Техническая диагностика средств вычислительной техники

ГОУ СПО Астраханский колледж вычислительной техники

М.В. Васильев

преподаватель специальных дисциплин

Астраханского колледжа вычислительной техники.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА

СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

учебное пособие для преподавателей и студентов средних профессиональных учебных заведений по специальности 230 101

«Вычислительные машины, комплексы системы и сети»

Астрахань 2007

Настоящее учебное пособие посвящено вопросам диагностики неисправностей средств вычислительной техники. Предлагаемое пособие написано в соответствии с действующей программой курса «Техническая диагностика СВТ», в соответствии с Государственным образовательным стандартом среднего профессионального образования по специальности 2201 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» от 8 февраля 2002 года и Дополнением к Государственному образовательному стандарту по специализации 2201.01 «Техническое обслуживание средств вычислительной техники» от 25 сентября 2003 года. Настоящее пособие содержит основные теоретические положения, касающиеся организации, архитектуры и особенностей технической диагностики персональных ЭВМ типа IBM PC/AT. В пособии приведены методики профессионального обслуживания аппаратно-программных вычислительных систем, организованных на базе персональных компьютеров и углубленной диагностики их неисправностей. Большое внимание уделено программным и аппаратным средствам диагностики неисправностей компонент аппаратно-программной системы, ее периферийных устройств и использованию сервисных средств диагностики. В нем приведены также характеристики встроенных тест-программ, основные симптомы неисправностей СВТ, сообщения об ошибках загрузки операционной системы, прогоне прикладных программ и т. д.

Предлагаемое учебное пособие может быть использовано в качестве основного материала для лекционной работы преподавателей и учебного пособия для студентов средних учебных заведений по специальности 230 101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», при изучении ими дисциплины «Техническая диагностика средств вычислительной техники».

Настоящий курс лекций по дисциплине «Техническая диагностика средств вычислительной техники» входит в модуль специализации 230 101.51 «Техническое обслуживание средств вычислительной техники» и является, наряду с дисциплинами «Техническое обслуживание средств вычислительной техники» и «Системотехническое обслуживание аппаратно-программных систем и комплексов», профилирующей — для получения студентами ССУЗ квалификации Техник базового уровня подготовки по специальности 230 101.

Задачи курса:

1. Изучить структуру и архитектуру АПС типа РС.

2. Изучить основные средства функционального контроля и методы диагностики АПС.

3. Научиться проводить классификацию неисправностей по степени их жесткости и связи с компонентами ВС.

4. Изучить основные симптомы неисправностей АПС, возникающих при включении РС, загрузке ОС и прогоне прикладных программ.

5. Изучить симптомы аппаратных неисправностей системной платы, консоли и некоторых других периферийных устройств РС.

Содержание курса:

1. Для связи симптомов неисправностей с узлами и компонентами ПЭВМ следует хорошо разбираться в архитектуре, структуре ПЭВМ, для чего предназначен первый раздел курса, в котором рассматривается обобщенная блок-схема РС, архитектура микропроцессора, разновидности микропроцессоров, их структурная схема и функциональные сигналы управления. Для примера подробно рассматривается микропроцессор i386, как типичный представитель микропроцессоров четвертого поколения, использующихся в РС/АТ, начиная с IBM РС 386, и до современных моделей типа Pentium.

2. Для проведения углубленной диагностики неисправностей РС требуются достаточно глубокие знания по особенностям архитектуры как самого CPU, так и средств его системной поддержки. Поэтому здесь рассмотрено взаимодействие CPU с контроллером его системной поддержки, поддержки системной шины, а также с контроллерами и адаптерами ОЗУ, кэш-памяти, системной шины, устройств внешней памяти и ввода-вывода оперативной информации.

3. Далее рассматриваются основные методы диагностики основных периферийных устройств ПК — устройств консоли, внешней памяти, средств коммуникации компьютера, вывода аудиоинформации.

4. Во втором разделе настоящего пособия изучаются приемы разборки и сборки РС, аппаратный и программный аспекты диагностики АПС, стандартная и специальная КИА, используемая при аппаратном способе локализации неисправностей в РС, а также программные средства диагностики неисправностей РС.

5. Третий раздел пособия содержит достаточно подробные сведения о приемах автономного и комплексного методов функционального контроля АПС, АПК и их периферийного оборудования.

Раздел 1 Архитектура и структура ПЭВМ IBM PC и их клонов

Особенности контроля и диагностики микроЭВМ.

Персональный компьютер, как известно, относится к типу микро-ЭВМ, т. е. ЭВМ, используемых микропроцессорные структуры. Микро-ЭВМ, в отличие от других типов вычислительных устройств, имеет свои достоинства и недостатки в плане диагностики их неисправностей.

