Системные платы, виды и спецификация

2.3. Оперативная память

Оперативная (основная) память (от англ. Random Access Memory – «память с произвольным доступом») – энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операций (рисунок 3). Содержащиеся в оперативной памяти данные доступны только тогда, когда на модули памяти подаётся напряжение, т.е. компьютер включён. Пропадание на модулях памяти питания, даже кратковременное, приводит к искажению либо полному уничтожению данных в ОЗУ (оперативном запоминающем устройстве). Обязательным условием является адресуемость памяти (каждое машинное слово имеет индивидуальный адрес). Оперативная память передаёт данные процессору непосредственно, либо через кэш-память.

Оперативная память на современных  платах формируется с использованием модулей памяти типа SIMM или DIMM, или модулей обоих типов одновременно. SIMM (Single Inline Memory Module – модуль памяти в одну линейку), односторонняя планка – модуль памяти, у которого микросхемы памяти расположены с одной стороны. DIMM (Dual Inline Memory Module – модуль памяти в две линейки), двусторонняя планка – модуль памяти, у которого микросхемы памяти расположены с двух сторон. Самые распространённые объёмы оперативной памяти сейчас: 1, 2, 3, 4 Гб. Этот объём может состоять как из одной линейки, так и из нескольких, установленных в разные слоты. Одной ОЗУ для нормальной работы компьютера не достаточно, поэтому рассмотрим ещё несколько видов памяти.

Запоминающее устройство с произвольным доступом (ЗУПД) –  один из видов памяти компьютера, позволяющий  единовременно получить доступ к  любой ячейке (всегда за одно и то же время, вне зависимости от расположения) по её адресу на чтение или запись.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – энергозависимая  память, которая используется для  хранения массива неизменяемых данных. Она даёт процессору инструкции для  загрузки данных с ОЗУ. Программы, находящиеся  в ПЗУ называют «зашитыми», т.к. они  были внесены туда на этапе изготовления микросхемы. Этот комплект программ называют базовой системой ввода-вывода (BIOS). BIOS – своеобразный инстинкт компьютера.

Для того, чтобы компьютер правильно работал, необходима информация о конфигурации компьютера, которая постоянно меняется (собственно поэтому её нельзя хранить в ПЗУ). Для этого служит микросхема памяти, изготовленная по технологии CMOS. От ОЗУ эта память отличается тем, что её содержимое не стирается при выключении питания, а от ПЗУ – тем, что её содержимое можно менять.

2.4. Кэш-память

Для того, чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – кэш-память.

Кэш-память – это память компьютера с очень высокой скоростью  доступа, предназначенная для временного хранения информации, необходимой центральному процессору. В кэш-памяти хранятся наиболее часто используемые данные.

Производительность оперативной  памяти, сравнительно с производительностью  ЦП, намного ниже. Получается, что  процессор ждёт, когда поступят данные от оперативной памяти, что понижает производительность процессора, а значит и производительность всей системы. Когда процессору нужно обратиться в память для чтения или записи данных, он сначала проверяет, доступна ли их копия в кэше. Кэш-память уменьшает время ожидания ЦП, сохраняя в себе данные и код выполняемых программ, к которым наиболее часто обращался процессор (отличие кэш-памяти от ОЗУ – скорость работы кэш-памяти в десятки раз выше).

Большинство современных  процессоров для компьютеров  и серверов имеют как минимум  три независимых кэша: - кэш инструкций (для ускорения загрузки машинного  кода); - буфер ассоциативной трансляции (для ускорения трансляции математических адресов в физические); - кэш данных (для ускорения чтения и записи данных). Кэш данных часто реализуется  в виде многоуровневого кэша:

- кэш-память первого уровня (L1) является самой быстрой и самой дорогой памятью. Она расположена на процессорном кристалле, работает на чистоте процессора и используется непосредственно его ядром. Ёмкость кэш-памяти первого уровня не велика в силу дороговизны и исчисляется килобайтами (обычно не более 128 Кбайт).

- кэш-память второго уровня (L2) – высокоскоростная память, выполняющая те же функции, что и кэш L1. Разница между L1 и L2 в том, что последняя имеет более низкую скорость, но больший объём (от 128 Кбайт до 12 Мбайт), что очень полезно для выполнения ресурсоёмких задач.

