Материнская плата

Внутренние устройства системного блока

Материнская плата – это основная плата персонального компьютера. На ней разме­щаются:

Рис. 11. Материнская плата

• процессор — основная микросхема, выполняющая большинство математиче­ских и логических операций;

• микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих рабо­той внутренних устройств компьютера и определяющих основные функцио­нальные возможности материнской платы;

• шины — наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

• оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компью­тер включен;

• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;

• разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

Карты, сокеты, слоты, джамперы...

Термины, относящиеся к аппаратным средствам современных компьютеров, в основном ­ иностранные технические.

Системной платой (System Board), или материнской платой (Mother Board), называют основную печатную плату, на которой устанавливается процессор, оперативная память, ROM BIOS и некоторые другие системные компоненты.

Платой расширения, или картой расширения (Expansion Card), называют пе­чатную плату с краевым разъемом, устанавливаемую в слот расширения. Карты расширения, привносящие в PC какой-либо дополнительный интерфейс, назы­вают интерфейсными картами (Interface Card). Поскольку интерфейсная карта представляет собой «приспособление» для подключения какого-либо устройст­ва, к ней применимо и название адаптер (Adapter). К примеру, дисплейный адаптер (Display adapter) служит для подключения дисплея-монитора. Адаптер и интерфейсная карта практически синонимы, и, например, NIC (Network Interface Card – карта сетевого интерфейса) часто переводится как адаптер ЛВС (локальной вычислительной сети).

Слот (Slot) представляет собой щелевой разъем, в который устанавливается какая-либо печатная плата. Слот расширения (Expansion Slot) в PC представ­ляет собой разъем системной шины в совокупности с прорезью в задней стенке корпуса компьютера – то есть посадочное место для установки карты расширения. Слоты расширения имеют разъемы шин ISA/EISA, PCI, или PCI-Express. Внутренние слоты используются и для установки модулей оперативной памяти (DIMM), кэш-памяти (COAST), процессоров Pentium II-4, а также процессорных модулей и модулей памяти в некоторых моделях PC.

Сокет (Socket) представляет собой гнездо, в которое устанавливаются мик­росхемы. Его контакты рассчитаны на микросхемы со штырьковыми выводами в корпусах DIP, PGA во всех модификациях или же микросхемы в корпусах SOJ и PLCC с выводами в форме буквы «J». ZIF-Socket (Zero Insertion Force — с нулевым усилием вставки) предназначен для легкой установки при высокой надежности контактов. Эти гнезда имеют замок, открыв который можно уста­новить или изъять микросхему без приложения усилия к ее выводам. Для работы после установки замок закрывают, при этом контакты сокета плотно обхватывают выводы микросхемы.

Джампер (Jumper) представляет собой съемную перемычку, устанавливаемую на торчащие из печатной платы штырьковые контакты (рис. 12, а). Джамперы используются для конфигурирования различных компонентов как выключатели или переключатели, для которых не требуется оперативного управления. Джамперы переставляют с помощью пинцета, что рекомендуется делать только при выключенном питании, поскольку есть опасность их уронить в неподходящее место или закоротить пинцетом близко расположенные контакты.

DIP-переключатели (DIP Switches) представляют собой малогабаритные вы­ключатели в корпусе DIP (рис. 12, 6), применяемые для тех же целей, что и джамперы. Их преимущество в более легком переключении, которое удобно производить шариковой ручкой. Недостатком переключателей является боль­шее, по сравнению с джамперами, занимаемое на плате место и более высо­кая цена. Кроме того, несмотря на название, они обычно являются только выключателями, что делает их применение менее гибким, чем применение джамперов.

Рис. 12. Аппаратные средства конфигурирования:
а – джампер, б – DIP-переключатель

В современных компонентах стремятся сокращать количество переключате­лей или джамперов, стараясь переложить все конфигурационные функции на программно-управляемые электронные компоненты. Платы (карты), в которых удается изжить джамперы полностью (но которые требуют конфигурирования), называют Jumperless Cards — карты, свободные от джамперов. Компоненты, ко­торые после установки конфигурируются автоматически, относят к классу РnР (Plug and Play – вставляй и играй).

