Файл: Устройства персонального компьютера (Классическая структура и принципы персонального компьютера).pdf

Эта плата, также называемая системной, «материнкой» и т.д. является основой любого ПК. Её иногда называют MB – английской аббревиатурой, произошедшей от слова «motherboard», материнская плата [1, с. 125].

Другая расшифровка аббревиатуры MB – «mainboard», главная плата. И она действительно главная, поскольку все элементы ПК подключены к ней либо непосредственно, либо через стандартные кабели.

В большинстве системных блоков плата располагается вертикально. Её прикручивают к одной из его стенок.

Рисунок 5 – Материнская плата

С точки зрения обычного пользователя материнская плата представляет собой прямоугольное изделие из стеклотекстолита. На ней размещаются множество деталей и разъёмов, соединённых проводящими элементами.

Основных функций у материнской платы несколько:

- передача управляющих сигналов от центрального процессора (ЦП) к различным устройствам;

- обмен данными между процессором и памятью (постоянной и оперативной);

- организация устройств долгосрочного хранения информации (жестких дисков и других внешних носителей) и обеспечение доступа к ним;

- подключение внешних устройств (видеокарт, средств обработки звука, внешней памяти, сетевых адаптеров, принтеров и т.д.);

- обеспечение ввода информации от пользователя или другого компьютера.

Ответ на вопрос, что такое материнская плата компьютера, следует из описания её функций. Системная плата является тем самым связующим звеном (точнее, целым комплексом связующих звеньев), без которого работа ПК в целом будет невозможной.

Непосредственно в разъёмы на материнской плате вставляются следующие устройства [1, с. 127]:

- процессор;

- модули памяти;

- видеокарта;

- звуковая карта;

- любые другие устройства со стандартными интерфейсами материнской платы (сетевые адаптеры, устройства обработки видео и т.д.)

Устройства хранения информации (жёсткие диски, BlueRay и прочие) подключаются к материнской плате не непосредственно, а при помощи стандартных кабелей. В настоящее время для таких устройств используется интерфейс SATA. Кроме того, существуют такие же разъёмы для подключения резервных хранилищ информации, располагающихся вне системного блока.

Различные периферийные устройства (клавиатура, мышь, принтер, флешки и пр.) могут быть подключены к плате при помощи интерфейса USB. Разъёмы USB могут находиться как непосредственно на плате, так и подключены к ней при помощи кабелей.

Иногда на материнской плате для обеспечения совместимости с некоторыми моделями клавиатур и мышей может использоваться интерфейс PS/2, разъём которого также расположен на ней.

Платы со встроенными видеоадаптерами имеют разъём видеоадаптера, предназначенный для подключения к монитору [1, с. 129].

Все компоненты, входящие в состав материнской платы жестко закреплены на ней при помощи пайки, клея или какого-либо другого способа соединения, а иногда и их комбинации. Теоретически для обычного пользователя материнская плата является неразборной.

К её главным составляющим относят:

- разъём для подключения ЦП, т.н. «сокет»;

- специальные крепёжные элементы для подключения системы охлаждения ЦП;

- несколько разъёмов для подключения оперативной памяти;

- микросхемы постоянной памяти;

- микросхемы чипсета;

- формирователи стандартных интерфейсов т.н. «шин» для работы с внешними устройствами;

- разъёмы для подключения внешних устройств к шинам (т.н. слоты расширения);

- контроллеры и разъёмы для подключения периферийных устройств;

- разъёмы для подключения основного и дополнительного электропитания;

- формирователи питающих напряжений для процессора, памяти и шин;

- простые звуковые адаптеры (на большинстве современных материнских плат);

- разъёмы для подключения кнопки включения и сброса ПК и индикаторов передней панели;

- другие устройства индикации и отладки (опционально);

Обычно, компоненты на плате группируются по своим функциям. Например, чипсет, модули памяти и систему электропитания располагают поближе к ЦП. Под слоты расширения отводят большую часть свободной поверхности материнской платы, чтобы крупногабаритные устройства (например, видеокарты) разместились там без проблем.