- кэш-память третьего уровня (L3) выполнена на быстродействующих микросхемах типа SRAM и расположена непосредственно на самой материнской плате вблизи процессора. Она значительно медленнее L1 и L2, но быстрее оперативной памяти. Понятно, что объём L3 больше объёма L1 и L2. Кэш-память третьего уровня встречается только в очень мощных компьютерах.

Кэш-память, как и обычная  память, имеет разрядность. Чем она  выше, тем с большими объёмами данных кэш может работать.

2.5. BIOS

BIOS (Basic Input / Output System – базовая система ввода-вывода) – это программа, служащая интерфейсом между аппаратным обеспечением компьютера и операционной системой (ОС). Сама программа BIOS записана в специальную микросхему (см. рисунок 4). В старых системах BIOS прошивалась в микросхему ПЗУ. В современных системах используется флэш-память, и теперь, после выхода обновлений для определённых версий BIOS, с помощью перезаписи данной микросхемы возможен процесс обновления (перепрошивки).

Как только пользователь включает компьютер, первой начинает работать именно эта программа. BIOS производит начальное тестирование всей системы. Эта процедура называется POST (Power-on-Self Test). Во время неё проверяется работоспособность всех компонентов компьютера, а так же она находит и настраивает всё остальное оборудование. Если проверяемые контроллеры и аппаратура исправны и настроены, то BIOS передаёт управление операционной системе. Процедурой POST, помимо этого, выполняется и ряд других важных проверок. По планам разработчиков, основная функция BIOS должна была состоять в работе операций ввода-вывода, но это было актуально лишь во время «правления» операционных систем типа MS-DOS. В современных ОС эти функции BIOS практически не используются.

Для того, чтобы изменить настройки BIOS, существует подпрограмма BIOS Setup. Чтобы зайти в неё, необходимо нажать клавишу Delete (иногда это могут быть кнопки F2 или F10) либо сочетание клавиш, указанных на экране монитора во время включения компьютера (т.е. во время проведения тестов POST). В этом меню можно установить системное время, параметры работы дисководов и жестких дисков, увеличить (или уменьшить) тактовую частоту процессора, памяти и системной шины, шин связи и настроить другие параметры работы компьютера. Однако тут стоит быть крайне осторожным, так как неправильно установленные параметры могут привести к ошибкам в работе или даже вывести компьютер из строя. Все настройки BIOS хранятся в энергозависимой памяти CMOS, работающей от батарейки или аккумулятора. На сегодняшний день основными производителями BIOS являются Award Software, American Megatrends (AMI), Mylex, Phoenix Technologies.

2.6. Системная шина

Системная шина – это  «паутина», предназначенная для  передачи информации между процессором  и остальными электронными компонентами компьютера. Системная шина представляет собой набор проводников (металлизированных  дорожек, по которым передаётся информация в виде электрических сигналов) и  систему протоколов соединения устройств при помощи этих проводников. В персональных компьютерах используются системные шины стандартов PCI, ISA, EISA и VLB. Специализированная шина AGP используется для подключения видеоадаптера. В настоящее время ISA, EISA и VLB являются устаревшими системными шинами и не выпускаются на современных материнских платах. Рассмотрим основные технические характеристики системных шин разных стандартов, и начнём с шины ISA.

ISA (Industry Standard Architecture) применялась, начиная с процессора i80286 вплоть до Pentium II (в последующих моделях исключена). Тактовая частота данной шины – 8МГц, максимальная скорость передачи данных – 16Мбайт/с.

EISA (Extended Industry Standard Architecture ) разработана для процессора i80386 с целью повышения производительности. Разъём шины EISA универсальный. Тактовая частота шины – 8–10МГц, максимальная скорость передачи данных в пакетном режиме – 33Мбайт/с, в стандартном – такая же, как у ISA.

VLB (VESA Local Bus) предложена ассоциацией VESA (Video Electronics Standard Association), является расширением шины процессора и предназначена для работы с контроллерами накопителей и видеоадаптером. Цель разработки – увеличение быстродействия ПК за счёт повышения тактовой частоты работы периферийных устройств (до 33МГц и выше). Максимальная скорость передачи данных по шине – 130Мбайт/с.

PCI (Peripherals Component Interconnect) разработана фирмой Intel, является стандартом для систем на базе Pentium, может использоваться вне зависимости от типа процессора. Спецификация PCI 2.1 обеспечивает работу с частотой 66МГц и скоростью обмена до 520Мбайт/с.

