6. Архитектура современного персонального компьютера

6.1. Структурное построение современного персонального компьютера

6.2. Порядок включения и загрузки ПК

6.3. Базовая система ввода/вывода (BIOS) и программа тестирования ПК при включении (POST)

6.3.1. Сигналы программы POST на этапе загрузки ПК

6.3.2. Расшифровка сигналов AMI BIOS

6.3.3. Расшифровка сигналов Phoenix BIOS

6.3.4. Расшифровка сигналов AWARD BIOS

6.4. Настройка параметров начальной загрузки и общее конфигурирование BIOS

6.5. Оптимизация загрузки

6.1. Структурное построение современного персонального компьютера

Архитектура вычислительной машины, прежде всего, определяет методы взаимодействия между составляющими ее элементами и построена на концепции ядра и расширяющих его возможности модулей.

Ядро – это системные ресурсы, без которых персональный компьютер (ПК) работать не может.

Модули расширения представляют собой законченные подсистемы, взаимодействующие с ядром по заданному протоколу.

Системное ядро ПК включает в себя:

— центральный процессор;

— 2-3-канальных таймера;

— 2 контроллера прерываний с 8 уровнями каждый;

— 2-4-канальных контроллера ПДП;

— порты ввода/вывода;

— CMOS-память;

— часы реального времени;

— контроллер клавиатуры;

— минимум 64 Кб нижней памяти.

К модулям расширения относятся:

— контроллеры накопителей;

— накопители;

— видеоадаптеры;

— сетевые карты.

Структура современного компьютера определяется, как правило, набором микросхем, на базе которых строится основной компонент ПК – материнская плата. Данный набор – chipset, определяет номенклатуру поддерживаемого материнской платой оборудования, совместимость с отдельными компонентами ПК и т.д.

Как правило chipset конструктивно состоит из двух мостов:

— северный – обеспечивает взаимодействие основных компонентов ПК: памяти и процессора. В последнее время ввиду необходимости высокоскоростного обмена видеоданными между видеокартой и памятью, к северному мосту так же подключается и видеокарта (или видеокарты в режимах SLI или CrossFire);

— южный – представляет собой концентратор обеспечивающий функционирование всего комплекса периферийных устройств и контролеров интерфейсов  материнской платы. Южный мост соединяется с северным мостом высокоскоростной шиной, позволяющий периферийным устройствам использовать режим DMA при обращении к памяти ПК.

В ряде случаев северный и южный мосты компонуются на базе единой микросхемы (характерно для некоторых чипсетов Nvidia и SiS). Примеры компоновки северного и южного моста, так же варианты подключения периферийных устройств приведены на рис. 6.1 – 6.2.

Рассмотрим типовую структуру chipset-a на примере чипсета Intel X38 для процессоров Intel Core 2 применительно для материнской платы Gigabyte X38-DQ6 (рис. 6.3).

Рисунок 6.1 ‑ Пример компоновки чипсета компании Intel (i965)

Рисунок 6.2 ‑ Пример компоновки чипсета компании SiS
 для процессоров AMD (SiS 771)

Основным синхронизирующим устройством ПК является тактовый генератор задающий частоты функционирования компонентов ПК. Тактовый генератор выдает следующий набор частот: 400, 333, 266, 200 МГц, из которых в свою очередь умножителями и делителями частоты получаются частоты, на которых функционируют компоненты ПК. Необходимо помнить, что если «разгон» ПК осуществляется изменением частоты тактового генератора, то это может привести к рассинхронизации компонент ПК и выхода их из строя.

Процессор (Central Processor Unit – CPU) соединяется с северным мостом – главной системной шиной (Fast System Bus – FSB), частота которой определяет скорость обмена данными между CPU и остальными компонентами (в первую очередь с памятью).

Частота FSB соответствует внешней частоте CPU. Внутренняя частота CPU определяется произведением внешней частоты на коэффициент умножения процессора (порядка 7х – 20х). На внутренней частоте работает вычислительное ядро процессора. В большинстве современных процессоров коэффициент умножения процессора зафиксирован и не поддается изменению.

