ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА
Конструктивно, персональный компьютер, чаще всего выполнены в виде центрального (системного) блока, к которому через разъемы (стыки) подключаются внешние устройства: клавиатура, дисплей, принтер и так далее.
Общий вид персонального компьютера в разобранном состоянии и его составляющие
Упрощенная блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, изображена на рисунке:
Общая структура персонального компьютера
СИСТЕМНЫЙ БЛОК
Системный блок обычно состоит из: системной платы, блока питания, накопителей на дисках, разъемов для дополнительных устройств; плат расширения с контроллерами — адаптерами внешних устройств.
В зависимости от конфигурации и размеров корпуса определяются такие характеристики персонального компьютера, как возможность дальнейшего расширения, транспортировка, доступ к компонентам и так далее Типы корпусов: Slimline, Desktop, Tower (Mini-Tower, Midi-Tower, Super-Big-Tower), File Server, EasyPc и прочее.
Разновидности корпусов персональных компьютеров
а — Desktop;
6 — Tower;
в — EasyPc.
Сейчас разновидности корпусов значительно шире. Купить крутой корпус можно в любом крупном интернет-магазине, даже с уникальными лазерными рисунками.
РАЗВИТИЕ СИСТЕМНЫХ ПЛАТ
Первоначальные персональные компьютеры (ПК) имели минимум устройств, интегрированных в системную плату (например, порт для клавиатуры). Все остальные, включая адаптер дисплея, НГМД или контроллеры жесткого диска, являлись дополнительными компонентами, подключаемыми через разъемы расширения.
Через какое-то время в системную плату было интегрировано большее количество устройств, однако многие из них — графика, сетевой интерфейс, устройства SCSI и звуковые — обычно остаются съемными. Этот процесс шел медленно, например, порты ввода-вывода и контроллеры диска еще в 1995 году часто размещались на платах расширения. Изготовители постоянно экспериментировали с различными уровнями интеграции, встраивая некоторые или даже все эти компоненты в системную плату. Однако есть очевидные препятствия — труднее модернизировать сборку, если интегрированные компоненты не могут быть удалены. Для высокоинтегрированных системных плат часто требуется нестандартный корпус, и для замены отдельного дефектного компонента может оказаться необходимой покупка новой системной платы.
Следовательно, те части системы, спецификация которых изменяется наиболее быстро, — оперативная память, центральный процессор и графика — имеют тенденцию размещаться в гнездах или слотах для облегчения замены. Точно так же обычно удаляются из основной спецификации, чтобы уменьшить затраты, компоненты, используемые не всеми пользователями, — типа сетевых интерфейсов или SCSI.
Основные изменения в форм-факторах системной платы за эти годы рассматриваются ниже. Рисунки иллюстрируют различие компонентов для двух типичных плат:
Плата ВАТ, общий вид
Baby AT, где используется разъем Socket 7 для подключения процессора, приблизительно 1995 года.
Проект АТХ с разъемом Slot 1 для присоединения процессора Pentium 2, типичный для системных плат на рынке в конце 1998 года.
Развитие системной платы заключается в значительной степени в отделении высокоскоростных компонентов от более медленных. Поскольку высокоскоростные устройства связывались более быстрыми шинами, шины малого быстродействия стали играть второстепенную роль. В конце 1990-х годов обозначилась тенденция к помещению периферийных устройств, разработанных как интегрированные чипы, непосредственно на системную плату. Первоначально этот круг ограничивался звуковыми и видеочипами, но со временем устройства, интегрированные таким образом, стали более разнообразными и включали элементы типа SCSI, локальной сети и даже контроллеры RAID. Очевидно, есть выигрыш по стоимости при этом подходе, однако отрицательная сторона этого — ограничение будущих возможностей обновления.
БАЗОВАЯ СИСТЕМА ВВОДА-ВЫВОДА (BIOS)
Все системные платы содержат небольшой блок постоянного запоминающего устройства (ROM), который отделен от основной системной памяти, используемой для загрузки и выполнения программного обеспечения. ROM содержит BIOS персонального компьютера (Базовая Система Ввода-Вывода). Это дает два преимущества: программы и данные в ROM BIOS не должны перезагружаться каждый раз при запуске компьютера, и они не могут быть разрушены ошибками в приложениях, которые пытаются записать информацию в «неправильную» часть памяти.
