Конструкция системной платы ЭВМ
Матери́нская пла́та (англ. motherboard, MB, также используется название англ. mainboard — главная плата; сленг. мама, мать, материнка) — это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода). Как правило, материнская плата содержит разъёмы (слоты) для подключения дополнительных контроллеров, для подключения которых обычно используются шины USB, PCI и PCI-Express.
Центральный процессор
Набор системной логики (англ. chipset) — набор микросхем, обеспечивающих подключение ЦПУ к ОЗУ и контроллерам периферийных устройств. Как правило, современные наборы системной логики строятся на базе двух СБИС: «северного» и «южного мостов».
Северный мост (англ. Northbridge), MCH (Memory controller hub), системный контроллер — обеспечивает подключение ЦПУ к узлам, использующим высокопроизводительные шины: ОЗУ, графический контроллер.
Для подключения ЦПУ к системному контроллеру могут использоваться такие FSB-шины, как Hyper-Transport и SCI.
Обычно к системному контроллеру подключается ОЗУ. В таком случае он содержит в себе контроллер памяти. Таким образом, от типа применённого системного контроллера обычно зависит максимальный объём ОЗУ, а также пропускная способность шины памяти персонального компьютера. Но в настоящее время имеется тенденция встраивания контроллера ОЗУ непосредственно в ЦПУ (например, контроллер памяти встроен в процессор в AMD K8 и Intel Core i7), что упрощает функции системного контроллера и снижает тепловыделение.
В качестве шины для подключения графического контроллера на современных материнских платах используется PCI Express. Ранее использовались общие шины (ISA, VLB, PCI) и шина AGP.
Южный мост (англ. Southbridge), ICH (I/O controller hub), периферийный контроллер — содержит контроллеры периферийных устройств (жёсткого диска, Ethernet, аудио), контроллеры шин для подключения периферийных устройств (шины PCI, PCI-Express и USB), а также контроллеры шин, к которым подключаются устройства, не требующие высокой пропускной способности (LPC — используется для подключения загрузочного ПЗУ; также шина LPC используется для подключения мультиконтроллера (англ. Super I/O) — микросхемы, обеспечивающей поддержку «устаревших» низкопроизводительных интерфейсов передачи данных: последовательного и параллельного интерфейсов, контроллера клавиатуры и мыши).
Как правило, северный и южный мосты реализуются в виде отдельных СБИС, однако существуют и одночиповые решения. Именно набор системной логики определяет все ключевые особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.
Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) — в информатике — память, часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию (jump, move и т. п.). Предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через кеш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.
ОЗУ может изготавливаться как отдельный блок или входить в конструкцию однокристальной ЭВМ или микроконтроллера.
Загрузочное ПЗУ — хранит ПО, которое исполняется сразу после включения питания. Как правило, загрузочное ПЗУ содержит BIOS, однако может содержать и ПО, работающие в рамках EFI.
Классификация материнских плат по форм-фактору
Форм-фактор материнской платы — стандарт, определяющий размеры материнской платы для персонального компьютера, места ее крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода/вывода, сокета центрального процессора (если он есть) и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания.
Форм-фактор (как и любые другие стандарты) носит рекомендательный характер. Спецификация форм-фактора определяет обязательные и опциональные компоненты. Однако подавляющее большинство производителей предпочитают соблюдать спецификацию, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость материнской платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт расширения) других производителей.
Устаревшие: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата AT; LPX.
Современные: АТХ; microATX; Flex-АТХ; NLX; WTX, CEB.
Внедряемые: Mini-ITX и Nano-ITX; Pico-ITX; BTX, MicroBTX и PicoBTX
Существуют материнские платы, не соответствующие никаким из существующих форм-факторов (см. таблицу). Обычно это обусловлено либо тем, что производимый компьютер узкоспециализирован, либо желанием производителя материнской платы самостоятельно производить и периферийные устройства к ней, либо невозможностью использования стандартных компонентов (так называемый «бренд», например Apple Computer, Commodore, Silicon Graphics, Hewlett Packard, Compaq чаще других игнорировали стандарты; кроме того в нынешнем виде распределённый рынок производства сформировался только к 1987 году, когда многие производители уже создали собственные платформы).
Конструкция и устройства ЭВМ
ПК-это настольная или переносная машина, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности.
Конструктивно каждая модель ПК имеет так называемый "базовый набор" внешних устройств, т.е. такой набор компонентов, дальнейшие уменьшение которого приведет к нецелесообразности использования компьютера для конкретной работы или даже полной бессмысленности работы с ним. Этот набор можно увидеть практически везде, где используют компьютер, в него входят:
- системный блок (плюс дисковод или винчестер, вмонтированный в корпус);
- монитор;
- клавиатура.
Все вышеперечисленное составляет "базовую конфигурацию" данной модели. Различают также понятие "обязательной конфигурации" ПК, которая означает необходимый набор компонентов для работы с конкретным программным продуктом.
Систематизация в период стремительного развития техники очень усложнена, постоянно появляются новые устройства, изменяется технология их изготовления и применения, развивается полифукциональность и др.
В данной работе будет дана систематизация с точки зрения функционального назначения.
В первую большую группу объединяются устройства ввода информации в компьютер
Клавиатура
Сейчас основным широко распространенным устройством ввода информации в компьютер является клавиатура (клавишное устройство). Она реализует диалоговое общение пользователя с ПК:
- ввод команд пользователя, обеспечивающий доступ к ресурсам ПК;
- запись, корректировку и отладку программ;
- ввод данных и команд в процесс решения задачи.
В настоящее время принят стандарт клавиатуры MFII. Условно мы можем выделить пять групп клавиш, несущих свою функциональную отгрузку.