Память соединяется с северным мостом отдельным каналом обмена данными. Современные chipset-ы поддерживают память DDR 2 с эффективными частотами 1066/800/667 МГц, что вдвое превышает задающую тактовую частоту. Это достигается за счет передачи данных по восходящему и нисходящему фронту тактового синхроимпульса (533/400/333 МГц). Один канал обмена данными имеет разрядность 32 бита. Для обеспечения максимального быстродействия необходимо обеспечить кратность частоты шины память-чипсет, частоте FSB.

В последнее время в ПК получили распространение двух канальные режимы обмена данными между северным мостом и памятью (Dual Channel). Данный режим, возможно активировать, если установить одинаковые модули на разные каналы. В этом случае северный мост работает с памятью как с единым модулем на двух каналах по 32 бита (с обшей шириной 64 бита), это позволяет вдвое увеличить скорость обмена данными с памятью на той же тактовой частоте.

Рисунок 6.3 – Типовая структура chipset-a на примере чипсета Intel X38

Видеосистема также подключается к северному мосту, что обусловлено высокой интенсивностью обмена данными в цикле: видеосистема-память-CPU, при запуске приложений активно использующих видео ресурсы. Современные видеокарты используют для подключения интерфейс PCI-Express (PCI-E) работающим на частоте 100 МГц. Чтобы обеспечить высокоскоростной обмен между видеосистемой и северным мостом используется 16 каналов PCI-E. При использовании режимов симметричного подключения двух или  более видеокарт (SLI или Cross Fire) данное количество каналов делится между подключенными видеокартами (8+8 PCI‑E).

Интерфейс PCI—Express является основным для подключении периферийных устройств к южному мосту. Контролер PCI-E включается в состав южного моста. Причем данные периферийные устройства могут иметь как внешнее (в этом случае они подключаются через соответствующий разъем на материнской плате), так и внутреннее исполнение (в этом случае они распаиваются в виде отдельных микросхем на материнской плате). Данный интерфейс работает на тактовой частоте 100 МГц.

Интерфейс PCI является в настоящее время устаревшим. Однако в целях совместимости его контролер включается в состав южного моста. Данный интерфейс работает на тактовой частоте 33 МГц.

Интерфейс USB (Universal Serial Bus) в настоящее время является наиболее распространенным для подключения внешних устройств. Современные контролеры USB 2.0 в составе южного моста поддерживают от 8 до 12 точек подключения.

Интерфейсы SATA и IDE предназначены для подключения накопителей на жестких дисках (HDD). IDE – устаревший интерфейс для подключения жестких дисков, на частотах 33/66/100/133 МГц. SATA – современный интерфейс, работающий на частотах 150/300 МГц.

Так же в состав южного моста в современных чипсетах могут включаться: аудио контролеры; контролер IEEE 1394 и др.

BIOS (Basic input/output system) является системой которая хранит в специальной энергозависимой памяти настройки функционирования chipset-a и управляет функционированием его компонентов.

6.2. Порядок включения и загрузки ПК

В соответствии с архитектурой ПК построен и механизм включения. После включения питания выполняются следующие действия:

— самодиагностика, идентификация, проверка процессора и сопроцессора;

— проверка и инициализация системного ядра;

— включение механизма «Plug & Play»;

— проверка и инициализация видеоадаптера (в случае невозможности выдает гудки 1 длинный + 2 или 3 коротких);

— проверка CMOS-памяти и часов реального времени;

— определение объема и проверка оперативной памяти;

— проверка клавиатуры и инициализация портов (LPT, COM);

— инициализация дисковых накопителей;

— проверка модулей расширения BIOS;

— вызов системного загрузчика;

— загрузка ОС.

При включении компьютера, зашитая в ПЗУ программа проверяет конфигурацию технических средств, их готовность и доступность оперативной памяти, после чего предлагает войти в процедуру Setup посредством кнопки “DEL”.

Если предложение войти в Setup пользователем игнорируется, программа ПЗУ определяет, какой дисковод в CMOS указан первоочередным загрузочным и, согласно этому указанию, разыскивает системный загрузчик, обязанный быть на любом отформатированном диске.

