Una din cele mai importante componente a unui sistem de calcul este placa principala numita si placa de baza sau placa de sistem.
Formele constructive ale placilor de baza
Formele constructive ale placilor de baza se refera la dimensiunile fizice si marimea acestora care determina tipul de carcase în care acestea vor fi introduse. Exista mai multe tipuri de placi de baza, cele mai importante sunt: Baby-AT, full-size AT, LPX NLX si ATX.
Placa Baby-AT
Prima placa de baza folosita pe scara larga pentru calculatoarele personale a fost placa originala IBM-PC, urmata de placa IBM XT care avea câteva modificari cum ar fi numarul de conectori (8 în loc de 5), distanta dintre conectori (0,8 inci în loc de 1 inci) si eliminarea portului pentru casete destinat salvarii programelor pe casete cu banda.
Placa de baza Baby-AT are aproximativ aceeasi forma cu placa de baza originala IBM XT, cu unele modificari aduse pozitiei orificiilor pentru suruburi. Aceste placi folosesc pentru tastatura conectori de tipul standard DIN cu 5 pini. Placile de baza de tipul Baby-AT se potrivesc în orice tip de carcasa cu exceptia celor denumite slimline (extraplate).
Placa de baza full-size AT este numita astfel deoarece ea reproduce modelul original de placa de baza IBM AT. Dimensiunile acesteia sunt de aproximativ 12 inci latime si 13,8 inci lungime. Conectorul de tastatura si conectorii de extensie trebuie, conform cerintelor de amplasare specifice, sa se potriveasca cu orificiile carcasei. Acest tip de placa se va potrivi numai într-o carcasa de tip AT Standard sau Tower. În prezent aceste placi nu e mai produc.
Placa de baza LPX are mai multe caracteristici distinctive. Cea mai importanta este aceea ca sloturile de extensie se gasesc pe o placa Bus Rider (multiextensie), fixata pe placa de baza. Placile de extensie trebuie fixate în placa multiextensie, în pozitie culcata. Conectorii de extensie sunt plasati pe o parte sau pe ambele parti ale placii multiextensie, depinzând de modelul de carcasa si de sistem. O alta caracteristic 656b15g 9; deosebita este plasarea standard a conectorilor în spatele placii. O placa LPX are un sir de conectori pentru interfata video (VGA, 15 pini), portul paralel (25 pini), 2 porturi seriale (9 pini fiecare) si conectori de tipul mini-DIN PS/2 pentru mouse si tastatura. Toti acesti conectori sunt montati de-a lungul laturii din spate a placii de baza si patrund printr-o fanta în carcasa.
Modul de reprezentare a dispunerii conectoarelor din partea posterioara a unei placi LPX este reprezentat în figura de mai jos:
Placa de baza NLX este tot o placa care foloseste o placa multiextensie, diferenta fiind ca placa multiextensie se afla la marginea placii de baza si dispune de un rând de conectoare pe prima jumatate de lungime si de doua rânduri de conectoare pe cea de-a doua jumatate de lungime.
Placa de baza ATX este cea mai utilizata în ultimul timp, ea incluzând cele mai apreciate caracteristici ale placilor de baza Baby-AT si LPX, în plus numeroase alte îmbunatatiri. Forma constructiva a placii de baza ATX este asemeni celei a placii de baza Baby-AT a carei pozitia a fost rotita în interiorul sasiului, la care se adauga schimbarea conectorului si a locului de amplasare a sursei de alimentare. Aceasta forma este incompatibila cu celelalte anteriore. Specificatia ATX oficiala a fost definitivata de Intel în 1995, ea aducând fata de standardele anterioare urmatoarele îmbunatatiri:
panou extern incorporat cu conectoare I/O pe doua rânduri,
un singur conector intern de alimentare cu cheie,
o alta amplasare a procesorului si a memoriei astfel încât acestea sa nu se intersecteze cu nici una din placile de extensie si mai aproape de sursa de alimentare,
o alta amplasare a conectorilor I/O (pentru unitatile de discheta si hard-disk) astfel încât accesul la acestea sa fie mai usor, iar cablurile interne sa fie mai scurte,
îmbunatatirea racirii direct de ventilatorul sursei de alimentare,
pret de productie mai scazut.