Алфавитно-цифровая область - самая большая.
Включает: пробел, цифры 0-9, латинские буквы A-Z, символы кириллицы А-Я, знаки пунктуации, служебные символы "+", "-", "/" и т.д.
Эта область похожа на клавиатуру пишущей машинки и имеет аналогичное назначение.
Область функциональных клавиш.
Включает: F1-F12, Print Screen, Scroll Lock, Pause
Данная область располагается в верхнем ряду клавиатуры. Для разных программных продуктов одни и те же клавиши области могут выполнять неодинаковые функции.
Специальные клавиши:
Включает: Enter, Tab, Caps Lock, Shift, Ctrl, Alt, Esc, Back space, Delete, Insert.
Служат для переключения назначения алфавитно-цифровых клавиш, стирания символов, подтверждения ввода информации.
Блок управления курсором.
Включает: Home, End, Page Up, Page Down, стрелки управления курсором.
Эти клавиша необходимы для перемещения курсора на экране дисплея.
Цифровой блок.
Включает: Num Lock, "/", "*", "-", "+", Enter, цифры 0-9.
Располагается справа. Создан для облегчения ввода большого количества цифр.
Данная классификация строго условна, так как в действительности, в зависимости от выполняемой программы, почти любая клавиша может исполнять и функциональные, и служебные обязанности, а также может блокироваться программой. Поэтому в описании каждого программного продукта обязательно имеется раздел с изложением функций клавиатуры.
Из других видов клавиатур можно упомянуть специальные клавиши для слепых с осязаемыми точками на клавишах; клавиатуры для магазинов и складов, снабженные устройствами для считывания штрихового кода или для считывания магнитных карт; промышленные клавиатуры- сенсорные, имеющие в качестве защиты от вредных воздействий (стружек, пепла и т.д.) дополнительное покрытие клавиш специальной сенсорной фольгой; клавиатура для медицинских учреждений с устройствами для считывания информации со страховых карт. В настоящее время появились клавиатуры с дополнительными клавишами для удобства работы с той или иной операционной системой (ОС), например, клавиатура для Windows 95.
Таким образом, выбор клавиатуры зависит от ОС, с которой предполагается работать.
Манипуляторы
Они облегчают общение пользователя с ПК. Наиболее распространенным из них является так называемая
Мышь
Она служит для ввода данных или одиночных команд, выбираемых из меню или текстограмм графических оболочек, выведенных на экран монитора.
Мышь представляет собой небольшую коробочку с двумя или тремя клавишами и утопленным, свободно вращающимся в любом направлении шариком на нижней поверхности. Она подключается к компьютеру при помощи специального шнура и требует специальной программной поддержки.
Для работы с мышью необходима плоская поверхность, с этой целью используют резиновые коврики (Mouse Pad).
Так как с помощью мыши нельзя вводить в компьютер серии команд, поэтому мышь и клавиатура - не взаимозаменяемые устройства. Назначение графических оболочек - в обеспечении инициализации множества команд без длительного набора их с клавиатуры. Это снижает вероятность опечаток и экономит время. На объекте в виде текторграммы выбирается пункт меню или символ и щелчком кнопки мыши инициализируется. Конечно, при наборе или осуществлении некоторых функций применение мыши может быть нерациональным, если, например, эти функции выполняются нажатием функциональных клавиш.
В настоящее время также существует оптическая мышь, где сигнал передается с помощью луча мыши на специальный коврик и анализируется электроникой. Пока менее распространена бесхвостая (безкабельная) инфракрасная мышь (принцип ее действия похож на действие пультов дистанционного управления) и радиомышь.
В портативных ПК (Lapton, Notebook) мышь обычно заменяют особым встроенным в клавиатуру шариком на подставке с двумя клавишами по бокам, называемым трекбол.
Принцип его работы такой же, как принцип работы мыши. Несмотря на наличие трекбола, пользователь портативной ПК может использовать и обычную мышь.
К ручным манипуляторам относится и джойстик, представляющий собой подвижную рукоять с одной или двумя кнопками, имеющими то же назначение, что и клавиши мыши.
Это устройство ввода наиболее распространено в области компьютерных игр. В игровых приставках используются цифровые джойстики, а в компьютерах - аналоговые. Аналоговый джойстик имеет период цифровым множество преимуществ, самыми главными являются более широкая точность управления и отсутствие необходимости в применении специальной карты и переходника для подключения к компьютеру.
Для ввода рисунков в ПК может использоваться, так называемое, световое перо. Оно применяется сравнительно редко, так как пригодно для работы с крупными объектами, но очень ненадежно при выборе малых объектов.
Световое перо получило дальнейшее развитие при его совместном использовании с дигитайзером (диджитайзером), где пером просто пишут, затем специальные программы переводят рукописный текст или рисунок в цифровой код. Профессиональные световые перья могут определить толщину линий, силу нажатия на перо и другие параметры.
Дигитайзер. Является стандартным устройством ввода для профессиональных графических работ. С помощью программного обеспечения движение руки преобразовывается в формат векторной графики. Дигитайзер способен определять и обрабатывать абсолютно точные координаты, что недоступно другим устройством ввода.
Для непосредственного считывания графической информации с бумажного или иного носителя в ПК применяется оптические сканеры.
Сканируемое изображение считывается и преобразуется в цифровую форму элементами специального устройства: CCD - чипами.
Существует множество видов и моделей сканеров. Какой из них выбрать, зависит от задач, для которых сканер предназначается.
Самые простое сканеры распознают только два цвета: черный и белый.
Такие сканеры используют для чтения штрихового кода.