Поиск неисправностей в микроЭВМ осложнен целым рядом причин, наиболее важными из которых представляются следующие:

1) высокая сложность СБИС. Обычный однокристальный микропроцессор имеет около 200 внутренних запоминающих элементов (информационных, управляющих регистров и триггеров) и, соответственно, 2²⁰⁰ возможных состояний, поэтому полный контроль микропроцессорных СБИС практически невозможен и отдельные неисправности, вызванные взаимным влиянием отдельных элементов СБИС, могут проявляться в виде редких нерегулярных сбоев;

2) малое число контрольных точек схемы (выводов ИМС) приводит к тому, что подача тестирующих воздействий на нужные точки схемы и контроль их состояния носит косвенный характер. Доступ к внутренним элементам СБИС возможен только под микропрограммным управлением, т. е. генерация тестовых последовательностей возможна, в основном, только средствами микропрограммного управления самого микропроцессора или микроконтроллера;

3) неразделимость аппаратных и программных средств управления микропроцессорной системы. Часто провести четкую границу между аппаратными и программными средствами микропроцессорной системы нельзя, так как в большинстве микропроцессоров ПЗУ микропрограмм выполнено на самом кристалле СБИС микропроцессора;

4) сложность и неразделимость аппаратных средств микроЭВМ. Микропроцессорную систему часто невозможно разделить на отдельные функциональные узлы (ТЭЗ, как в больших ЭВМ), потому что часто вся микро-ЭВМ, или, по крайней мере, ее системная плата, исполняются в виде одного конструктивно законченного узла. Во-вторых, часто в одной СБИС, например, контроллере системной поддержки микропроцессора, совмещены различные функции: управление и выполнение арифметических процедур, запрограммированная конфигурация, выполнение функций ввода-вывода и т. д., и наоборот — одна функция может реализовываться по частям в разных СБИС и т. п. Так что диагностика неисправностей микро-ЭВМ требует высокой квалификации обслуживающего персонала;

5) необходимость одновременного контроля состояния шин. Микропрограммный характер генерации тестовых воздействий требует наблюдения и регистрации всех сигналов шин на больших временных интервалах, чтобы можно было зафиксировать редкие и однократные события. Эти события идентифицируются заданными комбинациями сигналов на шинах адреса, управления, данных, и даже заданной последовательностью таких комбинаций. Например, регистрация первичной ошибки только в n-м такте операции умножения с плавающей точкой, только с определенными операндами, да еще и на фоне обмена данными с принтером. Подобную регистрацию можно провести только на специальной нестандартной КИА — анализаторе логических состояний;

6) высокое быстродействие. Тактовая частота современных микропроцессоров достигает сотен МГц и даже ГГц, так что разрешающая способность стандартной и нестандартной КИА должна быть не ниже тысяч МГц, но такая аппаратура очень сложна, дорога и редка;

7) шинная организация микропроцессорной системы часто требует использования тристабильных элементов (с Z-состоянием) с подключением в одну точку многих передатчиков и источников сигналов, что приводит к трудностям определения источника искажения информации в магистрали;

8) мультиплексирумость шин микропроцессорной системы, вызываемая необходимостью сокращения числа выводов СБИС, приводит к временному разделению одной и той же шины между младшей и старшей частями адреса, адресом и данными, данными и сигналами управления и т. п. Это требует дополнительной идентификации характера информации на шине и сильно усложняет диагностику магистралей.

Но, наряду с вышеуказанными сложностями, микропроцессорные системы имеют и ряд преимуществ при диагностике неисправностей в них:

1) стандартная форма электрических сигналов. Важной особенностью всех цифровых, дискретных устройств, реализованных на стандартных наборах БИС, является стандартное представление информации электрическими сигналами одинаковой амплитуды (логические нуль и единица представляются сигналами нулевого уровня и/или сигналами уровня амплитудой порядка +5 вольт). В этом случае, прибегать к измерениям аналоговых величин (амплитуды, длительности фронтов), приходится только в блоках ЦАП и АЦП, или при подозрении на выход из строя одной из компонент схемы. Эта стандартность дает возможность разрабатывать КИА со средствами стандартного подключения к контролируемым точкам системы, что снижает стоимость такой КИА и, в большой степени, сокращает вероятность ошибок оператора. Примером такой КИА могут быть логические пробники и измерительные клипсы, одеваемые прямо на выводы исследуемых ИМС;

2) способность к самоконтролю. Как только отлажена схема синхронизации микропроцессорной системы и начал работать контур микропрограммного управления, появляется возможность использовать сам микропроцессор системы для сбора и обработки информации о состоянии элементов самой микропроцессорной системы. Исполнение таких тестовых программ, как циклические пересылки унитарных кодов, подсчет контрольных сумм содержимого ROM BIOS, КМОП-памяти, контроль ОЗУ, запись-чтение тестирующей информации в порты ввода-вывода и т. п., позволяет определить характер неисправности, а иногда и точно указать ее место. Мощным средством в этом отношении являются микропрограммные тесты, которые составляются с использованием так называемого «способа раскрутки», когда, опираясь на уже проверенное ядро тестируемой системы, можно постепенно и очень подробно протестировать все более дальние от ядра узлы схемы и, по словарям неисправностей, достаточно точно определить место возникновения неисправности. При этом основная тяжесть диагностики переносится с «изобретения» диагностирующим персоналом контрольных процедур с использованием КИА, на разработку диагностических микропрограмм. Эта работа требует доскональных знаний аппаратной реализации ЭВМ и под силу только ее разработчикам, которые и составляют эти проверочные и диагностирующие микропрограммы и наборы микропрограммных тестов.