При указании жесткого диска первоочередным, она считывает из его первого физического сектора главную загрузочную запись (MBR – Master Boot Record), по которой определяет конфигурацию логических дисков и обращается к первому сектору логического системного диска (Active System Patition), где системный загрузчик обязан находится.

Если системный загрузчик на первоочередном диске не найден, программа ПЗУ не находит и сам диск, и ищет загрузчик на следующих дисках, указанных в CMOS.

Найдя системный загрузчик, программа считывает его в память и, оставляя его там резидентно, передает ему дальнейшее управление процессом загрузки.

Получив управление, системный загрузчик считывает информацию с первого логического сектора, в котором, если это системный (загрузочный диск) должен находится файл загрузчика операционной системы (Io.sys – для MS-DOS и ntldr – для Windows XP), а при отсутствии такового, выводит сообщение:

Non system disk or disk error.

Replase and strike ani key when ready.

Означающее что, этот системный диск неверен и предлагающее его смену.

Если файл найден, управление переходит к нему и на экран выводится сообщение: “Starting Windows” или “Starting MS-DOS” (или вообще никакого сообщения не появляется, а сразу появляется логотип Windows, в случае загрузки Windows с включенной командой вывода логотипа). Затем дается двухсекундная выдержка, в течение которой можно нажать F8 для ручного управления настройки операционной системы Windows через меню загрузки.

Если компьютер не загружается, и на экране не появляется никаких сообщений то возможно произошла какая-либо ошибка на начальном этапе загрузки ПК. При появлении аппаратной ошибки ПК подают на стандартный динамик (PC speaker) сигналы, которые можно расшифровать. Расшифровка данных сигналов приводится в приложении к занятию.

6.3. Базовая система ввода/вывода (BIOS) и программа тестирования ПК при включении (POST)

Действия по загрузке ПК выполняет центральный процессор ПК под управлением BIOS (Basic Input Output System), записанного в микросхемах ПЗУ.

BIOS (Basic Input Output System) представляет собой подпрограммы, предназначенные для изоляции операционной системы и прикладных программ от конкретной аппаратной реализации того или иного узла персонального компьютера. Поэтому все обращения ОС или прикладных программ переадресуются подпрограммам BIOS. Исключения составляют программы, напрямую работающие с аппаратурой.

Встроенное программное обеспечение, кроме BIOS, содержит программы:

— POST (Power On Self Test – тест при включении питания),

— BIOS SETUP (программа установки параметров ПК и взаимодействия с CMOS-памятью, где эти данные хранятся).

На этапе пробуждения ПК основное значение приобретает программа POST, обеспечивающая поиск, инициализацию и проверку компьютера.

Последовательность и содержание подпрограмм POST и BIOS определяются общими принципами функционирования ПК и его компонентов и поэтому во многом схожи, независимо от фирмы-разработчика BIOS, от типа и модели ПК. Для более подробного ознакомления с работой компьютера можно использовать листинг BIOS любой фирмы.

В последнее время BIOS часто хранится во flash-памяти, что позволяет пользователю обновлять (дополнять) версию BIOS без привлечения специальной аппаратуры.

6.3.1. Сигналы программы POST на этапе загрузки ПК

Если компьютер не загружается, и на экране не появляется никаких сообщений то возможно произошла какая-либо ошибка на начальном этапе загрузки ПК.

При появлении аппаратной ошибки ПК подают на стандартный динамик (PC speaker) сигналы, которые можно расшифровать.

Сначала определите, какой у вас BIOS. Это необходимо потому что ПК с разными BIOS имеют различную кодировку сигналов. Как определить какой у вас BIOS? При загрузке компьютера первое, что появляется на экране – название BIOS. Если вы не успеваете посмотреть, зайдите в CMOS SETUP с помощью клавиши DEL. Обычно марка BIOS пишется вверху. Если же ваш монитор отказывается выводить на экран изображение, придется разобрать ПК, и искать микросхему BIOS на материнской плате.

6.3.2. Расшифровка сигналов AMI BIOS

Таблица 6.1 — Расшифровка сигналов AMI BIOS