Având în vedere ca în prezent cele mai utilizate placi de baza sunt de tipul ATX, vom prezenta configuratia si caracteristicile acesteia în figura de mai jos:
Se observa cât de libera este placa de baza în zona compartimentelor de unitate, precum si modul de amplasare a procesorului, memoriei si a conectorilor interni în afara zonei sloturilor. De asemenea se observa pozitia sursei de alimentare si a ventilatorului acesteia.
Componentele placilor de baza
Principalele componente ale unei placi de baza moderne sunt:
- soclul sau conectorul procesorului,
- setul de cipuri,
- cipul Super I/O,
- memoria BIOS,
- soclurile SIMM si DIMM,
- conectoarele de magistrala,
- regulatorul de tensiune al unitatii CPU,
- bateria.
În afara procesorului, pentru completarea sistemului, mai este necesar un set de cipuri cum ar fi: generatorul de tact, controllerul de magistrala, temporizatorul sistemului, controllere de întreruperi si DMA, memoria si ceasul CMOS etc. Placile de baza Pentium sunt echipate cu un set de cipuri de înalta performanta care permite verificarea paritatii precum si utilizarea codului ECC (Error Correcting Code) în cazul modulelor de memorie cu paritate.
Cipul Super I/O contine cel putin urmatoarele trei componente: controllerul unitatii de discheta, doua controllere pentru porturile seriale si controllerul portului paralel.
Toate placile de baza trebuie sa contina un cip numit BIOS (Basic Input/Output System). BIOS este o colectie de programe incorporate într-unul sau mai multe cipuri EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) sau EEPROM (Electrically EPROM), denumite si Flash ROM, în functie de tipul calculatorului. Aceasta colectie de programe este cea care se încarca prima, imediat dupa pornirea calculatorului, chiar înaintea sistemului de operare. Principale functii ale BIOS sunt:
- POST (Power On Self Test) - program care testeaza procesorul, memoria, setul de cipuri, adaptorul video, controllerele de disc, unitatile de disc, tastatura si alte componente ale calculatorului,
- Bootstrap loader - rutina care gaseste sistemul de operare si îl încarca,
- BIOS - colectia de drivere utilizate pentru a actiona ca o interfata de baza între sistemul de operare si hardware. Atunci când se ruleaza Windows în Safe Mode se ruleaza de fapt doar driverele BIOS,
- CMOS Setup - program pentru configurarea si setarea sistemului care permite configurarea parametrilor placii de baza si ai setului de cipuri, a datei si a orei, a parolelor, a unitatilor de disc si a altor parametrii de baza ai sistemului.
Principalele companii specializate în proiectarea unor produse ROM BIOS sunt: American Megatrends, Inc. (AMI), Phoenix si Award Software.
Soclurile SIMM/DIMM sunt soclurile de pe placa de baza în care se introduc modulele de memorie RAM. În functie de tipul placilor se utilizeaza module SIMM de 72 de pini, DIMM (Dual In-Line Memory Module) de 168 pini. Aceste module se fixeaza în bancuri aflate pe placa de baza. În cazul modulelor de 72 de pini, acestea vor fi instalate perechi datorita faptului ca placile sunt proiectate sa lucreze pe 64 de biti, în timp ce modulele DIMM se instaleaza unul câte unul pe câte un banc de 64 biti.
Magistrala este calea prin care pot circula datele în interiorul unui calculator, între doua sau mai multe elemente ale acestuia. Calculatorul are o ierarhie a diferitelor magistrale deoarece magistralele mai lente sunt legate la magistrale mai rapide. Fiecare dispozitiv din sistem este conectat la una din magistrale, unele dintre ele functionând ca punti între magistrale. Principalele magistrale ale unui PC sunt:
1. Magistrala procesorului care este cea mai rapida si face parte din nucleul setului de cipuri si al placii de baza. Magistrala procesorului este calea de comunicare între CPU (unitatea centrala de prelucrare si cipurile cu care lucreaza direct. Aceasta magistrala este folosita pentru a transfera date între CPU si magistrala principala a sistemului sau între CPU si memoria cache externa. În sistemele Pentium II, magistrala procesorului functioneaza la frecventa de 66 sau 100 MHz si are latimea de banda de 64 de biti.