Основной или, во всяком случае, функциональной составляющей большинства вычислительных систем и вычислительных комплексов часто является компьютер, первоначально, при разработке, ориентированный на персонального пользователя и, в силу хорошо продуманной организации, способный решать и другие, системные задачи. Следует только иметь в виду, что это все-таки персональная машина (ПЭВМ), обладающая рядом недостатков:

— плохо развитая коммуникативность: малы возможности развития подсистем ввода-вывода, очень трудно и неэффективно подключать к РС несколько десятков внешних устройств;

— не всегда достаточны скорости передачи данных, без участия центрального микропроцессора;

— недостаточен объем специальной высокоскоростной мультиплексной памяти;

— сложно, а порой и невозможно, обеспечить параллельную работу периферийного оборудования в режиме совмещения;

— трудно решается проблема многопользовательской работы (многозадачный режим), в силу слабо развитой системы прерываний и обслуживания каналов ввода-вывода;

— неэффективное использование собственно вычислительных возможностей центрального процессора. При работах по вводу-выводу он практически простаивает, что ведет к плохому использованию ресурсов ВС. Так, ввод-вывод реализует всего 5−10% заложенных в РС возможностей по скоростям его работы, а в CPU и того меньше — 2−5%.

Хорошим выходом из этого положения может быть особая RISC-структура CPU и применение специальной каналообразующей аппаратуры (процессоров каналов связи). Но это будет уже совсем не персональный компьютер, а, скорее, система типа IBM-370, 380, 390, ЕС ЭВМ, PDP и т. п. Однако, в силу ряда не вполне объективных причин, их применение у нас в стране сильно ограничено. Зарубежные фирмы подобные системы нам поставляют весьма неохотно, нет и литературы по их применению. Так что нам приходится использовать, для систем не очень высокого класса, именно РС. Так что мы вынуждены изучать эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт именно РС.

Изучать мы будем компьютер именно типа IBM PC/AT потому, что все современные модели РС, вплоть до самых последних, в большой мере интерпретируют структуру и архитектуру РС/АТ. С другой стороны, все поздние модели РС, начиная с 386 и до «Pentium-4» — это технологические усовершенствования РС/АТ: увеличение разрядности, объемов ОЗУ, объемов ВЗУ, повышение быстродействия компонент, в первую очередь, CPU и системной шины, и архитектура последних моделей РС практически не отличается от РС/АТ. Плюс к тому, быстро развивающаяся технология СБИС позволяет совместить в одном кристалле много функций разных узлов обрамления CPU — объединить CPU и FPU в одной ИМС (486, «Pentium»), и собственно структура центрального вычислителя при этом не видна. Нам же нужно хорошо представлять себе все узлы, как вычислителя, так и его обрамления, а это лучше всего видно на примере РС/АТ.

1.1 Блок-схема ЭВМ по фон-Нейману и ее реализация в ПК

Блок схема любого компьютера состоит из пяти частей (рисунок 1.1):

— - - - - - - ;

ЦПУ————

¦ ¦ УУ ¦ ¦

L—-T——

———- ¦ ——-+—— ¦ ————;

¦ Увв +—->¦ АЛУ ¦ ——>¦ Увыв ¦

L———- ¦ L——T——- ¦ L————;

L- - - -¦- - - ;

——-+——

¦ ЗУ ¦

L—————

Рисунок 1.1. Обобщенная блок-схема ЭВМ.

Две части: АЛУ и УУ составляют центральное процессорное устройство (в РС — CPU — микропроцессор).

АЛУ (арифметико=дигическое устройствр) предназначено для выполнения арифметических и логических процедур программы вычислений.

УУ (устройство управления) выполняет функции управления устройством АЛУ, оперативной памятью и синхронизирует работу всех составных частей вычислительной системы (в РС УУ встраивается в CPU). Устройство управления вычислительной системой может быть выполнено на жесткой логике, или использовать микропрограммный способ управления.

Как известно, управление вычислительным устройством осуществляется аппаратно с помощью фиксированных для каждой вычислительной системы специальных сигналов, называемых элементарными операциями.

При выполнении УУ с жесткой логикой, выработка нужных последовательностей элементарных операций производится с помощью дешифратора кода операций и распределителя синхронизирующих импульсов (РСИ). При этом аппаратная реализация такого УУ получается очень сложной и громоздкой. Это связано с тем, что дешифратор кода операций должен иметь столько выходов, сколько разных команд имеется в системе машинных (ассемблерных) команд данной вычислительной системы, и каждый из выходов такого дешифратора должен иметь свой собственный РСИ. Кроме того, такое УУ совершенно негибко в части внесения каких-либо изменений в систему команд (потому-то она и называется жесткой), т. к. в этом случае потребуются аппаратные изменения, как в дешифраторе команд, так и в системе РСИ. Но, тем не менее, реализованное на жесткой логике управление является весьма быстродействующим и находит применение в специализированных вычислительных системах.

Для упрощения аппаратной структуры устройства управления был разработан метод микропрограммного управления. Суть его состоит в том, что для каждой машинной операции разработана своя микропрограмма, состоящая из последовательности отдельных микрокоманд. Каждая из микрокоманд, в свою очередь, содержит либо непосредственно набор элементарных операций (микроопераций), которые необходимы для выполнения данного шага микропрограммы и могут быть выполнены одновременно, либо только коды элементарных операций, которые должны быть одновременно выполнены в данной микрокоманде. В последнем случае, коды элементарных операций тоже расшифровываются, но очень простыми дешифраторами, так что структура микрокоманды упрощается и становится похожей на структуру обычной машинной команды. Обобщенно структуру микрокоманды можно представить так:

|КМкОп| - |Адр|

где

КМкОп — код микрооперации (принять, выдать данные, сбросить регистр и т. п.)

Адр — адрес компоненты (регистра, формирователя, сумматора и т. д.), для которой должна быть выполнена данная микрооперация.