Ручные сканеры - самые простые и дешевые. Основной недостаток в том, что человек сам перемещает сканер по объекту, и качество полученного изображения зависит от умения и твердости руки. Другой важный недостаток -небольшая ширина полоса сканирования, что затрудняет чтение широких оригиналов.
Барабанные сканеры применяются в профессиональной типографической деятельности. Принцип заключается в том, что оригинал на барабане освещается источником света, а фотосенсоры переводят отраженное излучение в цифровое значение.
Листовые сканеры. Их основное отличие от двух предыдущих в том, что при сканировании неподвижно закреплена линейка с CCD - элементами, а лист со сканируемым изображением движется относительно нее с помощью специальных валиков.
Планшетные сканеры. Это самый распространенный сейчас вид для профессиональных работ. Сканируемый объект помещается на стеклянный лист, изображение построчно с равномерной скоростью считывается головкой чтения с CCD - сенсорами, расположенной снизу. Планшетный сканер может быть оборудован специальным устройством слайд-приставкой для сканирования диапозитивов и негативов.
Слайд-сканеры используются для сканирования микроизображений.
Проекционные сканеры. Относительно новое направление. Цветной проекционный сканер является мощным многофункциональным средством для ввода в компьютер любых цветных изображений, включая трехмерные. Он вполне может заменить фотоаппарат.
В наше время у сканеров появилось еще одно применение – считывание рукописных текстов, которые затем специальными программами распознавания символов преобразуются в коды ASC II и в дальнейшем могут обрабатываться текстовыми редакторами.
Цифровая камера служит для видеоввода изображений в компьютер.
Принцип действия аналогичен описанному для сканеров. Хотя камера имеет фотооптику подобную оптике фотоаппарата, но нет необходимости в фотопленке, как и для проекционного сканера. Сканируемое камерой изображение сразу принимается и преобразовывается в цифровую форму. В данный области ожидается быстрый процесс и снижение цен на соответствующее оборудование.
Также к данной группе можно отнести устройства ввода звука, в том числе и речи.
Вторую большую группу составляют разнообразные устройства вывода информации.
Дисплей (монитор).
Позволяет вывести на экран алфавитно-цифровую или графическую информацию в удобном для чтения и контроля пользователем виде. В соответствии с этим, существует два режима работы: текстовой и графический.
В текстовом режиме экран представлен в виде строк и столбцов. В графическом формате параметры экрана задаются числом точек по горизонтали и числом точечных строк по вертикали. Количество горизонтальных и вертикальных линий экрана называется разрешением. Чем оно выше, тем больше информации можно отобразить на единице площади экрана.
Цифровые мониторы. Самый простой - монохромный монитор позволяет отображать только черно-белое изображение.
Цифровые RGB - мониторы (Red-Green-Blue) поддерживают и монохромной режим, и цветной (с 16 оттенками цвета).
Аналоговые мониторы. Аналоговая передача сигналов производится в виде различных уровней напряжения. Это позволяет формировать палитру с оттенками разной степени глубины.
Мультичастотные мониторы. Видеокарта формируем сигналы синхронизации, которые относятся к горизонтальной частоте строк и вертикальной частоте повторения кадров. Эти значения монитор должен распознавать и переходить в соответствующий режим.
По возможности настройки можно выделить:
одночастотные мониторы, которые воспринимают сигналы только одной фиксированной частоты;
многочастотные, которые воспринимают несколько фиксированных частот;
мультичастотные, настраивающиеся на произвольные значения частот синхроносигналов в некотором диапазоне.
Жидкокристаллические дисплеи (LCD). Их появление связано с борьбой за снижение габаритов и веса переносных компьютеров.
Основной из недостаток - невозможность быстрого изменения картинок или быстрого движения курсора мыши и т.п. Такие экраны нуждаются в дополнительной подсветке или во внешнем освещении.
Преимущества данных экранов - в значительном сокращении спектра вредных воздействий.
Газоплазменные мониторы. Не имеют ограничений LCD -экранов. Их недостаток - большое потребление электроэнергии.
Особо надо выделить группу сенсорных экранов, так как они позволяют не только выводить на экран данные, но и вводить их, то есть попадают в класс устройств ввода/вывода. Эта относительно новая технология не получила еще широкого распространения. Такие экраны обеспечивают самый простой и короткий путь общения с компьютером: достаточно просто указать на то, что вас интересует. Устройство ввода полностью интегрировано в монитор.
Используются в информационно справочных системах.
Видеосистема ЭВМ
Видеосистемы предназначены для оперативного отображения информации, доведения ее до сведения оператора ЭВМ. Обычно они состоят из двух частей: монитора и адаптера. Монитор служит для визуализации изображения, адаптер — для связи монитора с микропроцессорным комплектом. Классификацию мониторов можно провести по следующим признакам:
по используемым физическим эффектам, по принципу формирования изображения на экране, по способу управления, по длительности хранения информации на экране, по цветности изображения и по его эргономическим характеристикам.
По принципу формирования изображения мониторы делятся на плазменные, электролюминесцентные, жидкокристаллические и электронно-лучевые.
Плазменные, электролюминесцентные и жидкокристаллические мониторы относятся к дисплеям с плоским экраном. Для них характерно: экран имеет малые физические размеры, не мерцает, полностью отсутствует рентгеновское излучение. Мониторы этого вида допускают локальное стирание и замену информации, имеют малый вес и незначительное потребление энергии, большую механическую прочность и длительный срок службы. Плоские экраны уступают мониторам на электронно-лучевых трубках в скорости обновления информации на экране (они медленнодействующие, не приспособлены для демонстрации динамично меняющихся изображений) и в количестве отображаемых цветовых оттенков.
