug and Play). Первая версия стандарта появилась в 1996 г. В настоящее время существует два варианта этой шины:

• USB 1.1 – 12 Мбит/с;
• USB 2.0 – 480 Мбит/с.

Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное подключение/отключение, шина поддерживает «горячее» подключение и отключение устройств. Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводной кабель, при этом два провода (витая пара) используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания, USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания.

К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда», в том числе и концентраторы (HUB), к которым можно еще присоединить 127 устройств. HUB может быть как отдельным устройством с собственным блоком питания, так и встроенным в периферийное устройство. Наиболее часто HUB'ы встраиваются в мониторы и клавиатуры.

 

Шина USB официально обозначается иконой показанной на рис. … Как видно изображение отображает идею топологии USB.

 

Интерфейсы накопителей

Интерфейсы накопителей (жестких дисков и DVD/CD приводов) связывают сам накопитель с контроллером, подключенным к какой-либо внутренней шине, т.е. они занимают некоторое промежуточное положение между интерфейсами внутренних шин расширения и интерфейсами периферийных устройств. В настоящее время для подключения накопителей применяют два наиболее распространенных семейства интерфейсов: IDE (ATA, SATA) и SCSI (Fast/Wide, Ultra 2, Fibre Channel, SAS). Функции контроллера для современных накопителей реализуются в самом накопителе, а устройство, сопрягающее интерфейс накопителя с одной из внутренних шин компьютера, выполняет лишь роль адаптера интерфейса (моста).

Детальный разбор этих интерфейсов будет проведен в пособии, посвященном жестким дискам.

Архитектура материнской платы

Компоненты на материнской плате

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard — дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения (слотов).

Современные «материнки» используют многослойные текстолитовые печатные платы (обычное число слоев – 4–6). Использование многослойной конструкции позволяет при сохранении стандартных размеров платы развести электрические цепи так, чтобы уровень создаваемых ими взаимных помех был минимальным. По слоям, расположенным в глубине платы, обычно разводят цепи питания и заземления, а по прочим, включая верхний и нижний, – цепи, передающие сигналы.

От блока питания на материнскую плату через специальный разъем поступает питание. Какое именно напряжение подается можно установить по цвету проводов. К разъёму питания в стандартном варианте подводится следующее напряжение: +12 V (желтый), +5 (красный), общий провод (масса, чёрный), +3.3 V (оранжевый), -12 V (голубой), -5V (белый).

Основные элементы, которые в том или ином виде находятся на материнской плате:

• Процессор, установленный в специальный разъем. Как правило, на процессор устанавливают радиатор с вентилятором.
• Вторичные источники питания, которые используется для питания всех устройств не питающихся от 5В. В любой современной плате имеется не мене 4 вторичных источников питания: один для ядра процессора от 2.0в/1.45в. (все процессоры начиная с Pentium MMX имеют двойное питание), остальные выдают напряжение 3.3в, 2.5в, 1.5в и используются для памяти или для логики самой материнской платы. Стабилизаторы практически всегда импульсные и для их реализации используются специальные микросхемы а также электролитические конденсаторы.
• Тактовый генератор (System Clock), он же опорный генератор, который синхронизирует работу различных компонентов материнской платы.
• Разъемы (слоты) для модулей оперативной памяти. В настоящее время используются разъемы с 168 контактами – для модулей DIMM (выходят из обращения) и с 184 контактами – для модулей DDR. Количество и тип разъемов зависит от типа материнской платы.
• Разъемы (слоты) для установки карт расширения. Как правило, на материнских платах имеются разъемы для карт стандарта PCI. В недавнем прошлом на них еще имелись разъемы, предназначенные для карт стандарта ISA. Также имеется слот для подключения видеокарты (AGP или PCI Express для более современных материнских плат). Наличие разъемов и возможность установки в них любых карт расширения (видеоадаптера, звуковой карты, модема, карты АЦП и др.) определяются открытую архитектуру РС.
• Микросхема перепрограммируемой памяти, в которой хранятся программы BIOS (Basic Input/Output System - основная система ввода/вывода). BIOS представляет собой набор программ проверки и обслуживания аппаратуры компьютера, и выполняет роль посредника между операционной системой и аппаратурой. BIOS получает управление при включении и сбросе системной платы, тестирует саму плату и основные блоки компьютера – видеоадаптер, клавиатуру, контроллеры дисков и портов ввода/вывода. Процедура самотестирования компьютера называется POST (Power On Self Test) — самотестирование после включения. После выполнения тестирования BIOS настраивает Chipset платы и загружает внешнюю операционную систему.
• Микросхема памяти CMOS, в которой хранятся текущие настройки BIOS (CMOS Setup).
• Аккумуляторная батарея для питания микросхемы памяти CMOS, и электронного таймера (системных часов).
• Разъемы для подключения накопителей HDD, FDD, CD-ROM, последовательные порты для подключения периферийных устройств (мышь, модем и др.), параллельные порты для подключения принтера, сканеров некоторых типов и др., несколько разъемов USB.
• Контроллер ввода/вывода – микросхема системы ввода вывода (MIO,  Multi Input Output chip), которая включает в себя: контроллер накопителя на гибких дисках, контроллер последовательного и параллельного интерфейсов, контроллер клавиатуры.
• Набор микросхем чипсет (Chipset) высокой степени интеграции для управления обменом данными между всеми компонентами РС.