Последовательность микрокоманд (с учетом условий их выполнения, переходов в микропрограмме, подобно машинным, ассемблерным командам) и составляет конкретную микропрограмму. Вся система микропрограмм обычно хранится в ПЗУ микропроцессора, но иногда и в ОЗУ микропроцессора. Последнее требует перед началом работы загрузить ОЗУ микропрограмм, но такой прием позволяет, загрузив другую систему микропрограмм, работать в другой ассемблерной системе команд.

Каждая из микропрограмм вызывается на исполнение по коду операции исполняемой ассемблерной команды, так что последовательность выполняемых микропрограмм однозначно определяется последовательностью ассемблерных команд выполняемой в данный момент программы.

Увв (устройство ввода) и Увыв (устройство вывода) в ПК составляют подсистему ввода-вывода. Увв — для ввода исполняемых программ, оперативных настроек операционной системы, прикладных программ, исходных данных для вычислений и команд оперативного управления вычислительным процессом. Увыв — для вывода оперативной информации, результатов вычислений (на дисплей, печатающие устройства, удаленные терминалы, абонентам сетей и т. д.), различных программных файлов, данных для резервного хранения и т. п.

ЗУ (запоминающее устройство) включает в себя ОЗУ и ПЗУ (RAM и ROM BIOS). ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) предназначается для хранения рабочей программы в процессе вычислений, а также для оперативного хранения исходных данных, промежуточных и конечных результатов вычислений до завершения выполняемой программы. Если в качестве автоматического вычислительного устройства иметь в виду конкретно компьютер, то в ОЗУ компьютера хранятся, при его работе, еще и операционная система, программы-драйверы управления периферийными устройствами и ряд других служебных программ и оперативных настроек системы. В ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) ROM BIOS персонального компьютера хранятся, в основном, служебные программы-драйверы, необходимые, по крайней мере, для загрузки операционной системы. ПЗУ нужно потому, что ОЗУ, выполняемое обычно на динамических полупроводниковых элементах памяти, при выключении питании компьютера теряет всю информацию.

Система ввода-вывода в компьютерах, в свою очередь, распадается на подсистемы: консоли (KBD и видеоподсистема), дисковую подсистему, коммуникационные COMи LPT-порты и т. д.

Несколько слов о консоли. Видеомонитор и клавиатура по традиции, берущей начало от системы IBM-360 и ЕС ЭВМ, принято называть консолью ЭВМ или ПЭВМ. Это уже давно устоявшееся название используется и сейчас. Так, в ROM BIOS PCDOS есть драйвер CON (Console) — системный драйвер клавиатуры и дисплея.

Конструктивно подсистемы видео, дисковая, коммуникации, периферийных устройств и клавиатура, в большинстве случаев, располагаются не на системной плате и соединяются с ней посредством системной шины через разъемы — слоты расширения. Именно это и позволяет аппаратно реконфигурировать систему, подключая, при необходимости, к слотам расширения системной шины разные виды контроллеров, адаптеров, а к ним — и нужные устройства ввода-вывода. Впрочем, отдельные типы РС, такие как LapTop, Note-Book имеют встроенные видеосистему, клавиатуру, дисковую систему, а некоторые из моделей и DeskTop, выполняющиеся по принципу BabyBoard, имеют непосредственно на системной плате многие из контроллеров ВУ и ПУ и даже НЖМД. Это ухудшает способность РС к реконфигурированию, но снижает себестоимость и, соответственно, цену РС.

Контрольные вопросы.

1. Каково назначение АЛУ?

2. Каково назначение блока УУ?

3. Где, по фон-Нейману, должна находиться программа для автоматического выполнения вычислений?

4. Для чего предназначены блоки Увв и Увыв?

5. Как может быть реализован блок УУ?

6. Какие пять основных частей составляют компьютер?

7. Какие основные функции возложены на CPU?

8. Какое конструктивное решение позволяет легко реконфигурировать РС?

9. Что понимается под аппаратной конфигурацией и реконфигурацией компьютера?

10. Какие устройства входят в понятие консоли ЭВМ и ПЭВМ?

1.2 Структурная схема PC/AT

Типичная структурная схема РС/АТ в развернутом виде представлена на рисунке 1.2.

Центральным устройством, осуществляющим все вычислительные функции, функции управления и синхронизации работы всех подсистем РС, является CPU, содержащий АЛУ, регистровую память, дешифратор команд, микропрограммное устройство управления и, в последних версиях CPU «Pentium», буферную (кэш) память.

—-T—————

——— ——- ¦ ¦controllers

¦ PS ¦-> ¦GCLK¦-> - - - - ¦ ¦ —— ¦ ———;

L——— L——- FPU ¦ S¦<-+CGA¦——>¦ MON-C¦

¦ ——+— ¦ L¦ L—— ¦ L———;

L — ¦ CPU ¦ SB ¦ O¦ —— ¦ ———;

¦ ¦<-T——>¦ T¦<-+MDA¦——>¦ MON-M¦

————- L-T——- ¦ ¦ S¦ L—— ¦ L———;

¦ DRAM ¦———-¦LB ¦ ¦ ¦ —— ¦ ——;

L————- ——-+—— ¦ ¦ ¦<-+COM+——>/ Mouse¦

¦ROM BIOS ¦ ¦ ¦ ¦ L—— ¦ L———;

——— L————— ¦ ¦ ¦ —— ¦ ——;

——— ¦contr¦ ¦ ¦ ¦<-+LPT+——>¦ PRN

¦ KBD ¦<—>¦ KBD ¦<———————- ¦ ¦ L—— ¦ L———

L——— L——— ¦ ¦ ¦ ——;

¦ ¦ —->¦ CD ¦

¦ ¦ ¦¦ L——;

¦ ¦ ¦¦ ——;

¦ ¦ +—>¦ PU ¦

¦ ¦ —— ¦¦ L——;

¦ ¦<-¦APU¦->¦¦ ——;

¦ ¦ L—— +—>¦FDD ¦

¦ ¦ ¦¦ L——;

¦ ¦ ¦¦ ——;

¦ ¦ L—>¦HDD ¦

L—+—————- L——-

Рисунок 1.2. Блок-схема РС/АТ.