Плазменные и электролюминесцентные мониторы являются активными, излучающими свет. Для работы с ними не нужен посторонний источник света.
Жидкокристаллические - пассивные мониторы. Они работают только при наличии постороннего источника света и способны работать либо в отраженном, либо в проходящем свете. Жидкокристаллические мониторы используют способность жидких кристаллов изменять свою оптическую плотность или отражающую способность под воздействием электрических сигналов.
В плазменной панели элемент изображения образуется в результате газового разряда, который сопровождается излучением света. Конструктивно панель состоит из трех стеклянных пластин, на две из которых нанесены тонкие прозрачные проводники (до 2-4 проводников на 1 мм). На одной пластине проводники расположены горизонтально, на другой - вертикально. Между ними находится третья стеклянная пластина, в которой в местах пересечения проводников имеются сквозные отверстия. Эти отверстия при сборке панели заполняются инертным газом. Вертикально и горизонтально расположенные Проводники образуют координатную сетку; на пересечении проводников находятся элементы изображения - пикселы (от “picture element”). При разрешающей способности 512х512 пиксел такая панель имеет размеры не более 200х200мм и толщину 6-8 мм. В настоящее время созданы цветные плазменные панели с разрешающей способностью экрана 1024х1024 пиксел.
Электролюминесцентные мониторы работают на принципе люминесценции вещества при воздействии на него электрического поля. Люминесцентное вещество распыляется на внутренней поверхности одной из пластин с координатной сеткой. Напряжение на координатные шины подается такое, чтобы на пересечении координатных шин создавалось электрическое поле, достаточное для возбуждения люминофора.
Наибольшее распространение получили мониторы на электронно-лучевых трубках. Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) представляет собой электровакуумный прибор в виде стеклянной колбы, дно которой является экраном. В колбе, из которой удален воздух, расположены электроды: электронная пушка (катод с электронагревательным элементом), анод, вертикально и горизонтально отклоняющие пластины и сетка. Снаружи на ЭЛТ установлена фокусирующая система. Внутренняя поверхность экрана покрыта люминофором, который светится при попадании на него потока электронов. Катод, поверхность которого покрыта веществом, легко отдающим электроны при нагревании, является источником электронов. Возле него образуется “электронное облако”, которое под действием электрического поля анода движется в сторону экрана. По мере приближения к аноду электронный поток увеличивает скорость. Фокусирующая система сжимает поток электронов в тонкий пучок, который с помощью отклоняющих пластин направляется в нужную точку экрана. Сетка служит для регулирования плотности электронного потока. Она расположена гораздо ближе к катоду, чем анод. В зоне ее действия поток электронов имеет небольшую скорость, поэтому она оказывает на поток электронов влияние, сопоставимое с влиянием анода. Сетка может создать электрическое поле, которое тормозит электроны, уменьшает их скорость и плотность потока, движущегося в сторону экрана, и даже может полностью “запереть” трубку, не пропустить поток электронов в сторону экрана.
На отклоняющие пластины ЭЛТ подается пилообразное напряжение, которое отклоняет электронный луч и заставляет его пробегать по всей поверхности экрана, строка за строкой. На поверхности экрана появляется развертка, с помощью которой выводится требуемое изображение - в местах экрана, которые должны оставаться темными, трубка запирается и электронный луч не доходит до поверхности экрана.
В зависимости от формы напряжения, подаваемого на отклоняющие пластины, и способа его получения различаются растровая, матричная и векторная развертки.
Растровая развертка представляет собой набор сплошных горизонтальных линий, заполняющих весь экран. Она формируется с помощью аналоговых приборов - генераторов пилообразного напряжения, отдельно - для строк и отдельно для кадров. Этот вид развертки применяется в телевидении.
Матричная развертка по внешнему виду похожа на растровую. Но формируется она с помощью цифровых схем (счетчиков), связанных с отклоняющей системой через цифро-аналоговые преобразователи. В этом случае электронный луч на экране перемещается не непрерывно, а скачками - от одного пиксела к другому. Поэтому он не рисует линию, а высвечивает матрицу точек - пиксел. При такой развертке легко перевести луч в любую заданную точку экрана - надо только в счетчики строк и кадров поместить координаты этой точки.
Векторная развертка используется для рисования сложных фигур с помощью сплошных линий разной формы. Управление вертикальным и горизонтальным отклонением луча в этом случае осуществляется с помощью функциональных генераторов, каждый из которых настроен на прорисовку определенного графического примитива. Состав графических примитивов, из которых строится изображение, определяется наличием функциональных генераторов.
Максимальное количество строк на экране и количество точек в строке образуют разрешающую способность монитора:
· низкую: 320 х 200 (320 пиксел в строке, 200 строк на экране);
· стандартную: 640 х 200,640х350 или 640 х 480;
· высокую: 750 х 348 или 800 х 600;
· особо четкую: 1024 х 768 или 1024 х 1024 и выше.
Разрешающая способность оказывает значительное влияние на качество изображения на экране, но качество изображения зависит и от других характеристик: физических размеров элементов изображения (пиксел, или точек), размеров экрана, частоты развертки, цветовых характеристик и др.
Размер элементов изображения зависит от величины зерен люминофора, напыляемого на экран, которая измеряется в миллиметрах и образует ряд:
0.42; 0.39; 0.31; 0.28; 0.26;... Фактически приведенные цифры характеризуют не диаметр точек люминофора, а расстояние между центрами этих точек.