Интегральные схемы BIOS (а) и CMOS (б)
BIOS играет двоякую роль: с одной стороны, это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой стороны — важный модуль любой операционной системы. Модуль BIOS реализован на микросхеме постоянной или Flash памяти.
Перепрограммируемая базовая система ввода-вывода может быть модифицирована через гибкую дискету, чтобы гарантировать будущую совместимость с новыми чипами, добавочными платами и так далее
В современных системах требуются более объемные ППЗУ. Настройка (конфигурирование) системной платы состоит из подстройки персонального компьютера под используемый графический режим, установки рабочей тактовой частоты, указания объема имеющейся в наличии кэш памяти, типа встроенного сопроцессора и так далее Существует семь возможных вариантов настройки, типичными из которых являются:
Standard CMOS Setup (основные установки CMOS).
Advanced CMOS Setup (дополнительные установки CMOS).
Advanced Chipset Setup (дополнительные установки системной платы).
Базовая система ввода-вывода включает несколько отдельных подпрограмм, обслуживая различные функции. Первая часть выполняется при включении машины. Компьютер инспектируется, чтобы определить, какие аппаратные средства присоединены, и затем проводятся некоторые простые тесты, чтобы зафиксировать, что все функционирует, — процесс, называемый POST — самопроверка после включения.
Если какие-то из периферийных устройств относятся к типу «Plug-and-play», то именно в этот момент базовая система ввода-вывода назначает им ресурсы. Есть также возможность вызвать программу Setup, что позволяет пользователю сообщать ПК, какие аппаратные средства присоединены, но благодаря автоматическим базовым системам самоконфигурирования ввода-вывода это не так часто теперь используется.
Когда все тесты пройдены, ROM пытается определять, с какого устройства будет загружаться операционная система машины. Обычно BIOS сначала проверяет присутствие операционной системы в накопителе на гибких магнитных дисках (А:), затем — на первичном жестком диске.
ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ CMOS
Системные платы также включают отдельный блок оперативной памяти, основанный на схеме малой мощности CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor RAM), который сохраняется действующим с помощью батарей даже после отключения питания персонального компьютера и располагается в контроллере периферии. Он используется, чтобы сохранять основную информацию о конфигурации персонального компьютера: номера и тип жестких дисков и НГМД, объем памяти, какой вид и так далее Это можно вводить вручную, но современные BIOS автоконфигурирования делают многое из этой работы, и в CMOS сохраняются более важные параметры настройки типа выбора периода регенерации динамической оперативной памяти. Другие важные данные, сохраняемые в памяти CMOS, — время и дата, которые модифицируются часами реального времени (RTC — real time clock). Часы, оперативная память CMOS и батарея обычно интегрируются в единственный чип. При загрузке система считывает время с RTC, после этого процессор сохраняет время — вот почему системные часы иногда идут неверно. Перезагрузка персонального компьютера заставляет перечитать RTC, что корректирует системное время центрального процессора.
В CMOS RAM информация хранится до тех пор, пока он подключен к небольшому источнику питания. Однако CMOS RAM занимает много места на кристалле, дороже динамической памяти и поэтому используется в случаях крайней необходимости. Данный тип памяти считается энергонезависимым только потому, что постоянно подпитывается или от аккумулятора, или от батарейки.
EFI
Базовая Система Ввода-Вывода не очень изменилась за время, прошедшее от рождения персонального компьютера в 1981 году, оставаясь массивом ассемблерного кода «ручной работы», и большинство пользователей о ней знают только из сообщений, быстро пробегающих по экрану после включения персонального компьютера.
В начале 2000 года компания Intel объявила, что собирается заменить BIOS выпуском первой версии EFI (extensible firmware interface или расширяемого интерфейса встроенного программного обеспечения). Это новый стандарт для архитектуры, интерфейса и услуг марки встроенного программного обеспечения персонального компьютера (ПК), предназначенного для обеспечения хорошо специфицированного набора сервисов.
Сервисы EFI разделены на две группы: те, которые являются доступными только до загрузки операционной системы, или «загрузочные сервисы», и те, которые также доступны в дальнейшем, или «сервисы рабочего времени». Загрузочные сервисы обеспечивают функциональные возможности предлагаемых EFI для конфигурирования платформы, инициализации, диагностики, загрузки образа ядра операционной системы и другое
Сервисы EFI определены в Спецификации EFI как основные услуги и протоколы интерфейсов. Ряд протоколов интерфейсов был определен для доступа к разнообразию загрузочных устройств, которые удовлетворяют рекомендациям EFI. Другие обеспечивают сервисы для функций прикладного уровня, например распределение памяти или получение доступа к указанному интерфейсу.