Разъёмы для подключения периферии располагаются по периметру материнской платы, считается, что такое расположение упрощает подключение устройств к ним [1, с. 131].

Часть разъёмов специально располагается в отдельном месте материнской платы, на так называемой задней панели разъёмов. Под заднюю панель в любом системном блоке сделано отверстие размерами 6,25 на 1,75 дюйма с допусками 0,08 дюйма (в среднем 159 на 45 мм).

На задней панели обязательно есть такие разъёмы:

- PS/2 для подключения мыши и клавиатуры;

- 4-8 разъёмов интерфейса USB;

- 3-6 разъёмов mini-jack для подключения звуковых устройств;

- RJ45 для подключения локальной сети.

Перечисленный набор присутствует практически у всех плат, но иногда к нему добавляются дополнительные разъёмы.

2.2. Центральный процессор

Центральный процессор компьютера CPU (Central Processing Unit — центральное обрабатывающее устройство или ЦПУ).

Это главный обработчик поступающей в компьютер информации. Центральный процессор выполняет все необходимые математические операции с поступающими данными, производит различные выборки из баз данных, архивирует и разархивирует наши файлы, занимается кодированием видео и т. д. [1, с. 133].

Рисунок 6 – Центральный процессор

На рис. 6 - это двухъядерный центральный процессор фирмы «Intel», вторая — его тыльная сторона. Этой стороной он и вставляется в процессорный разъем (сокет «socket») на материнской плате. На этих фото мы видим CPU форм фактора «LGA-775». Аббревиатура «LGA» это сокращение от англ. «Land Grid Array» — тип корпуса с матрицей контактных площадок. Устаревшие модели поставлялись в корпусах «PGA» (Pin Grid Array — матрица штырьковых контактов).

Введение нового форм фактора было обусловлено тем, что количество «ножек» (штырьков-выводов) CPU предыдущих поколений возросло до такой степени, что между ними начали появляться паразитные электрические наводки, влияющие на работу конечного устройства. Особенность «LGA» в том, что сами контакты перенесены с корпуса процессора на поверхность разъема (сокета), который расположен на материнской плате. На подложке чипа остаются только контактные поверхности (так называемые «пятачки»).

Центральный процессор компьютера состоит из квадратной пластинки текстолита, в которую намертво вмонтировано его ядро (кристалл кремния), а также — выводы электрических контактов, плюс — защитная крышка сверху.

Сейчас рынок десктопных процессоров делят между собой практически только две крупные компании: «Intel» и «AMD».

Схематически внутреннее устройство CPU можно изобразить следующим образом (рис. 7).

Рисунок 7 - Внутреннее устройство CPU [10, с. 241]

Если коснуться такого важного аспекта, как производительность ЦП, то она напрямую зависит от нескольких составляющих и из них же складывается:

- его тактовой частоты;

- количества ядер;

- количества и быстроты кеш памяти.

2.3. Оперативная память

Оперативная память компьютера, она же — DRAM (Dynamic Random Access Memory) — динамическая память с произвольным доступом или оперативное запоминающее устройство, сокращенно — ОЗУ.

Во время работы компьютера в оперативной памяти хранятся все данные и программы, запущенные во время работы пользователем. Слово «энергозависимая» в отношении памяти означает лишь то, что при выключении питания системного блока (завершения работы) оперативная память компьютера обнуляется. Исчезает все ее содержимое [10, с. 243].

Есть еще энергонезависимая память — это жесткий диск  компьютера, ведь данные на нем сохраняются даже после выключения питания.

«Динамическая память с произвольным доступом»: доступ (обращение) к разным ее ячейкам происходит в произвольном порядке и в разные моменты времени, отсюда и определение. А вот со словом «динамическая» ситуация более сложная.