Чип (Chip) – это полупроводниковая микросхема.

Чипсет (Chip Set) – это «набор интегральных схем, при подключении которых друг к другу формируется функциональный блок вычислительной системы». Чипсеты применяются в системных платах, графических контроллерах и сложных узлах, функции которых в одну микросхему заложить не удается.

Для соединения устройств и узлов PC применяются различные разъемы, среди которых чаще всего встречаются следующие.

Рис. 13. Разъемы D-типа (вид с наружной стороны)

Разъемы D-muna (рис. 13) используются для подключения внешних устройств – мониторов, принтеров, модемов, манипуляторов и т. п. Розетки (Female, в просторечии «мамы») обозначаются как DBxx-S, где хх – количество контактов. Вилки (Male – «папы») обозначаются как DBxx-P. Ключом является D-образный кожух. Назначение разъемов на задней стенке PC, стандартизовано.

Тип разъема	Назначение
Вилка DB-9P	СОМ-порт (COMmunication – коммуникационный порт для мыши, модема)
Розетка DB-9S	Выход на монитор Mono, CGA, EGA
Розетка DB-15S (двухрядный)	Game-порт, MIDI
Розетка DB-15S (трехрядный)	Выход на монитор VGA/SVGA
Вилка DB-25P	СОМ-порт (для модема)
Розетка DB-25S	LPT-порт (Line PrinTer - построчный принтер)

Рис. 14. Разъемы IDC: а – краевые, б – штырьковые, в – заделка проводов

Разъемы IDC (Insulation-Displacement Connector – разъем, смещающий изо­ляцию) получили название от способа присоединения кабеля. Контакты этих разъемов со стороны, обращенной к кабелю, имеют ножи, подрезающие и смеща­ющие изоляцию проводников кабеля. Эти разъемы предназначены в основном для использования ленточных кабелей шлейфов, хотя возможна в них заделка и одиночных проводников. Для заделки кабелей в эти разъемы существуют специальные инструменты-прессы, но при необходимости можно обойтись и плоской отверткой (и умелыми руками). Разъемы IDC существуют для краевых печатных разъемов (рис. 14, а) и штырьковых контактов (рис. 14, б). Разъ­емы могут иметь ключи: для печатных разъемов это прорезь и соответствующая ей перемычка, расположенная ближе к первым контактам. Для штырьковых ключом является выступ на корпусе, но этот ключ сработает, только если от­ветная часть имеет пластмассовый бандаж, в котором имеется прорезь. Дешевые варианты штырьковых разъемов бандажа не имеют. Ключом может являться и отсутствующий штырек – на разъеме для него не оставляют отверстия. На ленточном кабеле крайний провод, соединяемый с контактом «1», маркируют цветной краской. На печатной плате штырек «1» обычно имеет отличающуюся от других (квадратную) форму контактной площадки. Разъемы IDC и ленточные кабели-шлейфы применяют для соединений внутри корпуса – подключения накопителей, а также подключения внешних разъемов к системной плате и картам расширения.

Разъемы типа Centronics (рис. 15) применяют на принтерах и внешних устройствах SCSI.

Рис. 15. Разъемы типа Centronics

Жесткий диск – HDD

Жесткий диск – основное устройство для долговременного хранения больших объе­мов данных и программ. На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Таким образом, «диск» имеет не две поверхности, как должно быть у обычного плоского диска, а 2п поверхностей, где п – число отдельных дисков в группе.

Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения-записи данных. При высоких скоростях вращения дисков (90 об/с) в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной поверхностью на высоте, составляющей несколько тысячных долей миллиметра. При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает изменения в стационарном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. Так осуществляется запись данных на магнитный диск.

Внешний вид и устройство жесткого диска показаны на рис. 18 и 19.