2. Magistrala AGP (Accelerated Graphics Port) care este o magistrala de mare viteza de 66 MHz, pe 32 de biti destinata în special pentru o placa video.
3. Magistrala PCI (Pheripheral Component Interconnect) apare în sistem ca un ansamblu de conectoare pe 32 de biti pentru adaptoare SCSI, placi de retea, placi video.
4. Magistrala ISA (Industry Standard Architecture) este o magistrala foarte lenta cu o frecventa de 8 MHz, pe 16 biti, dar care se mentine pentru legatura cu diferite periferice mai lente cum ar fi modemul si placa de sunet.
Magistrala procesorului
Magistrala procesorului are scopul de transmitere si receptionare a datelor de la CPU, ea lucreaza la o viteza mult mai mare decât orice alta magistrala a sistemului. Magistrala este compusa din circuite electrice pentru date, pentru adrese si pentru comenzi. De exemplu pentru un sistem Pentium, magistrala procesorului are 64 linii de date, 32 linii de adrese si linii de comanda asociate.
Magistrala procesorului este legata la pinii procesorului si poate transfera un bit de date pe o linie de date la fiecare perioada sau la doua perioade ale ceasului.
În figura este reprezentata arhitectura tipica a unui sistem Pentium II, cu diferitele niveluri ale magistralelor din sistem:
Din figura se observa ca memoria cache functioneaza la jumatate din frecventa interna a procesorului în loc de frecventa placii de baza. De asemenea frecventa placii de baza este de 100 MHz, ceea ce îmbunatateste performantele memorie principale. O alta modificare pentru procesorul Pentium II o reprezinta adaugarea unei magistrale AGP care permite ca placa video sa se afle pe o magistrala proprie de mare viteza.
Magistrala memoriei este utilizata la transferul informatiilor între CPU si memoria principala (RAM) a sistemului. Aceasta magistrala este o parte a magistralei procesorului, sau de cele mai multe ori este implementata separat cu un set de cipuri responsabil cu transferul informatiilor între magistrala procesorului si memorie. În sistemele a caror frecventa este mai mare decât posibilitatile cipurilor de memorie se utilizeaza un set de cipuri numit controllerul memoriei care realizeaza interfata între magistrala rapida a procesorului si memoria principala, mai lenta.
Magistrala de adrese este parte a magistralei procesorului si a celei de memorie si ea este reprezentata pentru procesorul Pentium de cele 32 de linii de adrese. Magistrala de adrese este folosita pentru a indica adresa de memorie sau adresa de pe magistrala sistemului care va fi utilizata în cadrul operatiei de transfer al datelor. Magistrala de adrese indica precis locul în care va avea loc urmatorul transfer în memorie sau pe magistrala. Dimensiune magistralei de memorie determina marimea memoriei pe care unitatea centrala o poate accesa direct.
Magistrala I/O
Magistrala I/O permite procesorului sa comunice cu dispozitivele periferice. Magistrala I/O permite adaugarea de dispozitive calculatorului pentru a-i extinde posibilitatile. Numarul sloturilor de extensie poate sa varieze de la un calculator la altul.
Tipuri de magistrale I/O
În scopul obtinerii unor performante cât mai bune, respectiv cresterea vitezei de intrare/iesire a fost necesara si îmbunatatirea magistralelor I/O, impunându-se ca acestea sa fie cât mai rapide. În functie de arhitectura lor, pot fi identificate urmatoarele tipuri de magistrale de I/O:
ISA (Industry Strandard Arhitecture)
MCA (Micro Channel Arhitecture)
EISA (Extended ISA)
VL-Bus (VESA Local Bus)
PCI (Peripheral Component Interconnect)
AGP
Aceste magistrale se deosebesc în principal prin volumul datelor transferate simultan si prin viteza cu care se face acest transfer. Arhitectura magistralei este realizata cu un set de cipuri care este conectat la magistrala procesorului.
