1.3 Призначення, конструкція і характеристики пристроїв персональних комп’ютерів: системний блок, блок живлення, мікропроцесор, материнська плата, оперативна пам’ять

ПК складається з декількох блоків, які з’єднані між собою кабелями. Склад блоків може мінятися, але мінімальний комплект складають: системний блок, клавіатура, монітор, маніпулятор (миша). У числі додаткових пристроїв можуть бути: принтер, сканер та інші.

Системний блок – прямокутний каркас з кришкою або кожухом, в якому розміщені усі основні вузли ПК: материнська плата, адаптери, блок живлення, один або два НГМД, один (або більше) НЖМД, динамік, дисковод для компакт-дисків, органи керування. Серед органів керування можуть бути: кнопка ввімкнення / вимкнення електроживлення (на передній панелі); кнопка загального скидання RESET; перемикач тактової частоти; кнопка («сну»), яка дозволяє знизити енергоспоживання , коли ПК не використовується; індикатори живлення та режимів роботи. З тильного боку системного блоку розташовані штепсельні роз’єми – порти для підключення шнурів живлення і кабелів зв’язку із зовнішніми пристроями. Всередині системного блоку розташовані плати поєднання пристроїв з ЦП та іншими пристроями на материнській платі (адаптери або контролери і плати розширення).

Існують також формати системного блоку: вежа (tower), міні-вежа (mini – tower), плоский (desktop), надплоский (slim, ultraslim). Багато сучасних корпусів мають формат ATX. Вони відрізняються декілька більшими габаритами, але разом з тим більш «інтелектуальною» системою живлення, роз’ємними з'єднаннями для миші і клавіатури стандарту PS/2.

Блок живлення перетворює змінний струм стандартної мережі електропостачання (220В, 50Гц) на постійний струм низької напруги. Він має декілька виходів на різноманітні напруги (12 та 5В), які забезпечують живленням відповідні пристрої. Звичайна потужність блоків живлення ПК складає 150 – 230Вт для мережного сервера. Вона може бути значно більше.

Системна (материнська) плата – велика дукована плата, що містить на собі головні компоненти комп’ютерної системи: ЦП; ОП; кеш - пам’ять; комплект мікросхем логіки, які підтримують роботу плати чіпсет; центральну магістраль або шину; контролер шини і декілька роз’ємних гнізд (слотів), які служать для підключення до материнської плати інших плат (контролерів, плат розширення та інше). Кількість та вид слотів є однією з найважливіших характеристик системної плати, адже в подальшому ПК можливо доукомплектовувати або модернізувати. На материнській платі знаходяться перемикачі (switches), за допомогою яких відбувається настроювання плати.

Ще один важливий елемент, який встановлюється на системній платі – мікросхема BIOS (базова система введення/виведення). Вона є ПЗП, в якій записані програми, які реалізують функції введення/виведення; програму тестування ПК в момент його включення (POST, Power On Self Test), програму настроювання параметрів BIOS та системної плати та інші спеціальні програми. В роботі BIOS використовують інформацію про апаратну конфігурацію комп’ютера, яка зберігається на ще одній мікросхемі CMOS RAM. Ця пам'ять постійно підживлюється від батарейки, яка також знаходиться на системній платі. Ця батарейка також живить схему кварцового годинника.

Мікропроцесор. На одному кристалі надчистого кремнію за допомогою складного, багатоступеневого і високоточного технологічного процесу створено кілька мільйонів транзисторів та інших елементів, з’єднувальні проводи і вузли і точки підключення зовнішніх виводів. У сукупності вони створюють усі логічні блоки, тобто арифметичний пристрій, КП, регістри и таке інше. Лідером з виробництва ЦП є компанія INTEL

Табл. 1.3. Технічні дані деяких ЦП компанії INTEL:

Основними параметрами МП є: набір команд, розрядність, тактова частота.

Набір команд (або система команд) постійно вдосконалюється, з’являються нові команди, які змінюють серії примітивних команд – мікропрограми. На виконання нової команди потрібно менша кількість тактів ніж на мікропрограму. Сучасні МП можуть виконувати до декількох сотень команд (інструкцій).

Розрядність – показує, скільки двійкових розрядів (бітів) інформації обробляється або передається за один такт, а також скільки двійкових розрядів може бути використано у МП для адресування оперативної пам’яті, передачі даних та інше. Кількість пам’яті, що адресується, (адресний простір) залежить від кількості ліній шини адреси МП. Якщо таких ліній 20, то адресний простір складатиме 2²⁰ = 1 Мбайт, якщо ліній 24, то 2²⁴ =16 Мбайт і так далі.

Тактова частота вказує, скільки елементарних операцій (тактів) МП виконує за секунду, вимірюється у мегагерцах (1МГц = 1000000 Гц). Тактова частота є тільки відносним показником продуктивності МП. Через архітектурні відмінності у деяких з них за один такт виконується робота, на яку інші витрачають кілька тактів. Важливими характеристиками сучасних МП, що впливають на їхню продуктивність, є ємність і швидкість функціонування вмонтованої кеш-пам’яті, оскільки тактова частота МП в кілька разів вища ніж частота синхронізації системної шини, по якій відбувається обмін інформацією з відносно повільним ОЗУ. Без внутрішньої кеш – пам’яті (яка має особливо високу швидкодію) МП часто працював би вхолосту, чекаючи чергової інструкції від ОЗП або закінчення операції запису у пам'ять. Кеш – пам'ять першого рівня (L1) реалізована в самому кристалі МП, а кеш – пам'ять другого рівня (L2) більш повільна і більшої ємності, може знаходитися на системній платі. Типова для сучасного МП ємність кеш-пам’яті L1 складає 32 Кбайт (по 16 Кбайт для копіювання команд та даних); ємність L2 від 256 або 512 Кбайт для звичайних ПК до 2-3 Мбайт для потужних серверів.