Рис. 18. Внешний вид HDD

Рис. 19. Внешний вид HDD

Операция считывания происходит в обратном порядке. Намагниченные частицы покрытия, проносящиеся на высокой скорости вблизи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции. Электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и передаются на обработку.

Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство – контроллер жесткого диска. В прошлом оно представляло собой отдельную дочернюю плату, которую подключали к одному из свободных слотов материнской платы. В настоящее время функции контроллеров дисков выполняют микросхемы, входящие в микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков по-прежнему постав­ляются на отдельной плате.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность. Емкость дисков зависит от технологии их изготовления. В настоящее время боль­шинство производителей жестких дисков используют изобретенную компанией IBM технологию с использованием гигантского магниторезистивного эффекта (GMR — Giant Magnetic Resistance). Теоретический предел емкости одной пластины, исполнен­ной по этой технологии, составляет порядка 20 Гбайт. В настоящее время достигнут технологический уровень 6,4 Гбайт на пластину, но развитие продолжается.

С другой стороны, производительность жестких дисков меньше зависит от техноло­гии их изготовления. Сегодня все жесткие диски имеют очень высокий показатель скорости внутренней передачи данных (до 30-60 Мбайт/с), и потому их производи­тельность в первую очередь зависит от характеристик интерфейса, с помощью кото­рого они связаны с материнской платой. В зависимости от типа интерфейса разброс значений может быть очень большим: от нескольких Мбайт/с до 13-16 Мбайт/с для интерфейсов типа EIDE; до 80 Мбайт/с для интерфейсов типа SCSI и от 50 Мбайт/с и более для наиболее современных интерфейсов типа IEEE 1394.

Кроме скорости передачи данных с производительностью диска напрямую связан параметр среднего времени доступа. Он определяет интервал времени, необходимый для поиска нужных данных, и зависит от скорости вращения диска. Для дисков, вращающихся с частотой 5400 об/мин, среднее время доступа составляет 9-10 мкс, для дисков с частотой 7200 об/мин – 7-8 мкс. Изделия более высокого уровня обеспечивают среднее время доступа к данным 5-6 мкс.

Для связи жесткого диска с контроллером системной платы используются специальные интерфейсы: ATA, Serial ATA и SCSI.

Интерфейс АТА появился в результате воплощения идеи переноса контроллера диска непосредственно к накопителю. Так появился класс устройств IDE (Integrated Device Electronics) — устройств со встроенным контроллером, имеющих ряд преимуществ перед устройствами с отдельным контроллером:

• За счет минимального удаления контроллера от диска удается существенно повысить быстродействие, поскольку отпадает необходимость передавать высокочастотные сигналы записи и чтения по длинным интерфейсным проводам.

• Снимается проблема совместимости накопителей и контроллеров по физическим форматам записи. Обмен с устройствами IDE происходит информационными и управляющими байтами или словами, а не закодированными последовательностями импульсных сигналов.

Для подключения устройств IDE существует несколько разновидностей ин­терфейса:

Ø АТА (Advanced Technology Attachment) IDE (16-бит), он же AT-BUS - интерфейс подключения к шине компьютера AT. В настоящее время это наиболее распространенный 40-проводной сигнальный и 4-проводной питающий интерфейс для подключения дисковых накопителей к компьютерам класса AT. Для миниатюрных (2,5" и меньших) накопителей используют 44-проводной кабель, по которому передается и питание.

В настоящее время в качестве официального названия интерфейса устройств IDE, ориентированного на подключение к шинам ISA и родственным им, применяют аббревиатуру ATA (AT Attachment – средства подключения к компьютеру AT).

Стандарт АТА-1 определяет оригинальный интерфейс AT Attachment. В спецификации АТА-1 определены и документированы следующие основные свойства:

• 40/44-контактный разъем и кабель;

• параметры выбора конфигурации диска — первичный/вторичный;

• параметры сигналов для основных режимов PIO (Programmed I/O) и DMA (Direct Memory Access);

• трансляция параметров накопителя CHS (Cylinder Head Sector) и LBA (Large Block Address).