Размер экрана, имеющего прямоугольную форму, обычно измеряется по диагонали в дюймах (12, 14, 15, 17, 21,...). Для экрана с диагональю 14" длина горизонтальной части экрана составляет около 10", а вертикальной -около 9". При длине строки 10" (т.е. 257.5 мм) и размере зерна 0.42 мм, в строке может разместиться 613 пиксел. Поэтому на мониторе с размером экрана 14" и размером зерна 0.42 мм невозможно получить разрешающую способность более 613 пиксел в строке при 535 пикселных строках на экране;
монитор может обеспечить лишь стандартную разрешающую способность (не более 640 х 480). При размере зерна 0.28мм на 14" мониторе максимально можно получить разрешающую способность 800 х 600 (зато на 15" мониторе размер зерна 0.28 позволяет обеспечить разрешающую способность 1024 х 768).
Необходимо отметить, что большее по размерам зерно имеет большую инерционность - электронный луч дольше “разжигает” такое зерно, но оно и светится дольше. Поэтому в мониторах с большим размером зерна частота регенерации не должна быть высокой (25-30 кадров в секунду достаточно, чтобы изображение “не мерцало” из-за угасания зерен люминофора). При уменьшении размеров зерна уменьшается и его инерционность. Поэтому регенерацию экрана в мониторах с зерном 0.26 и меньше приходится проводить чаще (75-100 раз в секунду). Для того чтобы вывести 100 раз в секунду кадр, содержащий 1000 пиксел в строке и 1000 строк, необходимо обеспечить частоту строчной развертки 100 х 1000 х 1000 = 10* Гц = 100 Мгц; частота кадровой развертки при этом составит 100 х 1000 = 105 Гц = 0.1 Мгц.
Системная организация ЭВМ
В самом общем виде структура ПЭВМ может быть представлена так, как показано на рис. 7, где ОЗУ − оперативная память, а сокращения MCH и ICH у контроллеров памяти и ввода-вывода означают Memory Control Hub и Input-OutputControlHubсоответственно.
Такое представление, конечно, скрывает особенности организации системной шины и способов подключения основных устройств. Данные способы связаны с организацией системной шины и дополнительных интерфейсов и могут различаться в зависимости от поколения ПЭВМ, типа процессора и комплекта микросхем (т.н. чипсета) материнской платы.
Эти различия, главным образом, связаны с теми системными интерфейсами, которые поддерживает материнская плата. Известны следующие виды локальных шин ЭВМ, использующихся для подключения внешних устройств ПЭВМ:
Шина ISA (IndustryStandardArchitecture) использовалась в ПЭВМ, начиная с моделей с процессором 8086 и до Pentium II, в последующих моделях она уже исключена. Шина EISA представляет расширенную модификацию ISA. Шина VLB (VESA Local Bus) использовалась только в процессорах 486. Шина PCI (PeripheralComponentInterconnect) является наиболее распространенным вариантом, иногда сочетаемым с шиной ISA для аппаратной совместимости с более ранними устройствами. Для подключения видеоадаптера используют и более быстрый вариант − AGP (Advanced Graphical Port), а в более новых ПЭВМ − и шину PCI-Express.
Наличие этих шин и интерфейсов в ПЭВМ обеспечивают контроллеры, называемые также мостами или хабами (hub), связывающие системную шину с соответствующей локальной шиной (например, системная шина – шина PCI), или различные интерфейсы (например, шина PCI − шина ISA).
Эти контроллеры могут интегрировать в себе узлы, которые обеспечивают и подключение жестких дисков. Двумя наиболее распространенными вариантами управления жестким диском являются интерфейсы ATA (AT Attachment for Disk Drives − подключение дисководов к PC AT), точнее, его модификации ATAPI (ATA Package Interface) и Serial ATA, а также SCSI (SmallComputerSystemInterface).
С интерфейсом ATA связаны еще два названия: IDE (Integrated Device Electronics), указывающее на особенности организации контроллера жесткого диска, и DMA (Direct Memory Access) или его более новая модификация Ultra DMA, определяющие режим обмена данными с оперативной памятью. (Другим режимом обмена, используемым в этом интерфейсе, является программный ввод-вывод − PIO, чаще использовавшийся для подключения CD ROM.) Интерфейс ATA первоначально предназначался для подключения жестких дисков к шине ISA.
Однако, при наличии шины PCI организуется связь IDE диска с данной шиной. Интерфейс ATA обеспечивает передачу данных со скоростью до 133 Мбайт/с, а его последовательный вариант – до 150 Мбайт/с Интерфейс SCSI обеспечивает скорости передачи данных до 160 Мбайт/с и также может использоваться не только для подключения жестких дисков, но и других устройств. Однако он требует дополнительных контроллеров и является более дорогим вариантом.
Внешние устройства типа клавиатуры, принтера, гибкого диска, мышки также требуют контроллеров для своего подключения. Обычно эти контроллеры интегрированы в единый узел, который и обеспечивает их связь с системной шиной.
Собственно системный контроллер организует связь процессора с оперативной памятью, внешним кэшем (если таковой имеется), шиной PCI, выполняет функции контроллера оперативной памяти, контроллера кэша и контроллера прерываний.
Определить конфигурацию ПЭВМ в общем виде можно в момент загрузки после включения или при перезагрузке по данным, высвечиваемым на экране в процессе тестирования машины базовой системой ввода-вывода BIOS. BIOS начинает исполняться при включении или перезагрузке ПЭВМ и после вывода своего типа и версии, а также типа материнской платы обычно высвечивает следующую информацию:
тип процессора (CPU Type),
наличие сопроцессора (Co-Processor),
частоту (ядра) процессора (CPU Clock),
объем основной части оперативной памяти (Base Memory) − во всех
ПЭВМ сейчас это 640 Кбайт,
объем расширенной оперативной памяти (Extended Memory),
объемкэш-памяти (Cache Memory),
параметры гибкого дисковода A (Diskette Drive),
параметры гибкого дисковода B (Diskette Drive),
параметры основного диска 1-го канала IDE (Primary Master),
параметры вспомогательного диска 1-го канала IDE (Primary Slave),
параметры основного диска 2-го канала IDE (Secondary Master),
параметры вспомогательного диска 2-го канала IDE (Secondary Slave), а также вид дисплея, установки портов ввода-вывода, тип оперативной памяти и кэш-памяти.