PCI Express – более усовершенствованная системная шина, пришедшая на замену PCI. Последняя ревизия шины PCI Express 3.0 была представлена в ноябре 2010 года. Суммарная пропускная способность одного канала шины равна 1.6Гбайт/с, а для 32-канальной шины – 51.2Гбайт/с. В будущем планируется выпуск ревизии PCI Express 4.0, в которой скорость будет увеличена ещё в два раза.

Наличие этих шин и интерфейсов  в ПЭВМ обеспечивают контроллеры, связывающие  системную шину с соответствующей  локальной шиной (например, системная  шина – шина PCI), или различные  интерфейсы (например, шина PCI – шина ISA).

2.7. Разъёмы, слоты, порты

В самом широком смысле, разъём – это общее название приспособлений для механического соединения различных  устройств друг с другом. В компьютере имеется несколько разновидностей разъёмов, каждый из которых, в зависимости от назначения, имеет то или иное наименование – сокеты, слоты, порты, гнёзда, выводы, выходы, интерфейсы и др. Например, сокет – разъём для установки процессора; порт USB – разъём для подключения внешних устройств через USB-интерфейс; слот – щелевой разъём для установки печатной платы. Разъёмы, связанные с системной шиной, называемые слотами расширения.

Слот расширения – щелевой  разъём, соединённый с системной  шиной и предназначенный для  установки дополнительных модулей (карт расширения), расширяющих конфигурацию устройства. Через слот обычно подключаются видеокарты, звуковые карты, сетевые  карты, POST-карты, оперативная память Apple II (в редких случаях). Слоты расширения могут быть как универсальными (PCI, PCI-Express, ISA, EISA, VLB, MCA), так и специализированными (AGP – слот для видеокарты).

Порт (от лат. portare – «нести») – один из физических каналов ввода-вывода компьютера, обычно представляемый  в виде разъёма на задней стенке. На каждой материнской плате присутствуют порты PS/2 для клавиатуры и мышки, порты USB, COM- и LPT-порты.

Разъёмы и порты для  подключения внешних устройств  вы сможете рассмотреть на рисунке 5. Разъёмы (слоты, порты) являются не менее важным компонентом материнской платы, т.к. они обеспечивают связь устройств друг с другом.

2.8. Контроллеры и адаптеры

Все устройства подключаются к ПК через внешние интерфейсы или с помощью специализированных адаптеров и контроллеров (рисунок 6), встраиваемых в системную плату или размещаемых на платах (картах) расширения. Адаптер является средством сопряжения какого-либо устройства с какой-либо шиной или интерфейсом. Контроллер служит тем же целям сопряжения, но при этом подразумевается его некоторая активность – способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своём составе и собственный процессор. На эти тонкости терминологии не всегда обращают внимание и понятия «адаптер» и «контроллер» считают почти синонимами.

Кроме того, что адаптеры и контроллеры обеспечивают обмен  информацией между компьютером  и внешним устройством, они также  сообщают машине о его состоянии  и произошедших в нём сбоях. Адаптер  может прервать работу процессора, чтобы тот выполнил для данного  устройства некую работу.

Сейчас каждая системная плата имеет встроенный сетевой или Ethernet – контроллер, который обеспечивает работу компьютера в локальной сети.

Периферийные устройства подключаются к тем или иным интерфейсам  системных устройств. Так, например, жёсткий диск (винчестер), подключённый к контроллеру SATA системной платы, является периферийным устройством; отдельных ресурсов он не занимает – процессор к нему обращается через ресурсы контроллера SATA. Точно так же периферийным устройством является и принтер – он подключается к системному устройству (LPT-порту, контроллеру USB).

2.9. Генератор тактовой частоты

Кроме описанных выше элементов, на материнской плате располагается  генератор тактовой частоты (рисунок 7), состоящий из двух частей – кварцевого резонатора и тактового генератора. Это деление вызвано тем, что кварцевый резонатор не способен генерировать импульсы с частотой, требуемой для работы процессоров, памяти и шин. Поэтому синхросигналы, вырабатываемые кварцевым резонатором, изменяют с помощью тактового генератора. Изменение происходит путём деления или умножения исходной частоты для получения требуемой частоты. Таким образом, основная задача тактового генератора материнской платы – это формирование высокостабильного периодического сигнала для синхронизации работы элементов ПЭВМ.

Частота тактовых импульсов  во многом определяет скорость вычислений. Так как на любую операцию, выполняемую  процессором, затрачивается определенное количество тактов, то, следовательно, чем выше тактовая частота, тем выше производительность процессора.