Зовні МП виглядає, як прямокутна пластмасова або керамічна пластина розміром 5х5х0,3. На сучасні МП встановлюються радіатор зі сплаву з високою теплопровідністю та вентилятор для охолодження. МП легко встановлюється у спеціальне прямокутне рознімне з’єднання – сокет. Тип сокету має відповідати типу МП.

Оперативна пам'ять реалізована на надвеликих інтегральних схемах. Існує два типи мікросхем пам’яті: статична та динамічна. У перших елементарну комірку утворюють тригерні схеми. Така схема встановлюється в 0 або в 1 вхідним імпульсом і зберігає свій стан до наступного імпульсу або вимкнення ПК. При причитуванні записаного в комірку значення її стан також не змінюється. Динамічна пам'ять складається із мікроскопічних конденсаторів, кожний з яких може знаходитися у стані «заряджений» (1) або ні (0). Конденсатори необхідно підживлювати. Тому динамічний ОЗП більш повільний, але він менш енергоємний. Дані у динамічному ОЗП також знищуються після вимкнення ПК. Конструктивно ОЗП (типу SIMM, Single in-line Memory Module) має вигляд невеликої довгастої друкованої плати з розміщеними на ній мікросхемами. В останній час використовують в основному 72-контактні (72-pin) 36-бітові модулі. На сучасних системних платах використовують в основному 168 – контактні 64 – розрядні модулі DIMM, що надає можливість краще використовувати можливості системної шини. На системних платах є два типи рознімних з’єднань: SIMM та DIMM . Швидкість доступу (час циклу зчитування з ОЗП або запису в нього даних) складає 50-70 нс для асинхронної пам’яті (SIMM) і 15-45 нс для синхронної (DIMM). Розрядність ОЗП може сильно позначатися на продуктивності системи. Тому 32-розрядні додатки Windows треба використовувати на 32-розрядному ПК, а не, наприклад, на 16-розрядному.

У сучасному ПК використовується новий тип пам’яті EDO (Extended Data Output), в якій використовується принцип конвеєризації: під час читання записаного в банк байта мікросхема також виконує вибірку наступного байта або зберігає його у вихідному регістрі, завдяки чому час вибірки наступного значення значно скорочується. Загальний виграш у швидкодії 5-15%.

З 1997 року на вітчизняному ринку з’явилися модулі ОЗП типу CD-RAM (синхронний динамічний ОЗП), доступ до якого може здійснюватися ще швидше. Модулі CD-RAM мають ємність 16, 32, 64, 128, 256 Мбайт.

Системна магістраль (шина) та шина розширення

Системна магістраль (шина) – це група електричних з’єднань (провідників) для обміну даними, адресами, сигналами між різними агрегатами комп’ютера.

Системна магістраль поєднує МП з оперативною пам’яттю та кеш-пам’яттю і, як правило, є найбільш швидкодійною з магістралей. Системні шини працюють на частоті 66, 75, 100, 133 МГц. Більшість IBM-сумісних комп’ютерів мають шину розширення стандарту ISA (Industry Standard Architecture – стандартна індустріальна архітектура). Шина містить 16 ліній для передачі даних, 24 ліній для передачі адрес, 15 ліній для апаратних переривань і 7 ліній для організації прямого доступу до пам’яті. Крім того, кілька провідників призначені для розведення електроживлення та службових сигналів. Шина працює на частоті 8 МГц. Максимальна швидкість передачі даних по шині сягає 16 Мб/с.

У сучасних ПК проміжне місце між системною шиною та шиною ISA займає Mezzanine- шини, тобто шини – прибудови. Вони не залежать від типу ЦП та його тактової частоти. Найпоширенішим стандартом на такі шини є PCI (Peripheral Component Interconnect, зв’язок периферійних компонентів). До шин PCI можна підключати до 10 пристроїв. На шині PCI може бути 124-контактне (32-розрядна передача даних) або 188-контактне (64-розрядна передача) рознімне з’єднання, при цьому теоретично можлива швидкість обміну даними складає відповідно 132 та 264 Мб/с. Стандартна тактова частота шини – 33 МГц. Одним із головних користувачів шини є графічний адаптер. Для використання сучасних графічних програм, які надто перевантажують шину, передбачено спеціальну шину AGP (Accelerated Graphic Port – прискорений графічний порт), розроблену фірмою Intel. Ця шина схожа на PCI шину, але працює на частоті 66 МГц і має архітектурні особливості.

Плати розширення. Шини розширення на системній платі мають вигляд 8-, 16- або 32-розрядних рознімних з’єднань розширення (слотів), в які вставляють плати розширення. Конструктивно плата розширення – це друкована плата стандартного розміру з рознімним з’єднанням типу ISA та PCI. На платі встановлено необхідні мікросхеми. Плата розширення встановлюється у вільний слот системної плати. Іноді платами розширення називають тільки додаткові електронні пристрої (модем, звукову плату та інше), які не входять до комплекту поставки ПК.