Magistrala ISA este arhitectura de magistrala utilizata la primul IBM PC în 1981. Initial a fost o magistrala de 8 biti, iar apoi a fost extinsa la 16 si 32 de biti. ISA sta la baza calculatorului personal modern si este principala arhitectura folosita astazi la marea majoritate a sistemelor PC. Ea a permis ca majoritatea componentelor unui sistem, cum ar fi porturile seriale, porturile paralele, adaptoarele video si de sunet sa fie interschimbabile între sistemele compatibile IBM.
În cazul magistralei ISA de 8 biti, o placa adaptoare are 62 de contacte pe marginea sa inferioara, ea se introduce într-un conector cu 62 de contacte montat pe placa de baza. Din punct de vedere electronic, acest conector furnizeaza 8 linii de date si 20 de linii de adrese si permite lucrul cu 1 M de memorie. În figura este reprezentat conectorul magistralei ISA pe 8 biti.
A1...A31 si B1...B31 reprezinta notatiile pentru pini, în total 62 de pini, fiecare dintre acestia având o anumita semnificatie.
Magistrala ISA pe 16 biti a aparut pe piata odata cu lansarea procesorului 286. Acest procesor avea o magistrala de date care îi permitea comunicatia pe 16 biti cu placa de baza si cu memoria. Din acest motiv a fost necesara fie crearea unei noi magistrale I/O, cu sloturi corespunzatoare de extensie, fie proiectarea unui sistem care sa admita atât placile pe 8 biti cât si cele pe 16 biti. IBM a optat pentru cea de-a doua solutie si a introdus un sistem PC AT cu un set de sloturi de extensie care utilizau conectori suplimentari pentru lucrul pe 16 biti. Conectorul suplimentar al slotului de extensie contine 36 de pini pentru semnale necesare realizarii unei cai mai largi de date. În plus, doi dintre pinii conectorului de 8 biti au primit o alta destinatie.
Magistrala ISA pe 32 biti a fost disponibila dupa o perioada de la aparitia procesoarelor pe 32 biti. Portiunea suplimentara a magistralei era folosita în general pentru extensii de memorie sau placi video particulare.
Magistrala MCA. Aparitia procesoarelor pe 32 de biti a facut ca magistrala ISA sa nu mai corespunda puterii noii generatii de procesoare. În loc sa extinda magistrala ISA, IBM a decis sa construiasca o noua magistrala MCA (Micro Channel Architecture). MCA este complet diferita de magistrala ISA si îi este superioara din toate punctele de vedere. Un sistem MCA este foarte usor de folosit deoarece este lipsit de jumpere si comutatoare, atât pe placa de baza, cât si pe placile adaptoare. Acest tip de magistrala nu a fost utilizat pentru mult timp datorita faptului ca placile adaptoare pentru sisteme ISA nu functioneaza în sisteme MCA.
MCA admite controlul total al magistralei (bus mastering) prin care orice dispozitiv poate cere acces la magistrala în scopul comunicarii cu un alt dispozitiv, conectat si el la magistrala. Aceasta cerere se face prin intermediul unui dispozitiv CACP (Central Arbitration Control Point). Fiecare dispozitiv are un cod de prioritate, ceea ce asigura pastrarea ordinii în sistem.
În proiectarea magistralelor MCA se folosesc patru tipuri de conectoare: pe 16 biti, pe 16 biti cu extensii video, pe 16 biti cu extensii de memorie, pe 32 de biti.
Extensiile pentru memorie marita permit utilizarea placilor de memorie îmbunatatite si transferuri de date cu aceste placi.
Extensiile video MCA sunt conectoare standard pe 16 biti însotite de câte un conector special pentru extensia video. Acest slot apare aproape în toate sistemele MCA în scopul maririi vitezei subsistemului video.
