Материнская плата

МАТЕРИНСКАЯ ПЛАТА
Матери́нская пла́та — печатная плата, являющаяся основой построения модульного устройства, например — компьютера.
Материнская плата содержит основную часть устройства, дополнительные же или взаимозаменяемые платы называются дочерними или платами расширений.

МАТЕРИНСКАЯ ПЛАТА

ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭВМ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ АЛГЕБРЫ-ЛОГИКИ
Алгебраическая интерпретация понятий традиционной логики получила свое ясное оформление в трудах английского математика Джорджа Буля, таких как "Themathematicalanalysisoflogic", 1847 и "Aninvestigationofthelawsofthought ...", 1854.
Категорические суждения логики стали рассматриваться как уравнения относительно символов, обозначающих термины суждения. Логическая переменная в алгебре логики может принимать одно из двух возможных значений: TRUE - истина, FALSE - ложь. Эти значения в цифровой технике принято рассматривать как логическую "1" (TRUE) и логический "0" (FALSE), или как двоичные числа 1 и 0.
Логические переменные позволяют легко описать состояние таких объектов, как тумблеры, кнопки, реле, триггеры и других, которые могут находиться в двух четко различимых состояниях: включено - выключено.
Джордж Буль (1815-1864)

ПОНЯТИЕ О МИНИМИЗАЦИИ ЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ. ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ
Минимизация логических функций основана на применении законов склеивания и поглощения. Различают аналитический и табличный методы минимизации логической функции.
Среди аналитических методов наиболее известным является метод Квайна-МакКласки, среди табличных методов - с применением диаграмм Вейча. По логическим выражениям проектируются схемы ЭВМ. При этом следует придерживаться следующей последовательности действий:
1. Словесное описание работы схемы
3.Формализация словесного описания
2.Запись функции в дизъюнктивной совершенной нормальной форме по таблицам истинности.
4. Минимизация логических зависимостей с целью их упрощения.
6. Представление полученных выражений в выбранном логически полном базисе элементарных функций.
5. Построение схемы устройств

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭВМ. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ ЭВМ
В структуре ЭВМ выделяют структурные единицы:
Элементы
Каждый элемент предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации
Узлы.
Узлы обеспечивают одновременную обработку группы сигналов - информационных слов
Устройства.
Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей
Блоки.
Блоки реализуют некоторую последовательность в обработке информационных слов - функционально обособленную часть машинных операций

КОМБИНАЦИОННЫЕ СХЕМЫ. СХЕМЫ С ПАМЯТЬЮ
Обработка входной информации в схемах ЭВМ обеспечивается преобразователями или цифровыми аппаратами 2 видов: комбинационными схемами и схемами с памятью.
Комбинационные схемы.
это схемы, у которых выходные сигналы Y = (у1, у2, ..., уm) в любой момент дискретного времени однозначно определяются совокупностью входных сигналов Х = (х1, х2,..., хn), поступающих в тот же момент времени t. Реализуемый в комбинационной схеме способ обработки информации называется комбинационным потому, что результат обработки зависит только от комбинации входных сигналов и формируется сразу при поступлении входных сигналов
Схемы с памятью.
Наличие памяти в схеме позволяет запоминать промежуточные состояния обработки и учитывать их значения в дальнейших преобразованиях. Выходные сигналы Y = (y1, y2, ..., уm) в схемах данного типа формируются не только по совокупности входных сигналов Х = (х1, х2, ..., хn), но и по совокупности состояний схем памяти Q = (q1, q2, ..., qk).

ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ЭВМ
Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня их интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой Wn и рассеиваемой Wp мощностью. При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза их объемы изменяются в 8 раз. Пропорционально этим цифрам должны меняться и значения Wn и Wp, в противном случае схемы будут перегреваться и выходить из строя.
Большие исследования проводятся также в области использования явления сверхпроводимости и туннельного эффекта - эффекта Джозефсона. Работа микросхем при температурах, близких к абсолютному нулю, позволяет достигнуть fmax, при этом Wp=Wn=0. Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время возможности микроэлектроники еще не исчерпаны, но давление пределов уже ощутимо. Основой для ЭВМ будущих поколений будут БИС и СБИС совместно с ССИС. При этом структуры ЭВМ и ВС будут широко использовать параллельную работу микропроцессоров.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ И СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ
Функциональную организацию ЭВМ образуют: коды, системы команд, алгоритмы выполнения машинных операций, технология выполнения различных процедур, способы использования устройств при организации их совместной работы, составляющие идеологию функционирования ЭВМ. Идеологию функционирования ЭВМ можно реализовать: аппаратурными, программно-аппаратурными и программными средствами. Таким образом, реализация функций ЭВМ дополняет ее структурную организацию.

ОРГАНИЗАЦИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭВМ С МАГИСТРАЛЬНОЙ АРХИТЕКТУРОЙ
В центральных устройствах основным узлом, связывающим микропроцессорный комплект в единое целое, является системная магистраль. Она состоит из трех узлов, называемых шинами: шина данных, шина адреса, шина управления. В состав системной магистрали входят регистры-защелки, в которых запоминается передаваемая информация, шинные формирователи, шинные арбитры, определяющие очередность доступа к системной магистрали. Логика работы системной магистрали, количество разрядов в шинах данных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций, возникающих при одновременном обращении различных устройств ЭВМ к системной магистрали, образуют интерфейс системной шины.

ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ ЭВМ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЗАДАНИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
Профессиональный пользователь пишет задание для ЭВМ в виде программы на алгоритмическом языке. Написанное задание представляет собой исходный модуль, сопровождаемый управляющими предложениями, указывающими операционной системе ЭВМ, на каком языке написана программа и что с ней надо делать. Исходный модуль перед исполнением должен быть переведен на внутренний язык машины. Эта операция выполняется специальной программой - транслятором. Трансляторы выполняются в виде двух разновидностей: интерпретаторы и компиляторы. Интерпретатор после перевода на язык машины каждого оператора алгоритмического языка немедленно исполняет полученную машинную программу. Компилятор же сначала полностью переводит всю программу, представленную ему в виде исходного модуля, на язык машины.

ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ОСНОВНОЙ ПАМЯТЬЮ ЭВМ
Основная память – память, в которой размещается выполняемая в данный момент программа, ее данные.
Функции операционной системы по управлению памятью
1) отслеживание свободной и занятой памяти
2) выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов
3) вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти недостаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место.

ПОНЯТИЕ АДРЕСНОГО ПРОСТРАНСТВА. АДРЕСНАЯ СТРУКТУРА КОМАНД МИКРОПРОЦЕССОРА И ПЛАНИРОВАНИЕ РЕСУРСОВ
Для борьбы с фрагментацией основной памяти адресное пространство программы может быть разбито на отдельные сегменты, слабо связанные между собой. Тогда программа может быть представлена в виде ряда сегментов, загружаемых в различные области оперативной памяти. При статическом перемещении программы в процессе загрузки ее в основную память адреса должны быть привязаны к конкретному месту в памяти, на что уходит много времени. Более эффективной является динамическая трансляция адресов, которая заключается в том, что сегменты загружаются в основную память без трансляции адресного пространства, а трансляция адресов каждой команды производится в процессе ее выполнения. Этот тип трансляции называется динамическим перемещением и осуществляется специальными аппаратурными средствами.

ВИРТУАЛЬНАЯ ПАМЯТЬ
Виртуальная память — схема адресации памяти компьютера, при которой память представляется программному обеспечению непрерывной и однородной, в то время как в реальности для фактического хранения данных используются отдельные области различных видов памяти, включая кратковременную (оперативную) и долговременную (жёсткие диски, твёрдотельные накопители).

ОРГАНИЗАЦИЯ МНОГОПРОГРАММНОЙ РАБОТЫ И ПОНЯТИЕ О СИСТЕМЕ ПРЕРЫВАНИЙ
Прерывание – центральный процессор передает устройству команду и все необходимые для ее исполнения параметры. При возникновении события, требующего немедленной реакции со стороны машины, центральный процессор прекращает обработку текущей программы и переходит к выполнению другой программы, специально предназначенной для данного события, по завершении которой возвращается к выполнению отложенной программы.
Прерывания делятся на три типа: аппаратурные, логические и программные:
1. . Аппаратурные прерывания вырабатываются устройствами, требующими внимания микропроцессора
2. Запросы на логические прерывания вырабатываются внутри микропроцессора при появлении “нештатных” ситуаций
3. используются отладчиками программ для организации пошагового режима выполнения программ и для остановки программы в заранее намеченных контрольных точках.

ЦЕНТРАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ
Процессор машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающая за выполнение основной доли работ по обработке информации — вычислительный процесс. Современные ЦПУ, выполняемые в виде отдельных микросхем, реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами.

ОСНОВНАЯ ПАМЯТЬ. СОСТАВ, УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ОСНОВНОЙ ПАМЯТИ
Основная память состоит из микроскопических ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес, или номер. Элемент информации сохраняется в памяти с назначением ему некоторого адреса. Чтобы отыскать эту информацию, компьютер «заглядывает» в ячейку и копирует ее содержимое в свой «командный» пункт. Емкость отдельной ячейки памяти называется словом

РАЗМЕЩЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ОСНОВНОЙ ПАМЯТИ ПЭВМ НА БАЗЕ МП INTELTM
Единицей информации основной памяти является байт. Каждый байт, записанный в оперативной памяти, имеет уникальный адрес. При использовании 20-битной шины адреса абсолютный адрес каждого байта является пятиразрядным шестнадцатеричным числом, принимающим значения от 00000 до FFFFF. В младших адресах располагаются блоки операционной системы, в этой же части могут размещаться драйверы устройств, дополнительные обработчики прерываний DOS и BIOS, командный процессор операционной системы. Затем располагается область памяти, отведенная пользователю. Область памяти пользователя заканчивается адресом 9FFFF. Остальное адресное пространство отведено под видеопамять, которая физически размещается не в оперативной памяти, а в адаптере дисплея. После видеопамяти расположено адресное пространство постоянного запоминающего устройства, хранящего программы базовой системы ввода-вывода. Из отведенных 256 Кбайт непосредственно постоянное запоминающее устройство занимает 64 Кб, а остальные 192 Кб оставлены для расширения постоянного запоминающего устройства.

РАСШИРЕНИЕ ОСНОВНОЙ ПАМЯТИ ПЭВМ
Физически увеличить объем памяти несложно, для этого необходимо только подключить к системной магистрали дополнительные модули. Но каждый байт дополнительной памяти должен иметь уникальный адрес, а адресного пространства для дополнительной памяти нет.
Желание использовать в реальном режиме всю фактически имеющуюся в наличии дополнительную память привело к созданию двух виртуальных режимов, один из которых стандарт EMS, реализующий принцип банкирования дополнительной памяти. Вся дополнительная память делится на страницы емкостью по 16 Кб; выбираются четыре страницы и объявляются активными. Выбранные активные страницы отображаются на четыре окна UMB, теперь при обращении к одному из окон UMB вместо него подставляется отображенная на него страница дополнительной памяти. Поскольку любое окно UMB можно отобразить на любую страницу дополнительной памяти, то, изменяя отображение в процессе работы, можно использовать всю дополнительную память любого объема.

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР ЭВМ
Процессор машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающая за выполнение основной доли работ по обработке информации — вычислительный процесс. Современные ЦПУ, выполняемые в виде отдельных микросхем, реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами.

СТРУКТУРА БАЗОВОГО МП. СИСТЕМА КОМАНД МП
Микропроцессор - обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения к оперативной памяти и для управления ходом вычислительного процесса.
SL - микропроцессор изготовлен для работы с пониженным потреблением энергии; SX - данный микропроцессор является переходным - длина машинного слова в нем осталась без изменения от предыдущей модели; DX - длина машинного слова увеличена вдвое по сравнению с микропроцессором предыдущей модели.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ РАБОТЕ МП. РАБОТА МП ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРОГРАММНОГО ПРЕРЫВАНИЯ.
Работой МП управляет программа, записанная в оперативной памяти ЭВМ. Адрес очередной команды хранится в счетчике команд IP и в одном из сегментных регистров, чаще всего в CS. Каждый из них в реальном режиме имеет длину 16 бит, тогда как физический адрес оперативной памяти должен иметь длину 20 бит. Несогласованность длины машинного слова (16 бит) и длины физического адреса оперативной памяти (20 бит) приводит к тому, что в командах невозможно указать физический адрес оперативной памяти - его приходится формировать, собирать из разных регистров МП в процессе работы.