Модули EFI в общем разделяются на приложения и драйверы. Драйверы соответствуют модели, определенной в EFI спецификации, и используются, чтобы реализовать специфический протокол интерфейса. Во многих случаях выполнение одного протокола может использовать или расширять функциональные возможности существующего протокола, таким образом обеспечивая механизм для объектно-ориентированной обработки.
В сущности, EFI — «мини-операционная система» с собственными правами, способная работать с сетями, графикой, клавиатурой и памятью.
НЕКОТОРЫЕ ОБРАЗЦЫ СИСТЕМНЫХ ПЛАТ
Размеры системной платы нормированы. Также стандартизованы и отверстия внутри платы, которые соединяют ее с дном корпуса. Поэтому говорят не о размерах, а о типоразмерах системных плат.
СИСТЕМНАЯ ПЛАТА FULLSIZE
Полноразмерная плата (FullSize) по своим габаритам соответствует системной плате IBM PC AT. Расположение разъемов клавиатуры и слотов расширения такой платы строго определены, чтобы совпадать с отверстиями в корпусе. Плата помещается только в полноразмерный корпус типа Desktop и Tower.
СИСТЕМНАЯ ПЛАТА BABY AT
Стандарт системных плат типоразмера Baby AT (ВАТ) появился в 1982 году На этих платах расположение разъемов клавиатуры и слотов также должно соответствовать отверстиям в корпусе. Для подключения клавиатуры используется стандартный 5-контактный DlN-разъем. Системные платы размера Baby AT могут быть установлены практически в любой корпус, за исключением корпусов с уменьшенной высотой и Slimline. Именно поэтому они получили наибольшее распространение.
СИСТЕМНАЯ ПЛАТА LPX (MINI-IPX)
Системные платы LPX и mini-LPX обычно устанавливаются в корпусах с уменьшенной высотой или Slimline. Слоты расширения этих плат смонтированы на отдельной выносной плате (Reisercard), которая устанавливается в слот системной платы перпендикулярно ей. Карты расширения устанавливаются в выносную плату таким образом, что их плоскость становится параллельной системной плате — это позволяет уменьшить высоту корпуса PC. Все разъемы установлены на задней панели системной платы LPX. Обычно это разъемы для подключения монитора, параллельный порт, два последовательных порта и разъемы типа mini-DIN для клавиатуры и мыши стандарта PS/2. Все разъемы смонтированы непосредственно на системной плате.
Схематическая топология некоторых системных плат
а — Baby AT;
б — LPX;
в — АТХ;
г — NLX;
д — Micro ATX;
е — чипсет;
1 — передняя панель;
2 — задняя панель;
3 — центральный процессор;
4 — разъемы памяти;
5 — разъемы периферийных устройств (ATA/ISA);
6 — питание;
7 — разъемы шин и интерфейсов (ISA/PCI), ризер-карты (для Flex АТХ);
8 — подключение устройств ввода-вывода (мышь, клавиатура, аудио, видео, сеть и прочее);
9 — разъем AGP;
10 — вертикальная монтажная стойка (ризер-плата);
11 — микросхемы графики.
СИСТЕМНАЯ ПЛАТА АТХ
В 1995 года корпорация Intel анонсировала новую спецификацию АТХ для форм-фактора системной платы и корпуса PC. Плата спецификации АТХ сочетает в себе наилучшие черты стандартов Baby-AT и LPX, кроме того, в ней заложены многие дополнительные усовершенствования.
В дальнейшем Intel полностью перешла на производство системных плат спецификации АТХ. Ряд других поставщиков системных плат, например ASUSTek, также наладили выпуск системных плат АТХ.
СИСТЕМНАЯ ПЛАТА MINI-ATX
Mini-ATX — просто меньшая версия полноразмерной АТХплаты. На обеих параллельный и последовательный порты, PS/2 клавиатура и порты мыши расположены на задней панели ввода-вывода двойной высоты. Размещение непосредственно на плате отменяет потребность в кабеле к портам ввода-вывода. Последствие этого, однако, — то, что АТХ нуждается в специально спроектированном корпусе, с правильно расположенными отверстиями для портов, и ни платы АТХ, ни Mini-ATX не могут использоваться в корпусах AT.