Здесь

PS (Power Supply) — блок питания.

GCLK — генератор тактовых импульсов. GCLK и PS изображены отдельно, так как их функции, сигналы и взаимосвязи с остальными блоками очевидны.

FPU (Floating Point Unit — устройство плавающей точки) — математический сопроцессор. FPU предназначается для выполнения операций с плавающей точкой и вычислений: тригонометрических функций, логарифмов и т. п.

DRAM и ROM BIOS — оперативная и постоянная память компьютера, соответственно.

contr KBD (Controller KeyBoard) — контроллер клавиатуры. Изображенный на блок-схеме контроллер клавиатуры в слот расширения не вставляется, а смонтирован непосредственно на системной плате, но связан все-таки непосредственно с системной шиной (SB), из которой и образованы щелевыми разъемами слоты расширения системной шины.

В слоты расширения (Slots) вставляются дочерние карты-контроллеры внешних устройств: мониторов (CGA, MDA), манипуляторов (COM), принтеров (LPT) или адаптеры других периферийных устройств (APU) — жестких дисков, дисководов и т. д. К этим картам и подключаются соответствующие внешние устройства. Например, мониторы цветной (MON-C), монохромный (MON-M), манипулятор (Mouse), принтер (PRN), дисковод компакт-дисков (CD), накопители на гибких (FDD) и жестких (HDD) дисках и другие периферийные устройства (PU), входящие в данную аппаратную конфигурацию рабочей (компьютера).

1.3 Конструкция и аппаратный состав IBM PC

Базовый комплект персонального компьютера включает в себя три блока:

— системный блок,

— клавиатуру,

— видеодисплей.

По конструкции системные блоки (SU — SystemUnit) могут быть:

— настольные (Desk Top),

— напольные (Desk Size),

— вертикальные (Tower),

— переносные (Lap Top, Brief-Case-Size),

— миниатюрные (Book-Size, Pocket, Hand-Held, Note-Book).

Системный блок (SU) всегда содержит:

— системную плату (SB — System Board), объединяющую вокруг локальной шины (LB) микропроцессора все электронные компоненты подсистем и периферийных устройств ввода-вывода,

— импульсный блок питания (Power Supply),

— устройства подсистемы внешних запоминающих устройств (ВЗУ),

— систему принудительного охлаждения (вентиляции),

— набор карт адаптеров УВВ (I/O Card Adapter), устанавливаемых в разъемах расширения системной шины, но в некоторых типах РС адаптеры УВВ могут быть установлены и прямо на SB.

ПЭВМ на базе CPU i386 могут быть организованы по следующим архитектурным стандартам:

Архитектура AT BUS (имеющая и другое обозначение: ISA — Industry Standard Architecture).

AT BUS имеет большую армию производителей клонов IBM PC/AT, использующих, для индустрии ПЭВМ среднего класса, отлаженные технологические линии производства всех компонент ПЭВМ. Рынок ПЭВМ был быстро освоен копировщиками клонов, благодаря принципам модульности, унификации, открытости архитектуры, способности к модернизации и сравнительной дешевизне ПЭМВ, при хороших потребительских показателях подсистем оборудования. Данная архитектура предполагает, для развертывания подсистемы ввода-вывода, наличие на SB группы из трех типов разъемов, дополняющих друг друга. Первый из них — 62-контактный, практически полностью перенесенный из клона IBM XT. Второй разъем — 36-контактный, дополняющий первый по линиям адреса до 24, данных — до 16, в нем имеются также дополнительные линии подсистем ПДП и прерываний. Третий разъем не стандартизован. Он может быть представлен различными вариантами расширений до 32-битовых линий данных, при установке дополнительной памяти, либо спецификацией локальной шины VL BUS (предложена ассоциацией по стандартизации в области видео электроники VESA).

Архитектура MCA (Micro Channel Architecture).

Эта шина предназначается для высокопроизводительных высокоскоростных систем. Организация обмена по 32-битовой шине варьируется различными способами информационного обмена, наиболее скоростной из которых — пакетный. Система имеет большой резерв для усовершенствования, и нашла применение в технологических линиях производства PS/2 и Power Station Server, фирмы IBM. Наряду с многочисленными достоинствами архитектуры, в МСА имеется ряд существенных недостатков. Например, далеко не все типы карт расширения для подключения УВВ можно установить в разъемы МСА, логический и физический интерфейс не совместимы с архитектурой ISA, и ряд других ограничений.

Архитектура EISA (Extended ISA).