На некоторые материнские платы устанавливаются микросхемы, выполняющие функции видеоадаптера, звуковой карты, сетевой карты и т.д. Эти меры приняты с целью экономии места в корпусе РС и увеличения количества свободных слотов. Но дальнейшая модернизация любого интегрированного компонента невозможна.

Для создания материнских плат обычно используют специальный набор микросхем – чипсет. Обычно он состоит из двух основных частей (двух микросхем): южного и северного моста (North Bridge, South Bridge), но нужно отметить, что сейчас встречаются варианты, выполненные на одной микросхеме.  Такое название микросхем обусловлено их положением на плате: северный — выше, южный — ниже. Слово «мост» очень точно передает назначение микросхем, которые, как уже отмечалось выше, служат связующим звеном между различными шинами и интерфейсами (являются мостами между устройствами компьютера).

Применение двух микросхем (двух мостов) диктуется следующим соображением: чем ближе разъем к контроллеру, тем стабильнее работает интерфейс (или шина) и проще развести дорожки на плате. Поэтому Северный мост, расположенный в окрестности разъемов процессора, памяти и PCI Express (либо AGP), содержит в себе соответствующие контроллеры. Южный мост, в свою очередь, находится близко к слотам периферийной шины, разъемам АТА, SATA, часть разъемов USB также размещается с ним рядом.

Перечислим функции и состав каждого из мостов.

Северный мост (синоним – системный контроллер) обеспечивает быстрые взаимодействия на системной плате, прежде всего взаимодействие процессора с памятью (по шине FSB - Front Side Bus) и видеоадаптером, а также, посредством специальной шины, с южным мостом.

Включает в свой состав контроллер памяти (контроллер памяти может быть интегрирован в процессор), контроллер шины видеоадаптера (AGP или PCI Express). Для компьютерных систем нижнего ценового уровня в северный мост нередко встраивают и сам графический видеоадаптер.

В современных системах, когда компьютер становится быстрее, чип всё более нагревается. Поэтому на сегодняшний день нередко используются различные типы охлаждения северного моста, например радиаторы, кулеры (вентиляторы) или жидкостное охлаждение.

Южный мост (функциональный контроллер), также известен как контроллер-концентратор ввода-вывода (англ. I/O Controller Hub – ICH). Это микросхема, которая реализует «медленные» взаимодействия на материнской плате между чипсетом материнской платы и её компонентами. Южный мост обычно не подключён напрямую к процессору, в отличие от северного моста.

Функционально южный мост включает в себя:

• контроллер шины PCI;
• контроллеры для подключения жестких дисков и DVD/CD приводов (SATA или ATA);
• DMA контроллер, контроллер DMA позволяет устройствам, подключенным к шинам получать прямой доступ к оперативной памяти, обходясь без помощи процессора;
• контроллер прерываний, контроллер прерываний обеспечивает механизм информирования процессора о событиях в периферийных устройствах;
• контроллер шины LPC, через этот интерфейс к южному мосту подключены микросхема перепрограммируемой памяти (BIOS) и контроллер ввода-вывода, который объединяет интерфейсы различных низкочастотных устройств;
• управление питанием (Power management), позволяют перевести компьютер в «спящий режим» или выключить его;

Южный мост также обеспечивает нормальную работу системных часов (RTC - Real Time Clock) и микросхемы BIOS.

Южный мост может включать в себя звуковой контроллер, а также контроллер Ethernet (для подключения к локальной сети).

Поддержка клавиатуры, мыши и последовательных портов обычно осуществляется с помощью микросхемы контроллера ввода/вывода, которую также называют: контроллер I/O, Super I/O, MIO (Multi Input Output).

Контроллер ввода/вывода объединяет интерфейсы различных низкочастотных устройств. Как правило, включает в себя следующие функции:

• контроллер дисковода флоппи;
• параллельный порт (LPT);
• один или более последовательных (COM) портов;
• интерфейс мыши (PS/2);
• интерфейс клавиатуры (PS/2).