СИСТЕМНАЯ ПЛАТА NLX
В начале 1997 года корпорацией Intel был предложен стандарт NLX, регламентирующий:
новые физические и функциональные параметры блока питания;
требования к режимам охлаждения и условиям соединения отдельных компонентов персональных компьютеров между собой;
систему крепления системной платы;
разбиение платы на зоны, в пределах которых располагаются электронные компоненты, имеющие определенную высоту и служащие для реализации тех или иных функций.
Стандарт NLX явился дальнейшим развитием стандарта АТХ. Согласно стандарту NLX в персональных компьютерах устанавливается так называемая ризер-карта (riser card), напоминающая плату адаптера, вставляемую в системную плату в корпусе типа Slimline. Как и плата адаптера Slimline, ризер-карта имеет стандартные слоты PCI и ISA, в которые устанавливаются все необходимые карты расширения.
Основное отличие ризер-карты NLX от адаптера Slimline состоит в том, что системная плата также устанавливается в специальный слот, называемый NLX Riser Connector. Этот разъем содержит не только информационную шину, но и шину питания. Таким образом, после установки системная плата автоматически оказывается подключенной к шине питания.
Кроме того, на ризер-карте располагаются различные разъемы, которые ранее располагались на системной плате, — IDE, FDD, USB, блок питания и другое.
Ризер-карта является фактически кросс-платой, через которую происходит коммутация всех модулей системного блока между собой, а также подача питания на них. На системной плате NLX располагаются гнезда ЦП, слоты для модулей памяти, чипсет, микросхемы BIOS и кэш памяти.
Все внешние разъемы (LPT, СОМ, Audio и другое) в соответствии с новым стандартом смещены к краю системной платы. Данное технологическое решение обеспечивает необходимую гибкость при установке одной и той же системной платы в разные корпуса как типа Desktop, так и Mini-Tower.
Стандарт NLX практически превращает персональный компьютер в устройство, состоящее из двух элементов: системной платы и корпуса со стандартными разъемами для связи с внешними устройствами.
СИСТЕМНАЯ ПЛАТА MICROATX
Представленный в конце 1990-х годов стандарт micro-АТХ — в основном меньшая версия АТХ спецификации Intel, предназначенная для компактных и дешевых систем потребителя с ограниченными потребностями в расширении системы.
Максимальный размер платы — квадрат со стороной 9.6 дюймов, и она разработана, чтобы вписаться или в корпус стандарта АТХ, или в один из новых проектов настольного корпуса Microtower. Панель ввода-вывода аналогична проекту АТХ, но есть только условия для размещения не более четырех слотов расширения (АТХ позволяет семь). MicroATX также позволяет использование малогабаритного источника электропитания.
СИСТЕМНАЯ ПЛАТА FLEXATX
FlexATX — естественное развитие MicroATX, который был первоначально выпущен в конце 1999 года Стандарт FlexATX дополнительно к спецификации MicroATX выражает только требования к системной плате, а не полное системное решение, не детализирует интерфейсы, память или графические технологии. Эти требования переадресованы к дизайнерам и системным проектировщикам. Выбор процессора, однако, ограничен разъемами формата «гнездо» (Socket).
Основное различие между FlexATX и microATX — в том, что новый форм-фактор уменьшает размер системной платы до 9 х 7.5 дюймов. Это приводит к снижению полных системных затрат, а также облегчает проектирование малогабаритных систем. FlexATX форм-фактор обладает обратной совместимостью со спецификациями АТХ и microATX — использование тех же самых установочных отверстий системной платы.
СИСТЕМНАЯ ПЛАТА IТХ
Весной 2000 года VIA Technologies объявила о выпуске системной платы еще меньшего размера, чем FlexATX. Размеры платы IТХ 8.5 х 7.5 дюймов, что на полтора дюйма меньше по ширине, чем у конкурента — Intel. Ключевое новшество, которое позволяет IТХ достигать такой компактной формы, — специально спроектированный блок питания со встроенным вентилятором. Его размеры (глубина х ширина х высота) 174 х 73 х 55 миллиметров (ср. со стандартом АТХ, где размеры блока питания 140 х 150 х 86 миллиметров).