Другими интерфейсами являются.

Ø АТА-2 – расширенная спецификация ATA, включает 2 канала, 4 устройства, PIO Mode 3, multiword DMA mode 1, Block mode, объем диска до 8 Гбайт, под­держка LBA и CHS.

Ø Fast АТА-2 разрешает использовать Multiword DMA Mode 2 (13,3 Мбайт/с), PIO Mode 4.

Ø ATA-3 – расширение, направленное на повышение надежности. Включает средства парольной защиты, улучшенного управления питанием, самотестирования с предупреждением приближения отказа — SMART (Self Monitoring Analysis and Report Technology).

Ø АТА-4 или Ultra DMA/33 — версия ATA/IDE со скоростью обмена по шине 33 Мбайт/с.

Устройства ATA IDE, E-IDE, АТА-2, Fast АТА-2, ATA-3 и Ultra DMA/33 электрически совместимы.

Ø АТА-5 (Ultra-ATA/66, 2000 г.);

Ø АТА-6 (Ultra-ATA/100, 2002 г.);

Ø АТА-7 (Ultra-ATA/133, 2004 г.).

Ø ATAPI (ATA Package Interface – пакетный интерфейс ATA) ­ программная спецификация для подключения к интерфейсу ATA накопителей CD-ROM, стриммеров и других устройств, которым недостаточно системы команд ATA, явно ориентированной на дисковые устройства.

Ø ATASPI (ATA Software Programming Interface) – менеджер ввода/вывода для Windows, обеспечивает асинхронные операции обмена с HDD, CD-ROM и стриммерами, использует 32-битный доступ и управление несколькими шинами.

Ø E-IDE (Enhanced IDE) – расширенный интерфейс, реализуемый в адаптерах для шин PCI и VLB, позволяющий подключить до 4 устройств (к двум каналам), включая CD-ROM и стриммеры (ATAPI). Поддерживает PIO Mode 3, multiword DMA mode 1, объем диска до 8 Гбайт, LBA и CHS.

До последнего времени широко применялся четко стандартизованный интерфейс АТА-2. Интерфейс E-IDE с аппаратной точки зрения полностью соответствует спецификации АТА-2. Для передачи сигналов между адаптером шины и жестким диском (контроллером) предназначен 40-контактный ленточный кабель (рис. 20). Чтобы по возможности не допускать искажения формы сигнала, увеличения задержек и уровня помех, длина кабеля не должна превышать 46 см (18 дюймов).

Рис. 20. Интерфейсный кабель АТА

Стандартом в разъеме предусмотрено место для 44 контактов, хотя только первые 40 используются в большинстве дисков АТА формата 3,5 дюйма или больших. Дополнительные четыре контакта (41-44) используются прежде всего на меньших дисках формата 2,5 дюйма, применяемых в портативных компьютерах. (В таких дисководах нет отдельного разъема питания, так что дополнительные контакты в первую очередь предназначены для подачи электропитания к дисководу.)

Новые высокоскоростные интерфейсы IDE наиболее подвержены помехам, возникающим в кабелях, особенно в слишком длинных. В таком кабеле возможно нарушение целостности данных и другие неприятности.

В настоящее время применяется два типа кабелей – 40- и 80-жильные. В обоих используются 40 контактные разъемы, а остальные проводники в 80-жильном кабеле заземлены.

Рис. 21. Внешний вид 40 контактного разъема интерфейса ATA

Такое конструктивное решение позволяет снизить уровень помех в высокоскоростных интерфейсах UltraATA/66 или UltraDMA/66. Новый 80-жильный кабель обратно совместим с 40-жильным, так что лучше использовать именно этот тип кабеля, причем независимо от интерфейса установленного накопителя.

Двухдисковая конфигурация (подключение двух жестких дисков)

Установка двух накопителей IDE в одном компьютере может оказаться проблематичной, так как каждый из них имеет собственный контроллер и оба они должны функционировать, будучи подключенными к одной шине. Поэтому важно иметь метод, позволяющий адресовать каждую конкретную команду только одному контроллеру.