Magistrala EISA (Extended Industry Standard Arhitecture) permite, comparativ cu arhitectura sistemelor ISA pe 16 biti, o dezvoltare mai mare a sistemului, cu mai putine conflicte între adaptoare. Magistrala EISA adauga 90 de conexiuni suplimentare (55 de semnale noi) fara ca aceasta sa implice cresterea dimensiunilor conectorului de magistrala ISA pe 16 biti. Totusi, adaptorul EISA are doua rânduri de conectori. Primul rând este asemeni cu cel folosit de placile ISA pe 16 biti, iar al doilea, mai îngust, constituie extensia fata de conectorul de 16 biti. Sistemele EISA au un program de configurare (Setup) care gestioneaza întreruperile de la placile adaptoare si iesirile de adrese. Aceste iesiri creeaza adesea probleme atunci când sunt instalate mai multe placi adaptoare diferite în acelasi sistem.
Magistrale locale
Magistrale I/O prezentate pâna în prezent au viteza relativ scazuta. Aceasta limitare de viteza se datoreaza în cazul primelor generatii de PC-uri faptului ca magistralele de I/O operau la aceeasi viteza cu magistrala procesorului. În timp ce viteza magistralei procesorului a crescut, magistrala I/O a cunoscut doar ajustari ale vitezei nominale, în principal prin cresterea latimii de banda. Magistrala I/O a trebuit sa lucreze la o viteza scazuta deoarece majoritatea adaptoarelor instalate functionau la viteze mici.
În figura este reprezentata dispunerea magistralelor unui PC traditional.
Necesitatea sporita a magistralei I/O devine majora în cazul sistemelor care utilizeaza interfete grafice (Windows) care necesita prelucrarea unui volum atât de mare de date, încât magistrala I/O produce o strangulare a întregului sistem. De exemplu cazul unui procesor care lucreaza la 66MHz, în timp ce datele se transfera pe magistrala cu numai 8 MHz.
O solutie pentru aceasta problema este dispunerea unora dintre extensiile I/O într-o zona unde pot avea acces la viteza sporita a magistralei procesorului, la fel cum beneficiaza si cache-ul extern. O astfel de reprezentare este ilustrata în figura de mai jos.
Aceasta dispunere a componentelor este denumita magistrala locala (local bus) deoarece dispozitivele I/O pot accesa magistrala procesorului.
Principalele tipuri de magistrale locale sunt: VL-Bus, PCI si AGP.
Începând cu anul 1992, VESA Local bus (VL-Bus) a fost cel mai raspândit model de magistrala locala. VESA reprezenta o organizatie non-profit fondata de NEC.
Magistrala VL-Bus poate transfera 32 de biti simultan si deci permite ca transferul datelor între CPU si un subsistem compatibil video sau un hard-disc sa se faca pe lungimea integrala de 32 de biti a cuvântului. Din punct de vedere fizic, conectorul VL-Bus este o extensie a sloturilor de baza folosite în orice tip de sistem. De exemplu daca avem un sistem ISA, conectorul VL-Bus este montat ca o extensie a sloturilor ISA pe 16 biti, iar daca avem un sistem EISA sau MCA, conectorii VL-Bus sunt extensii ale sloturilor existente. În figura este reprezentat modul de pozitionare al conectorilor VL-Bus într-un sistem ISA.
Pozitia pinilor este reprezentata în figura de mai jos.
Magistrala PCI (Peripheral Component Interconnect) a fost lansata în 1992 si modificata în 1993. Ea a fost obtinuta prin reproiectarea magistralei traditionale prin intercalarea unei alte magistrale între CPU si magistrala I/O existenta reprezentata prin cipuri de legatura (bridge). S-a preferat ca în loc sa se intre direct pe magistrala procesorului, sa se puna la punct un nou tip de cipuri controller pentru a extinde magistrala. În figura este reprezentata schema de principiu a magistralei PCI.
Magistrala PCI este numita si magistrala mezanin deoarece ea adauga un alt nivel configuratiei traditionale de magistrala. Ea foloseste magistrala sistemului pentru a creste viteza ceasului si foloseste toate avantajele cailor de date ale unitatii procesorului CPU. Sistemele care au inclus magistrala PCI au aparut pe piata în anul 1993 si de atunci au devenit cele mai sigure sisteme de mare performanta.