Методы оценки производительности ЭВМ подразделяются в зависимости от ряда факторов (задач и целей оценки, готовности оцениваемой ЭВМ и пр.) на экспериментальные и теоретические.
Первая группа предполагает непосредственное измерение времени выполнения на ЭВМ каких-либо вычислений. Результаты этих измерений представляются, как правило, каким-либо индексом, соотносящим производительность оцениваемой системы с производительностью некоторой базовой модели. Такие индексы обычно используются для оценки систем с близкой или однотипной архитектурой (например, 32-разрядной архитектурой процессоров Intel) и достаточно часто меняются в связи с быстрыми изменениями технологии и ростом производительности новых процессоров. Например, известная программа CheckIt измеряет производительность относительно базовой модели ПЭВМ PC XT на процессоре Intel 8086, давно вышедшей из употребления.
Теоретические методы предполагают применение той или иной математической модели ЭВМ.
Аппаратная и профессиональная организация программируемых контроллеров
Контроллер это мозг любой автоматической машины, обеспечивающий ее логику работы. Например - контроллер системы впрыска топлива автомобилей, контроллер управления лифтом, автоматом сборки часов, стиральной машиной и т.д. Естественно чем сложнее логика работы машины, тем «умнее» должен быть контроллер. Технически контроллеры реализуются по-разному. Это может быть механическое устройство, пневматический или гидравлический автомат, релейная или электронная схема, или даже компьютерная программа.
Часто, контроллер встроен в конкретную машину и обладает жесткой логикой работы, заложенной при изготовлении. Проектирование таких контроллеров окупается только для изделий выпускаемых значительным тиражом. При создании машин занятых в сфере промышленного производства, как правило, приходится иметь дело не более чем с единицами однотипных устройств. Кроме того, очень существенной здесь является возможность быстрой перенастройки оборудования, на выпуск другой продукции. Для уникальных проектов, мелкосерийных изделий и опытных образцов также желательно иметь универсальный свободно программируемый контроллер.
Идея создания программируемых логических контроллеров (ПЛК) родилась практически сразу с появлением микропроцессора. ПЛК представляет собой вычислительную машину, имеющую некоторое множество выходов и множество выходов. Контроллер отслеживает изменение входов и вырабатывает программно определенное воздействие на выходах. Обладая памятью, ПЛК способен реагировать по-разному, в зависимости от предыстории. Такая модель соответствует широко известным конечным автоматам. Однако возможности управления по времени, развитые вычислительные способности, включая цифровую обработку сигналов, поднимают ПЛК на более высокий уровень.
ПЛК ориентированы на длительную работу в условиях промышленной среды. Это обуславливает определенную специфику схемотехнических решений и конструктивного исполнения.
Хороший ПЛК обладает мощной, совместимой и интуитивно понятной системой программирования, удобен в монтаже и обслуживании, обладает высокой ремонтопригодностью, имеет развитые средства самодиагностики и контроля правильности выполнения прикладных задач, средства интеграции в единую систему, надежен и неприхотлив. Как и для любой ответственной техники, важна организация службы сервиса изготовителя. Необходимо иметь реальную возможность получения бесплатных консультаций и оперативной помощи непосредственно разработчиков ПЛК а не «авторизованных» «специалистов».
Что такое дискретные входы?
Один дискретный вход ПЛК способен принимать один бинарный электрический сигнал, описываемый двумя состояниями – включен или выключен. На уровне программы это один бит информации - ИСТИНА или ЛОЖЬ. Кнопки, выключатели, контакты реле, датчики обнаружения предметов и множество приборов с выходом типа «сухой контакт» или «открытый коллектор» непосредственно могут быть подключены к дискретным входам ПЛК.
Некоторые первичные приборы систем промышленной автоматики имеют более 2х состояний. Для их подключения используют несколько дискретных входов. Например, автоматические электронные весы способны контролировать пороги допуска. Они имеют 2 выхода – меньше нормы и больше нормы. Вес объекта определяется двумя битами информации: 01 - меньше, 00 – норма, 01 – больше, 11 – неисправность прибора. Используя n отдельных входов можно закодировать 2^n состояний. Как правило, в прикладной программе ПЛК соответствующие биты объединяют в отдельную «дискретную» переменную.
Дискретные входы применимы, если можно выделить несколько определяющих значений непрерывной физической величины или хода процесса.
В качестве еще одного примера можно рассмотреть лифт. Для управления движением кабины лифта нет необходимости точно измерять ее положение в произвольный момент времени. Достаточно иметь контактные датчики, фиксирующие положение на каждом этаже. Так для 12 этажного дома необходимо иметь 12 датчиков, подключенных к 12 дискретным входам ПЛК. Причем, в данном случае датчики не могут включаться одновременно. Поэтому достаточно просто можно электрически объединить их на 4х проводную линию, сформировав двоичный код 8-4-2-1. Состояние 0000 будет соответствовать положению кабины между этажами.