СИСТЕМНАЯ ПЛАТА ВТХ
Intel предложила в конце 2004 года проект платы Balanced Technology Extended (сбалансированная расширенная технология), предназначенной для замены традиционных плат. Форм-фактор ВТХ является масштабируемым и допускает широкий спектр систем различных размеров и назначений, позволяя заменить единой спецификацией платы АТХ, microATX и FlexATX. Внутренние компоненты могут быть размещены на плате таким образом, что центральный процессор и другие тепловыделяющие схемы могут охлаждаться единственным воздушным потоком. Этот поток создается универсальным охладителем, который именуется «Thermal Module».
РИЗЕР-АРХИТЕКТУРЫ
Конструкция платы NLX является примером ризер-архитектур, потребность в которых возникла в конце 1990-х годов и которые способствуют уменьшению полных системных затрат и в то же самое время увеличивают гибкость процесса производства системы. Первым примером была спецификация AMR (Audio/Modem Riser или аудиомодемная ризер-карта), представленная летом 1998 года AMR поддерживала как звуковые, так и модемные функции, однако имела некоторые недостатки, которые были идентифицированы после выпуска спецификации. Это были трудности поддержки устройств Plug-and-Play (PnP, Р&Р), а также тот факт, что ризер-карта занимала один слот PCI.
Формат ризер-карты
Формат ризер-карты AMR (а), карты ACR (б)
Затем были определены новые спецификации ризер-архитектуры, которые комбинируют большее количество функций на единственной плате: это аудиоадаптер, модем, широкополосные технологии и интерфейсы локальной сети. Две самые современные спецификации ризер-архитектуры включают конкурирующие CNR и ACR.
Предложенная Intel спецификация CNR (Communication and Networking Riser) определяет аппаратную масштабируемую ризер-карту системной платы и интерфейс, которая поддерживает аудио, модем и локальную сеть в основных наборах микросхем.
Интеграция на системной плате аудио, модема и подсистем локальной сети также проблематична, поскольку увеличиваются шумовые наводки, от которых, в свою очередь, деградирует работа каждой системы. CNR решает эти проблемы, физически отделяя эти чувствительные к наводкам системы от «шумной» среды системной платы.
Спецификация CNR предполагает наличие пяти интерфейсов:
интерфейс АС97. Поддерживает звуковые и модемные функции на CNR-плате;
локальная сеть (LAN Connect Interface — LCI). Обеспечивает 10/100 локальную сеть или домашнюю телефонную сеть на основе набора микросхем Intel;
независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface). Обеспечивает 10/100 локальную сеть или домашнюю телефонную сеть на основе сетевых возможностей CNR платформ, использующих интерфейс МП;
универсальная последовательная шина (USB);
шина сопровождения системы (System Management Bus — SMBus). Обеспечивает функциональными возможностями Plug-and-Play (РnР) плату CNR.
Каждая плата CNR может использовать максимально четыре интерфейса (путем выбора типа локальной сети).
Конкурирующая спецификация ACR поддерживается содружеством ведущих компаний в области вычислительных средств и связи, включая 3COM, AMD, VIA Technologies и Lucent Technologies. Подобно CNR, спецификация определяет форм-фактор интерфейсы для множества подсистем связи и звуковых проектов в настольных персональных компьютерах.
Интерфейс ACR комбинирует несколько существующих шин связи и добавляет новые и прогрессивные шины связи, отвечая на спрос промышленности на дешевые, высокоэффективные периферийные устройства связи. ACR поддерживает модем, аудио, локальную сеть и xDSL. Зарезервированы контакты для поддержки будущих беспроводных шин. Подобно AMR, спецификация ACR была предназначена, чтобы занять или заменить существующий РСI-слот. Это фактически уменьшает число доступных PCI-слотов на один независимо от того, используется ACR-соединитель или нет. Хотя это может быть приемлемо в системных платах больших размеров (АТХ), потеря PCI-соединителя в системной плате microATX или FlexATX, где обычно предусматривают только два слота расширения, может оказаться недопустимой для пользователя. CNR-специ-фикация преодолевает эту проблему, осуществляя стратегию совмещенного разъема подобно совмещенным слотам ISA/PCI. В этом случае соединители CNR и РСI эффективно используют одно и то же пространство устройств ввода-вывода.