Это усовершенствованная шина АТ BUS. Группа основных производителей клона IBM PC (кроме фирмы IBM), с целью создания шины, конкурентоспособной шине МСА, разработала свою архитектуру шины — EISA. Эта шина, в отличие от MCA, совместима с AT BUS и, вместе с тем, тоже способна работать в высокоскоростных мультипроцессорных системах. Многократные тестирования, проведенные независимыми экспертами, в итоге не позволили выявить шину-лидера в споре МСА с EISA, но отечественные пользователи предпочитают последнюю. Впрочем, в современных моделях ПЭВМ используются, наравне с шиной EISA, и более новые стандарты шин, такие как PCI и USB. В большинстве системных плат современных РС все же оставляют 2−3 разъема с архитектурой EISA, для возможности подключения карт адаптеров старых моделей.

Контрольные вопросы.

1. Какие блоки обязательно входят в минимальный базовый комплект РС?

2. Как различаются РС по конструктивному исполнению?

3. Какие функциональные устройства должен содержать системный блок?

4. По каким архитектурным стандартам может быть организована ПЭВМ на базе CPU i386?

5. В чем достоинства и недостатки архитектуры ISA?

6. Почему архитектура МСА не получила широкого применения?

7. Какие преимущества имеет архитектура EISA?

1.4 Системная плата PC-i386DX

Для углубленной диагностики неисправностей микро-ЭВМ, к которым относятся все ПЭВМ, следует хорошо представлять себе не только структуру, но и логику построения и работы всех узлов и блоков, входящих в вычислительную систему на базе ПЭВМ.

Системная плата типичного компьютера содержит основные, несменные компоненты, не участвующие в аппаратном реконфигурировании РС:

— центральный микропроцессор (CPU),

— математический сопроцессор (FPU),

— оперативную память (DRAM) и ее буфер — кэш-память,

— контроллер DRAM,

— ROM BIOS,

— контроллер прямого доступа в память (DMA),

— СБИС системной поддержки CPU (Chip Set),

— системную шину (SB), представленную слотами расширения,

— контроллеры системной шины, буферы, шинные формирователи,

— систему локальной шины для связи CPU с FPU, DRAM, ROM,

— полупостоянную память небольшого объема (CMOS-память) для хранения текущей аппаратной конфигурации РС.

Вышеназванные контроллеры, буферы и формирователи на системной плате современных компьютеров выполняются в виде наборов из нескольких СБИС. Каждый такой набор носит название чип-сета (Chip Set). Чип-сеты разных производителей могут содержать разное количество СБИС и различное содержание каждой из СБИС, но общий состав всех контроллеров, буферов и формирователей остается практически неизменным, хотя и достаточно жестко привязанным к конкретному типу микропроцессора.

Рассматриваемая здесь для примера структурная схема РС386 реализована набором чипов VLSI (Very Large Scall Integration), составляющим чип-сет группы 8230 и включает в себя наборы модулей:

82С206 — интегрированный периферийный контроллер,

82С301 — системный контроллер,

82С302 — контроллер оперативной памяти,

82А303, 82А304 — буферы старшей и младшей частей адресов,

82В305 — контроллеры шины данных,

82А306 — буфер управляющих сигналов.

Встречается много разных наборов (чип-сетов), например группы, 81 310, 8281 и т. д., имеющих другой состав, но в целом выполняющих те же самые процедуры обменов.

1.4.1 Структурная схема системной платы РС i386DX

Системная плата i386DX, структурная схема котоой приведена на рисунке 1.3, имеет следующие особенности:

1) применяется модернизированный ISA-интерфейс, включающий в себя дополнительный разъем для организации доступа в подсистему DRAM по 32-битовой шине данных;

2) управление обменом выполняется CPU i386 в режиме pipelined mode — конвейеризации адресов в 32-битовом формате;

3) аппаратно-программные средства обеспечивают доступ к DRAM в режиме Interleaving Organization — чередование банков памяти;

4) допускается страничный, по 2 Кбайт, режим (Page Mode) работы ОЗУ;

5) для повышения гибкости работы системы, в ряде контроллеров дополнительно программируются регистры конфигурации портов ввода-вывода;

6) ПЗУ базовой системы ввода-вывода ROM BIOS, объемом 64 Кбайт, включает в себя программу Extended CMOS SetUp или New SetUp, из которой и загружаются вышеуказанные порты регистров конфигурации, в результате чего, по желанию пользователя, могут быть изменены параметры теневой ОЗУ (Shadow RAM), отменена проверка паритета DRAM (Рarity Check DRAM), обеспечивается независимое программирование рабочей скорости CPU, DMA, системной шины, задержки в управлении памятью и устройствами ввода-вывода;

7) в составе клона IBM PCAT, для периферийного оборудования может быть установлен менеджер режимов питания, позволяющий переводить модули обрамления в экономичный режим энергопотребления, если ВС находится в режиме простоя (Ti-Idle). Сам менеджер имеет автономную систему питания и организован на чипе i82347

— - - - - Local Bus System Memory Bus IO Channel Bus

80 387 D A MD MA SD SA

¦ 80 287 ¦ 32 ¦32¦ ————- 32 ¦32¦ 16 ¦24¦

WTL3167 ¦ ¦ ctrl ¦ ABF ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ———+— ¦ ¦ ——->¦ ¦———¦->¦ ¦ ¦

FPU¦ CPU ¦——¦->¦<———>¦ 82A303 ¦<——-¦—¦————————-¦->¦

L- -+ ¦ ¦ ¦ ¦ 82A304 ¦<—- ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ¦<—>¦ ¦ L————- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ 80 386 ¦ ¦ ¦ ————- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