Din punct de vedere fizic, placa adaptoare PCI foloseste conectori MCA standard ca si placile VL-Bus. Acest conector poate fi recunoscut în interiorul unui calculator deoarece este, în general, deplasat fata de conectorii normali, ca în figura.
Pozitia pinilor este reprezentata în figura de mai jos.
Magistrala AGP (Accelerated Graphics Port) este o magistrala dedicata redarii imaginilor video si grafice de înalta calitate care are la baza modelul PCI, dar beneficiaza de câteva îmbunatatiri suplimentare.
AGP este o conexiune de mare viteza, care functioneaza la o frecventa de baza de 66MHz, cu latimea de banda de 32 de biti si care ajunge sa faca patru transferuri de date pe un ciclu.
Intel a conceput magistrala AGP nu numai pentru performante video mai bune, dar si pentru a realiza o legatura directa de mare viteza între placa video si memoria RAM de sistem, reducând astfel nevoia de tot mai multa memorie video.
Resursele sistemului
Resursele sistemului sunt reprezentate de canalele de comunicatie, adresele si alte semnale utilizate de dispozitivele hard pentru a comunica pe magistrala. Aceste resurse sunt:
adresele de memorie,
canalele IRQ (de cerere a întreruperii)
canalele DMA (de acces direct la memorie),
adresele porturilor I/O.
Despre adresele de memorie vom discuta într-un alt capitol unde vor fi prezentate si alte probleme legate de memorie.
Canalele IRQ (Interrupt ReQuest) sunt folosite de diferite dispozitive pentru a semnaliza placii de baza ca trebuie satisfacuta o cerere de întrerupere. Aceste canale sunt formate din trasee pe placa de baza si conexiuni la conectori. Când o anumita întrerupere este activata, sistemul ruleaza o rutina speciala, care mai întâi salveaza continutul registrelor CPU într-o stiva, iar apoi directioneaza sistemul spre tabela vectorilor de întreruperi. Aceasta tabela contine o lista a adreselor de memorie care corespund canalelor de întreruperi. În functie de întreruperea care a fost activata, este rulat programul corespunzator. Dupa ce rutina software respectiva termina executarea operatiilor de care placa are nevoie, software-ul de control al întreruperii restaureaza continutul stivei în registrele CPU si sistemul reia programul pe care îl executa înainte sa apara întreruperea.
Daca sistemul este prea încarcat si dimensiunea stivei este depasita (datorita generarii mai multor întreruperi într-un interval scurt de timp), apare o eroare de depasire a stivei interne si sistemul se opreste (executa halt). În cazul aparitiei unei astfel de erori, ea poate fi corectata prin modificarea parametrului Stacks din fisierul config.sys, în sensul cresterii dimensiunilor stivei disponibile.
Canalele DMA (Direct Memory Access) sunt folosite de dispozitivele de comunicatie care trebuie sa trimita si sa receptioneze informatii cu viteza mare. Un port serial sau paralel nu foloseste un canal DMA, dar o placa de sunet sau un adaptor SCSI o face adesea. Uneori mai multe dispozitive pot folosi un canal DMA în comun, dar nu simultan.
Adresele porturilor I/O. Porturile I/O permit cuplarea la sistem a unui numar mare de dispozitive în scopul maririi posibilitatilor sale. O imprimanta cuplata la unul dintre porturile paralele ale sistemului este utila pentru listari, un modem cuplat la unul din porturile seriale face posibila comunicarea prin intermediul liniilor telefonice, cu calculatoare aflate la mii de kilometrii distanta. Fiecare port I/O utilizeaza pentru comunicatie o adresa I/O. Aceasta adresa, care este în zona de jos a memoriei, este rezervata pentru comunicatia între dispozitivul de intrare/iesire si sistemul de operare. Daca sistemul are mai multe placi I/O, fiecare placa trebuie sa utilizeze o adresa I/O diferita. Pentru porturile seriale si paralele, adresele I/O sunt standard.
|