Контроллер ввода/вывода также может включать в себя и другие интерфейсы, такие как игровой (MIDI или джойстик) или инфракрасный порты. Благодаря сочетанию многих функций в одной микросхеме, уменьшилось число контроллеров на материнской плате, и таким образом, уменьшилась и её стоимость. Кроме того, Super I/O следит за температурами, напряжениями и скоростями вращения вентиляторов.

Изначально контроллеры I/O связывались с процессором через ISA шину. Современные контроллеры ввода/вывода для связи с южным мостом используют шину LPC вместо шины ISA. Во многих чипсетах MIO интегрировано в южный мост частично или полностью.

Помимо слотов, портов и контроллеров на материнской плате имеются еще всевозможные переключатели и перемычки.  Например:

• переключатель частоты системной шины (Bus Clock Frequency),
• переключатели частоты шины PCI и AGP (PCI Clock Frequency),
• переключатель напряжения, подаваемого на процессор (Core Voltage),
• другие.

Местонахождение переключателей на материнской плате может различным, в зависимости от модели самой материнской платы. Как именно выставлять значения переключателей обычно можно посмотреть в паспорте материнской платы.

Пример системной платы

Рассмотрим архитектуру и расположение компононт системной платы на примере (Рис …).

Как это видно на рисунке, в верхней части платы расположено гнездо для установки процессора. Процессор при помощи процессорной шины соединяется с северным мостом, который содержит контроллер системной шины,  контроллер памяти и контроллер шины PCI Express. Северный мост соединен с двумя слотами для установки моделей системной памяти (DDR).

Соединение северного и южного мота выполняется с помощью специальной шины, носящей название HUB интерфейс (HI - Hub Interface, Hub это узел или центр чего либо). Hub-интерфейс представляет собой 8-разрядный интерфейс  с тактовой частотой 66 МГц. Маленькое число линий говорит о снижении количества помех и повышении устойчивости сигнала. Вообще понятие HI относится только к чипсетам фирмы Intel у других производителей аналогичные интерфейсы имеют другие названия, хотя выполняют те же функции и имеют, вероятно, похожие протоколы.

Южный мост содержит схемы, реализующие интерфейс контроллера шины PCI, интерфейс контроллера жесткого диска SATA и интерфейс USB), а также схемы, реализующие функции памяти CMOS и часов. Шина PCI в представленном примере имеет три слота, а шина  SATA четыре (т.е. мы можем подключить до четырех различных дисков). Внешний вид разъема представлен PCI на рис …. Разъем шины PCI традиционно делается из белой пластмассы.

Рисунок 3 Разъем шины PCI

 

Рисунок Схема системной платы

В южный мост встроен также хост-контроллер AC97 (он же цифровой контроллер, DC97, англ. digit controller. AC – сокр. Audio Codec), который отвечает за обмен цифровыми данными между системной шиной и аналоговым кодеком AC97. Аналоговый кодек - это небольшой чип, который осуществляет преобразования аналог->цифра и цифра->аналог в режиме программной передачи или по DMA. От качества применяемого АЦП/ЦАП во многом зависит качество оцифровки и воспроизведения звука.

Кроме этого на плате располагаются:

• Разъем, через который от блока питания на материнскую плату поступает питание.
• Два разъема (слота) для установки модулей оперативной памяти DIMM (DDR).
• Разъем FDD для подключения накопителя на гибких дисках (дискетах).
• Разъем IDE, который на данной плате предназначается для подключения привода оптических дисков (CD, DVD).
• Микросхема флэш-памяти, в которой хранятся программы BIOS.
• Аккумуляторная батарея для питания микросхемы памяти CMOS, и электронного таймера.
• Два разъема для подключения кабелей идущих к портам USB, расположенным на передней панели компьютера.
• Кварцевый генератор, стабилизируемый кварцевым резонатором, формирующий рабочие такты процессора. Кроме тактовки процессора в обязанности тактового генератора входит организация циклов системной шины.

Поясним термины, которые были использованы при описании системной платы:

Флэш-память - (англ. Flash-Memory) — твердотельная полупроводниковая энергонезависимая перезаписываемая память. Принципы работы флэш-памяти будут рассмотрены в разделе посвященном памяти.

Кодек (англ. codec, от coder/decoder — кодировщик/декодировщик или compressor/decompressor) — устройство, выполняющее преобразование данных. Кодеки  используются при цифровой обработке видео и звука. Также называется программа, выполняющая преобразование для звуковых и визуальных данных.

DDR (от англ. Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory) — синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных, тип оперативной памяти, используемой в современных компьютерах в большинстве случаев. Детально этот вид памяти будет рассмотрен в разделе посвященном памяти.