L——T—— ¦ ¦ ctrl ¦ DBF ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦ ——->¦ ¦<——>¦ ¦ RD[15/00] ¦ ¦

¦ ¦<-¦———->¦ 82A305 ¦<——-¦—¦-T->———— ¦ ¦

——-+—- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦I/O BUS¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦ ¦ L————- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦<—>¦ ¦

¦ SC ¦ ¦ ¦ ————- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦74S245 ¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦ ¦ ctrl ¦ MC ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ L———— ¦ ¦

¦ 82C301 ¦ ¦ ¦ <——-+ ¦<—¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

L—-TT—— ¦ +———->¦ 82A302 ¦<——-¦->¦ ¦ ———— ¦ ¦

¦¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦¦ L—+ ROM ¦<—-¦—+

¦¦ ¦ ¦ L—-T——- ¦¦ ¦ BIOS ¦ ¦ ¦

/ ——+—— ¦¦ L———— ¦ ¦

CONTROL ¦ BFS ¦ ¦¦ ———— ¦ ¦

XD[07/00] L—-T——- ¦¦ —+ AT ¦<—-¦->¦

XA[01/00] ¦ ¦¦ ¦ ¦Add On ¦<—>¦ ¦

¦ ¦¦ ¦ ¦Boards¦ ¦ ¦

Peripheral ——+—— ¦¦ ¦ L——-T— ¦ ¦

Bus ¦ DRAM ¦ ¦¦ L———— ¦ ¦

XD XA L————- ¦¦ ¦ ¦

¦<—¦——————————————¦ ¦ ¦

¦ ¦<—————————————— ¦ ¦

8 ¦ ¦ 8(24) ———— ¦ ¦

¦ ¦/ ¦I/O BUS¦ ¦ ¦

¦<—¦—————————->¦74S245 ¦<——————————>¦ ¦

¦ ¦ ————- L————

¦<—¦———->¦ IPC ¦

¦<—¦———->¦ 82C206 ¦

¦ ¦ L————- ————;

¦<—¦————————————————->¦ KBDC ¦

¦ ¦<————————————————>¦ 8042 ¦L————-

Рисунок 1.3. Структурная схема системной платы РС386.

На приведенной схеме использованы следующие обозначения:

CPU — центральный процессор,

FPU — математический сопроцессор,

SC — System Control — системный контроллер,

ABF — Addres Buffers — буферы адреса (303 — старшей, 304 — младшей) частей адреса,

DBF — Data Buffer — буфер данных,

МС — Memory Controller — контроллер ОЗУ,

BFS — Buffers — буферы памяти (КЭШ),

DRAM — ОЗУ,

I/O Bus — приемопередатчики шин,

ROM BIOS — системное ПЗУ,

АТ — адаптеры и контроллеры расширения системной шины,

IPC — Integrated Peripheral Controller — интегральный контроллер периферии,

KBDC — Keyboard Controller — контроллер клавиатуры.

1.4.2 Архитектура шин чип-сета группы 8230

Системная плата IBM PC386 с набором чип-сета 8230, изображенная на рисунке 1.3, имеет следующую систему шин:

1. 32-битовая локальная шина адреса Lokal Bus А[31/02] связывает:

— CPU 80 386,

— FPU 80 387 или WEITEK WTL3167, если имеется его розетка,

— буферы адреса 82A303 и 82A304,

— контроллер DRAM 82A302;

2. 24-битовая системная шина адреса IO Channel Bus SA[23/00] формируется буферами адреса 82A303, 82A304 и используется в подсистеме ввода-вывода для карт расширения УВВ;

3. 24-битовая шина расширения адреса Peripherial Bus XA[23/00] формируется буферами адреса 82A303, 82A304 и используется контроллером IPS 82C206 также для доступа к ROM BIOS, а часть адреса XA[01/00] - и для доступа к портам модулей системной поддержки;

4. 10-битовая шина адреса DRAM MA[09/00] - мультиплексируемая шина для передачи адреса из контроллера MC 82A302 в DRAM для доступа к ячейкам DRAM;

5. 32-битовая локальная шина данных Local Bus D[31/00] - двунаправленная шина с Z-состоянием, подключена к нагрузочным сопротивлениям 32×10 КОм и коммутирована к сопроцессору и буферам данных DBF 82A305.

Локальные шины A[31/02], D[31/00] и XA[01/00] могут быть организованы в подсистему расширения локальной шины VESA, для использования в системе скоростных 32-битовых УВВ, минуя арбитраж.

6. 16-битовая системная шина данных IO Channel Bus SD[15/00] формируется на буферах данных DBF 82A305 и двунаправленных шинных формирователях IO BUS типа 74S245.

7. Для доступа к ROM BIOS используется локальная шина RD[15/00], преобразование которой в шину IO Cannel Bus SD[15/00] производит второй шинный формирователь IO BUS 74S245. Системные шины доступны, если управляющая ПЛИС PAL16L8 (системный контроллер SC 82C301) декодировала одну из комбинаций управляющих сигналов, предназначенных для доступа к картам УВВ.

8. 32-битовая шина данных DRAM System Memory Bus MD[31/00] связывает DRAM и буфер данных DBF 82A305. Полная ширина линий MD[31/00] выведена и на специальный разъем расширения DRAM.