ЧТО ТАКОЕ MEMORYRELOCATION?
Memory Relocation – это перенос неиспользуемой памяти из системной области в область расширенной памяти. В первых IBM PC устанавливалось 640 кб основной памяти и отдельно - расширенная память, поэтому со старшими 384 кб проблем не возникало. В современных платах вся память представляет собой непрерывный массив, поэтому системную область приходится аппаратно исключать, теряя при этом 384 кб.

ЧТО ТАКОЕ SHADOWMEMORY?
Shadow Memory – это так называемая теневая память. В адресах памяти от 640 кб до 1 Мб находятся "окна", через которые видно содержимое различных системных ПЗУ. При включении для каких-либо окон режима Shadow содержимое их ПЗУ копируется в участки ОЗУ, которые затем подключаются к этим же адресам вместо ПЗУ, "затеняя" их; запись в эти участки аппаратно запрещается для полной имитации ПЗУ. Это дает в первую очередь ускорение работы с данными ПЗУ за счет более высокого быстродействия микросхем ОЗУ. Кроме этого, появляется возможность модифицировать видимое содержимое ПЗУ.

ЧТО ТАКОЕ КЭШ И ЗАЧЕМ ОН НУЖЕН?
Кэш обозначает быстродействующую буферную память между процессором и основной памятью. Кэш служит для частичной компенсации разницы в скорости процессора и основной памяти. Когда процессор первый раз обращается к ячейке памяти, ее содержимое параллельно копируется в кэш, и в случае повторного обращения в скором времени может быть с гораздо большей скоростью выбрано из кэша

ЧТО ТАКОЕ DIP, SIP, SIPP, SIMM, DIMM, CELP, COAST?
DIP (корпус с двумя рядами выводов) - классические микросхемы, применяющиеся в блоках кэш-памяти.
SIP (корпус с одним рядом выводов) - микросхема с одним рядом выводов, устанавливаемая вертикально.
SIPP (модуль с одним рядом проволочных выводов) - модуль памяти, вставляемый в панель наподобие микросхем DIP/SIP; применялся в ранних AT. SIMM (модуль памяти с одним рядом контактов) - модуль памяти, вставляемый в зажимающий разъем; применяется во всех современных платах, а также во многих адаптерах, принтерах и прочих устройствах. SIMM имеет контакты с двух сторон модуля, но все они соединены между собой, образуя как бы один ряд контактов.
DIMM (модуль памяти с двумя рядами контактов) - модуль памяти, похожий на SIMM, но с раздельными контактами, за счет чего увеличивается разрядность или число банков памяти в модуле.
CELP (COAST) - модуль внешней кэш-памяти, собранный на микросхемах SRAM или PB SRAM. По внешнему виду похож на 72-контактный SIMM, имеет емкость 256 или 512 кб

КАКИЕ ТИПЫ МИКРОСХЕМ ПАМЯТИ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ В СИСТЕМНЫХ ПЛАТАХ?
Из микросхем памяти используется два основных типа: статическая и динамическая.
В статической памяти ячейки построены на различных вариантах триггеров - схем с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она может пребывать в этом состоянии столь угодно долго - необходимо только наличие питания. При обращении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который при помощи внутреннего дешифратора преобразуется в сигналы выборки конкретных ячеек. Ячейки статической памяти имеют малое время срабатывания, однако микросхемы на их основе имеют низкую удельную плотность данных и высокое энергопотребление
Динамической памяти ячейки построены на основе областей с накоплением зарядов, занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении. При записи бита в такую ячейку в ней формируется электрический заряд, который сохраняется в течение нескольких миллисекунд; для постоянного сохранения заряда ячейки необходимо регенерировать - перезаписывать содержимое для восстановления зарядов. Ячейки микросхем динамической памяти организованы в виде прямоугольной матрицы

ЧТО ТАКОЕ BIOS И ЗАЧЕМ ОН НУЖЕН?
BIOS - основная система ввода/вывода, зашитая в ПЗУ. Она представляет собой набор программ проверки и обслуживания аппаратуры компьютера, и выполняет роль посредника между DOS и аппаратурой. BIOS получает управление при включении и сбросе системной платы, тестирует саму плату и основные блоки компьютера - видеоадаптер, клавиатуру, контроллеры дисков и портов ввода/вывода, настраивает чипсет платы и загружает внешнюю операционную систему

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Материал по материнской плате