Системное программное обеспечение ПЛК включает драйвер, автоматически считывающий физические значения входов в оперативную память. Благодаря этому, прикладному программисту нет необходимости разбираться с внутренним устройством контроллера. С точки зрения прикладного программиста дискретные входы это наборы бит, доступные для чтения.
Все дискретные входы (общего исполнения) наших контроллеров рассчитаны на прием стандартных сигналов с уровнем 24В постоянного тока. Устройство входа включает индивидуальный светодиодный индикатор, гальваническую развязку и защиту от ошибочного подключения. Так, для модуля МСТС Ввод Д уровень входного сигнала более 10,8 В считается логической единицей. Светодиодные индикаторы включены до гальванической развязки. Это позволяет проводить диагностику работы ваших внешних цепей, даже не включая контроллер. Типовое значение тока одного дискретного входа (при входном напряжении 24В) составляет около 10мА.
Каждый дискретный вход имеет аналоговый фильтр «срезающий» высокочастотные помехи и верхние гармоники спектра входного сигнала. Частота среза фильтра согласована с программным быстродействием, определяющимся типовым временем рабочего цикла ПЛК. Длительность импульса, который можно надежно зафиксировать дискретным входом общего назначения, составляет 2-3мс.Для питания внешних датчиков нужен отдельный источник питания. В состав ПЛК источник питания внешнего оборудования не входит. В простейшем случае, для подключения нормально разомкнутого контакта, дискретный вход и сам контакт необходимо подключить последовательно к источнику питания 24В.
Все современные датчики, базирующиеся на разнообразных физических явлениях (емкостные, индуктивные, ультразвуковые, оптические и т.д.), как правило, поставляются со встроенными первичными преобразователями и не требуют дополнительного согласования при подключении к дискретным входам ПЛК.
Не смотря на внешнюю простоту дискретного входа, его схемотехническое решение и элементная база постоянно совершенствуются.
Как ПЛК работает с аналоговыми сигналами?
Аналоговый электрический сигнал отражает уровень напряжения или тока аналогичный некоторой физической величине в каждый момент времени. Это может быть температура, давление, вес, положение, скорость, частота и т.д.
Поскольку ПЛК является цифровой вычислительной машиной, аналоговые входные сигналы обязательно подвергаются аналого-цифровому преобразованию (АЦП). В результате, образуется дискретная переменная определенной разрядности. Как правило, в ПЛК применяются 8-12 разрядные преобразователи. АЦП более высокой разрядности не оправдывают себя, в первую очередь из-за высокого уровня индустриальных помех, характерных для условий работы контроллеров.
Для аналоговых входов наиболее распространены стандартные диапазоны постоянного напряжения -10..+10В и 0..+10В. Для токовых входов это 0..20мА и 4..20мА. Для достижения хороших результатов измерений решающую роль играет качество выполнения монтажа внешних аналоговых цепей.
Особые классы аналоговых входов представляют входы, предназначенные для подключения термометров сопротивления и термопар. Здесь требуется применение специальных технических решений (трех-точечное включение, источники образцового тока, схемы компенсации холодного спая, схемы линеаризации и т.д.).
Практически все модули аналогового ввода являются многоканальными. Входной коммутатор подключает вход АЦП к необходимому входу модуля. Управление коммутатором и АЦП выполняет драйвер системного программного обеспечения ПЛК. Прикладной программист работает с готовыми значениями аналоговых величин в ОЗУ аналогично дискретным входам.
Для чего нужны специальные входы?
Стандартные дискретные входы ПЛК способны удовлетворить абсолютное большинство потребностей систем промышленной автоматики. Несоответствие физических значений напряжений и токов датчиков решается применением нормирующих преобразователей или заменой нестандартных датчиков. Здесь изготовление специализированных входов не оправдано. Необходимость применения специализированных входов возникает в случаях, когда непосредственная обработка некоторого сигнала программно затруднена. Достаточно часто первичный сигнал содержит избыточную информацию, а программная фильтрация сложна или требует много времени.
Наиболее часто ПЛК оснащаются специализированными счетными входами для измерения длительности, фиксации фронтов и подсчета импульсов.
Например, при измерении положения и скорости вращения вала очень распространены устройства, формирующие определенное количество импульсов за один оборот - квадратурные шифраторы. Частота следования импульсов может достигать нескольких мегагерц. Даже если процессор ПЛК обладает достаточным быстродействием, непосредственный подсчет импульсов в пользовательской программе будет весьма расточительным по времени. Здесь желательно иметь специализированный аппаратный входной блок, способный провести первичную обработку и сформировать, необходимые для прикладной задачи, величины.
Вторым распространенным специализированным типом входов являются входы способные очень быстро запускать заданные пользовательские задачи с прерыванием выполнения основной программы.
Что может дискретный выход и как подключать мощную нагрузку?
Один дискретный выход ПЛК способен коммутировать один электрический сигнал. Также как и дискретный вход, с точки зрения программы это один бит информации, принимающий состояния ИСТИНА или ЛОЖЬ.
Нагрузкой дискретных входов могут быть лампы, реле, соленоиды, силовые пускатели, пневматические клапаны, индикаторы и т.д. Многие сложные приборы коммутации и регулирования оснащаются управляющими дискретными входами, например блоки плавного пуска и управления электроприводами.
Простейший дискретный выход ПЛК выполняется в виде контактов реле. Такой выход достаточно удобен в применении и прост. Однако он обладает характерными недостатками реле – ограниченный ресурс, низкое быстродействие, разрушение контактов при работе на индуктивную нагрузку. Альтернативным решением дискретного выхода является электронный силовой элемент. Все дискретные выходы наших контроллеров выполняются сегодня по бесконтактной схеме. Схема ключа обязательно содержит индивидуальную светодиодную индикацию, гальваническую развязку и элементы защиты от ошибочного включения и короткого замыкания нагрузки.