9. 8-битовая шина расширения данных Peripherial Bus XD[07/00] предназначена для доступа к информации периферийных портов обрамления УВВ, расположенных в контроллерах SC 82A301, MC 82A302, IPC 82C206. Для организации доступа к 8-битовым устройствам через 16-битовую магистраль IO Cannel Bus SD[15/00], используются два цикла обмена, в течение которых на Peripherial Bus XD[07/00], через буфер I/O BUS 74S245, посылается от/к УВВ по одному байту.

В слотах УВВ имеются разъемы для набора сигналов группы интерфейсов XT/AT-BUS.

Контрольные вопросы.

1. Что связывает локальная шина микропроцессора?

2. Какую разрядность имеют локальная и системная шины данных?

3. Какую разрядность имеет локальная адресная шина микропроцессора?

4. К какому объему адресного пространства может иметь прямой доступ CPU i386?

5. Сколько байт может быть передано одновременно по системной шине ISA?

6. Сколько байт информации может быть передано одновременно в/из DRAM?

7. В чем особенность адресной шины DRAM?

8. Сколько портов ввода-вывода можно адресовать через системную шину адреса?

1.4.3 Микропроцессор

1.4.3.1) Архитектура и типы микропроцессоров

Архитектура, т. е. логическая организация микропроцессора, однозначно определяет свойства, особенности и возможности построения вычислительной системы на базе данного микропроцессора.

Современные микропроцессоры, при всем разнообразии их типов, моделей и производителей, имеют одну из трех типов архитектуры: CISC, RISC и MISC (это относится к микропроцессорам универсального, а не специального применения).

Архитектура CISC (Complex Instruction Set Computer) — командо-комплексная система управления компьютером. Отличается повышенной гибкостью и расширенными возможностями РС, выполненного на микропроцессоре, и характеризуется:

1) большим числом различных по длине и формату команд;

2) использованием различных систем адресации;

3) сложной кодировкой команд.

Архитектура RISC (Reduced Instrucktion Set Computer) — командо-однородная система управления компьютером, имеет свои особенности:

1) использует систему команд упрощенного типа: все команды имеют одинаковый формат с простой кодировкой, обращение к памяти осуществляется командами загрузки (данных из ОЗУ в регистр микропроцессора) и записи (данных из регистра микропроцессора в память), остальные используемые команды — формата регистр-регистр;

2) при высоком быстродействии допускается более низкая тактовая частота и меньшая степень интеграции СБИС VLSI;

3) команда меньше нагружает ОЗУ;

4) отладка программ на RISC более сложна, чем на CISC;

5) с архитектурой CISC программно несовместима.

Архитектура MISC (Multipurpose Instruction Set Computer) — многоцелевая командная система управления компьютером, сочетает в себе преимущества CISC и RISC. Элементная база состоит из отдельных частей (могут быть объединены в одном корпусе): основная часть (HOST — ведущая), архитектуры RISC CPU, а расширяемая часть — с подключением ПЗУ (ROM) микропрограммного управления. При этом вычислительная система приобретает свойства CISC: — основные команды работают на HOST, а команды расширения образуют адрес микропрограммы для своего выполнения. HOST выполняет команды за один такт, а расширение эквивалентно CPU со сложным набором команд (CISC). Наличие ПЗУ устраняет недостаток RISC, связанный с тем, что при компиляции с языка высокого уровня код операции (микропрограмма) уже дешифрирована и открыта для программиста.

Типы микропроцессоров.

Как известно, микропроцессоры бывают трех типов:

— однокристальные микропроцессоры,

— однокристальные микро-ЭВМ (All-In-Once — все в одном),

— секционные микропроцессоры (bit-slise — частичное расслоение).

1) Однокристальные микропроцессоры характерны тем, что:

— система команд фиксирована;

— содержат основные элементы кристалла: АЛУ, дешифратор команд, узел микропрограммного управления, узел управления обменом;

— не позволяют наращивать разрядность обрабатываемых слов каскадированием;

— шины данных, адреса, управления — мультиплексируемы.

2) Однокристальные микро-ЭВМ (ОМЭВМ) отличаются тем, что:

— кроме микропроцессора, кристалл включает в себя обрамление: ГТИ, контроллер прерываний, порты, таймер, ОЗУ, буфер команд;

— их применение очень просто (например, контроллер KBD в РС):

— вследствие низкой тактовой частоты, производительность ОМЭВМ невелика, но они и не предназначаются для высокоскоростных операций.

3) Секционные микропроцессоры характерны тем, что:

— допускают наращивание разрядности объединением одноименных линий нескольких чипов одинакового назначения;

— дезинтегрированы на отдельные компоненты АЛУ и ИМС обрамления;

— позволяют наращивать разрядность шин данных, адреса, АЛУ и объем подключаемой оперативной памяти:

— могут работать в разных системах команд, в соответствии с прошивкой микропрограмм.

Персональные компьютеры, в подавляющем большинстве выполняются на однокристальных микропроцессорах. Одни их первых, разработанные фирмой IBM, выполнялись на микропроцессорах i8088, позже — на 8086. Первый АТ-компьютер был выполнен с использованием микропроцессора i80286, после разработки фирмой Intel микропроцессоров i80386 и i80486, выпускались компьютеры типа РС-386 двух модификаций, позже PC-486 в трех модификациях. Дальнейшее развитие персональных компьютеров стало возможным после разработки и выпуска нового семейства микропроцессоров типа Pentium. Сравнительные характеристики микропроцессоров семейства 80×86 и Pentium приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Сравнительные характеристики однокристальных CPU семейства 80×86.