Наименьшей единицей структуры оперативной памяти компьютера является ячейка. Массив близко расположенных ячеек объединяется в условные прямоугольные таблицы, которые называются матрицами. Горизонтальные линейки такой матрицы называют строками, а вертикальные столбцами. Весь прямоугольник матрицы носит название «страница», а совокупность страниц называется банком. Все эти вещи немного виртуальны, в том смысле, что, к примеру, «банком» может называться как целый модуль DIMM, так и отдельная его часть (микросхемы памяти, расположенные с одной его стороны).

В любом случае, схему строения оперативной памяти компьютера (ее фрагмента) можно видеть на картинке ниже (рис. 8).

Рисунок 8 - Схема строения оперативной памяти [10, с. 245]

Наименьшей единицей на физическом уровне является ячейка. Ячейка состоит из одного микро-конденсатора (на схеме выше обозначен как С) и трех транзисторов (VT). Конденсатор хранит небольшой заряд, а транзисторы выступают в роли «ключей», которые, с одной стороны, не дают заряду конденсатора самопроизвольно стечь, а с другой, — разрешают/запрещают доступ к конденсатору на чтение или изменение.

Каждый конденсатор может хранить наименьшую единицу информации — один бит данных. Если конденсатор заряжен, то, согласно двоичной системе счисления, применяющейся в компьютерах, — это логическая «единица», если заряда нет — логический «ноль» и данных нет.

В теории схема организации работы оперативной памяти выглядит красиво, но идеальных решений нет и на практике разработчикам приходится сталкиваться с тем, что заряд из конденсатора достаточно быстро уходит или происходит его частичная самопроизвольная разрядка (не спасают положение и «ключи»), поэтому не остается иного выхода, как периодически подзаряжать его.

В итоге, состояние всей памяти должно постоянно считываться и за небольшой промежуток времени снова обновляться (в противном случае все ее данные просто исчезнут). Вот именно поэтому она получила название «динамическая», имелось в виду ее динамическое автоматическое обновление или регенерация.

Также нужно учитывать то, что процесс считывания в DRAM деструктивен: после обращения к любой ячейке ее конденсатор разряжается и чтобы не потерять содержащиеся в ней данные конденсатор нужно снова зарядить. Второй «сюрприз» состоит в том, что, в силу конструктивных особенностей, дешифратор адреса строки/столбца отдает команду на считывание не одной конкретной ячейки, а сразу всей строки (или столбца). Считанные данные полностью сохраняются в буфере данных и потом из них уже отбираются запрашиваемые приложением. После этого сразу же нужно перезарядить целый ряд ячеек [10, с. 247].

Хоть и может показаться, что процесс регенерации (обновления) носит несколько хаотичный характер, но это не так. Контроллер оперативной памяти через равные промежутки времени берет строго регламентированную технологическую паузу и в это время проводит полный цикл регенерации всех данных.

Рассмотрим оперативную память типа DIMM. Аббревиатура расшифровывается как «Dual In-Line Memory Module» (двухсторонний модуль памяти), а именно такие платы до сегодняшнего дня и используются в персональных компьютерах.

Память стандарта DIMM в конце 90-х годов прошлого века пришла на смену предыдущему стандарту SIMM (Single In-Line Memory Module — односторонний модуль памяти). Фактически, модуль DIMM представляет собой печатную плату с нанесенными на нее контактными площадками. Это — своеобразная основа: чипы памяти и прочая электрическая «обвязка» производителем добавляются уже потом.

Принципиальное отличие DIMM от SIMM, кроме размеров, состоит в том, что в новом стандарте электрически контакты на модуле расположены с двух сторон и являются независимыми, а в SIMM они расположены только с одной его стороны (встречаются и с двух, но там они просто закольцованы и передают, по сути, один и тот же сигнал). Стандарт DIMM способен также реализовывать такую функцию, как обнаружение и исправление ошибок с контролем четности (ECC), но об этом ниже.

Оперативная память компьютера это то место, где центральный процессор сохраняет все промежуточные результаты своих вычислений и работы, забирая их обратно по необходимости для дальнейшей обработки. Можно сказать, что RAM — это рабочая область для центрального процессора компьютера [10, с. 251].