В стандарте АТА предусмотрен способ организации совместной работы двух последовательно подключенных жестких дисков. Статус жесткого диска (первичный или вторичный) определяется либо путем перестановки имеющейся в нем перемычки или переключателя обозначением Master для первичного и Slave для вторичного), либо подачей по одной из линий интерфейса управляющего сигнала CSEL (Cable SELect — выбор кабеля).

При установке в системе только одного жесткого диска его контроллер реагирует на все команды, поступающие от компьютера. Если жестких дисков два (а следовательно, и два контроллера), то команды поступают на оба контроллера одновременно. Их надо настраивать так, чтобы каждый жесткий диск реагировал только на адресованные ему команды.

Рис. 22. Подключение жесткого диска ATA (IDE)

Именно для этого и служит перемычка (переключатель) Master/Slave и управляющий сигнал CSEL. Большинство накопителей IDE можно сконфигурировать следующим образом:

• первичный (один накопитель);

• первичный (два накопителя);

• вторичный (два накопителя);

• выбор кабеля.

Каждому из контроллеров двух жестких дисков необходимо сообщить его статус - первичный или вторичный. В большинстве новых накопителей используется только один переключатель (первичный/вторичный), а на некоторых еще и переключатель существования вторичного диска (slave present).

На рис. 23 показано расположение описанных переключателей на задней части накопителя. В некоторых современных накопителях можно не устанавливать переключатели, т.е. по умолчанию принимается определенная конфигурация накопителя. Все необходимые для правильной работы накопителя положения переключателей приводятся в документации к накопителю.

	Эта конфигурация используется для первого (или единственного) устройства со стандартным кабелем.
	Эта конфигурация используется для второго устройства со стандартным кабелем
	При использовании этой конфигурации переключатели обоих устройств должны быть установлены в одно положение; выбор первичного и вторичного устройства выполняется автоматически.

Рис. 23. Переключатели накопителя АТА (IDE)

Дисковод компакт-дисков CD/DVD-ROM

В 1994-1995 годах в базовую конфигурацию персональных компьютеров перестали включать дисководы гибких дисков диаметром 5,25 дюйма, но вместо них стандартной стала считаться установка дисковода CD-ROM, имеющего такие же внешние размеры.

Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) переводится на русский язык как постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска. Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверх­ности диска. Цифровая запись на компакт-диске отлича­ется от записи на магнитных дис­ках очень высокой плотностью, и стандартный компакт диск может хранить примерно 650 Мбайт данных.

Большие объемы данных характерны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому дисководы CD-RОМ относят к аппаратным сред­ствам мультимедиа.

Программные продукты, распространяемые на лазерных дисках, называют мультимедийными изданиями. Сегодня мультимедийные издания завоевывают все более прочное место среди других традиционных видов изданий. Так, например, существуют книги, альбомы, энциклопедии и даже периодические издания (электронные журналы), выпускаемые на CD-ROM.

Основным недостатком стандартных дисководов CD-ROM является невозможность записи данных, но параллельно с ними существуют и устройства однократной записи CD-R (Compact Disk Recorder), и устройства многократной записи CD-RW.

Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных. Она измеряется в кратных долях. За единицу измерения принята скорость чтения в первых серийных образцах, составлявшая 150 Кбайт/с. Таким образом, дисковод с удвоенной скоростью чтения обеспечивает производительность 300 Кбайт/с, с учетве­ренной скоростью - 600 Кбайт/с и т. д. В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства чтения CD-ROM с производительностью 40х-52х. Современные образцы устройств однократной записи имеют производительность 10х-20х, а устройств многократной записи - до 20х.

В настоящее время наряду с устройствами чтения CD-ROM получили широкое распространение устройства чтения и записи цифровых универсальных дисков – DVD (Digital Versatile Disk), имеющих большой объем и позволяющих записать на них больше информации.

Дата добавления: 2014-01-05