Практика эксплуатации доказала нецелесообразность сосредоточения в корпусе ПЛК большого числа силовых коммутирующих элементов. Оптимальным решением является установка силовых коммутирующих приборов максимально близко к нагрузке. В результате, сокращается длина силовых монтажных соединений, снижается стоимость монтажа, упрощается обслуживание, уменьшается уровень электромагнитных помех. Поэтому наиболее широким спросом пользуются дискретные выходы средней мощности (до 1А, 24В).При необходимости управления сильноточными нагрузками применяются выносные устройства коммутации. В качестве таких элементов удобно использовать малогабаритные приборы УКС ПСТ (5А, 30В) на постоянном токе. Электронный переключатель УКС ПРТ обеспечивает безударное (при переходе фазы через ноль) включение нагрузки 220В 5А. Оба прибора допускают коммутацию индуктивных нагрузок.
В составе наших модулей МСТС наиболее массовыми являются модули Вывод 24 и Вывод 24/1. Оба оснащены электронными выходными ключами вытекающего тока. Модуль «Вывод 24/1» имеет 16 выходных ключей 24В 0.5А. Светодиодные индикаторы включения выходов питаются от ПЛК. Это упрощает отладку программы управления без подключения оборудования. Модуль «Вывод 24» имеет 8 выходных ключей 24В 1.5А.. Светодиодные индикаторы включены параллельно выходам, что дает возможность визуально контролировать работу внешних цепей. Помимо этого модуль оснащен оптически развязанными «зеркальными» каналами обратной связи, позволяющими программно контролировать ток нагрузки.
Благодаря применению специальных узлов защиты, дискретный выход контроллера обладает очень высокой надежностью. Повредить его можно только воздействием экстремальных напряжений, которые не возникают в правильно спроектированных внешних цепях.
Что такое рабочий цикл и чем ограничивается время реакции ПЛК ?
ПЛК сканирующего типа работают циклически по методу периодического опроса входных данных. Именно на такую модель опирается стандарт МЭК 61131-3. Рабочий цикл ПЛК включает 4 фазы: опрос входов, выполнение пользовательской программы, установку значений выходов и некоторые вспомогательные операции (диагностика, подготовка данных для отладчика, визуализации и т.д). Прикладная программа имеет дело с одномоментной копией значений входов. Внутри одного цикла выполнения программы, значения входов можно считать константами. Такая модель упрощает анализ и программирование сложных логических и последовательностных алгоритмов. Очевидно, что время реакции на событие будет зависеть от времени выполнения одной итерации прикладной программы.
В технических характеристиках ПЛК приводится типовое время рабочего цикла. При его измерении пользовательская программа должна содержать 1К логических команд (на языке IL МЭК 61131-3). Сегодня ПЛК имеют типовое значение времени рабочего цикла, измеряемое единицами миллисекунд и менее. События, требующие быстрой реакции, выделяются в отдельные задачи, приоритетность и период выполнения которых можно изменять.
В контроллерах МСТС с ЦП85 (СПО ДИАРС) используется произвольный во времени доступ к входам-выходам. Команда чтения входа считывает реальное физическое значение входа. Время реакции определяется суммарным временем выполнения команд выполняющих обработку события и периодом опроса. Цикл ожидания события организуется простым повторением команды чтения входа.
Чем ПЛК отличаются от компьютеров?Мощное вычислительное ядро современных ПЛК делает их очень похожими на компьютеры. Однако ПЛК это не «железо», а технология. Она включает специфическую аппаратную архитектуру, принцип циклической работы и специализированные языки программирования. Программирование ПЛК осуществляется людьми, хорошо знающими прикладную область, но не обязанными быть специалистами в математике.
Существуют программы имитирующие работу ПЛК на компьютере. В этом случае, удается совместить на одной машине контроллер, средства программирования и визуализации. Недостатком такого решения является значительное время восстановления при сбоях и повреждениях. Перезагрузка операционной системы (ОС) и запуск прикладной задачи может занимать несколько минут. Переустановка и настройка ОС, драйверов оборудования и прикладных программ требует значительного времени и высокой квалификации обслуживающего персонала. Системное программное обеспечение ПЛК расположено в постоянной памяти в адресном пространстве центрального процессора и всегда готово к работе. По включению питания, ПЛК готов взять на себя управление системой уже через несколько миллисекунд. В целом, в силу дешевизны, надежности и простоты применения, ПЛК доминируют на нижнем уровне систем промышленной автоматики. Они обеспечивают непосредственное управление оборудованием на переднем крае производства.
Зачем нужны специализированные языки?
В первую очередь контроллеры ориентированы на решение задач промышленного производства. Поэтому оценивать их нужно с позиций производственной реальности. Представьте себе, что у вас есть автоматизированный фрезерный станок. Блок управления выполнен в виде шкафа, вмещающего полсотни реле и пускателей. Требуется срочно заменить «еще теплый» шкаф на ПЛК. Есть два варианта. 1. Вы осмысленно перерисовываете схему шкафа на языке LD и поясняете ее техникам. 2. Вы пишите программу на языке общего применения и, до пенсии связываете свою жизнь с этим станком.
Специализация языков ПЛК заключена в упрощении их применения и приближении к предметной области. На сегодняшний день ПЛК это на 90% программный продукт. Контроллер не обеспеченный средствами визуального прикладного проектирования, с поддержкой стандартных языков, использовать очень трудоемко. Изделия, снабженные CD с набором «бесплатных» компиляторов и ворохом документации на микросхемы, называть ПЛК нельзя.
|
