5257

71

сти установить их, удостоверившись, что эта версия исправляет именно те недостатки, которые были выявлены в вашем компьютере.

Особо следует подчеркнуть, что данная процедура может выполняться только квалифицированными специалистами, иначе вся компьютерная система "зависнет". Общий принцип, которого следует придерживаться: если компьютер работает стабильно и никаких недостатков в его работе, связанных с BIOS, не выявлено, то обновлять BIOS не следует.

Кроме указанных плюсов в технологии Flash ROM есть и слабые стороны. Так, существует группа вирусов, которая, пользуясь возможностью изменять содержимое BIOS, стирает или изменяет его настройки так, что компьютер становится неработоспособным. Из-за неправильного или повреждённого BIOSа компьютер отказывается загружаться. Исправить такую ситуацию можно только в сервисном центре, где в специальном устройстве – программаторе – на микросхему Flash ROM будет записана исходная версия BIOS.

Свои настройки BIOS хранит в так называемой CMOS RAM (Complementary Metal Oxide Semiconductor Random Access Memory – память с произвольным до-

ступом). CMOS RAM называется так потому, что она выполнена на основе CMOS-структур, которые отличаются малым энергопотреблением. CMOSпамять является энергонезависимой (в отличие от оперативной) только потому, что постоянно подпитывается от аккумулятора, расположенного на системной плате. В то время, когда компьютер включён, CMOS RAM питается от блока питания компьютера. Энергопотребление CMOS RAM настолько мало. Даже при выключённом компьютере и отсутствующей батарее питания её содержимое может сохраняться более суток только за счёт остаточных зарядов на конденсаторах блока питания.

В CMOS RAM хранится информация о текущих показаниях даты и часов, значении времени для будильника, о конфигурации компьютера: количестве оперативной памяти, типах накопителей и т. д. В случае повреждения микросхемы CMOS RAM (а также разряде батареи или аккумулятора) BIOS имеет возможность воспользоваться настройками по умолчанию.

При включения компьютера на процессор подаётся напряжение питания и он «просыпается». Первыми прочитанными процессором командами являются инструкции из BIOS (об этом заботятся микросхемы системной платы). Первой запускается POST (Power On Self Test) – программа самотестирования. POST выполняет следующие шаги:

72

инициализирует системные ресурсы и регистры чипсетов, систему управления электропитанием;

определяет объём оперативной памяти (RAM) и тестирует её;

проверяет работоспособность и инициализирует видеоадаптер;

определяет подключение клавиатуры и мыши;

тестирует последовательные и параллельные порты;

инициализирует дисководы и контроллеры жёстких дисков;

отображает итоговую системную информацию.

Все эти действия скоротечно отображаются на экране монитора (в чёрнобелом варианте) и их можно проследить и даже проанализировать, нажав кла-

вишу «Pause/Break».

В процессе работы BIOS сравнивает данные текущей системной конфигурации с информацией, хранящейся в CMOS, и при необходимости обновляет её. Если при выполнении какого-либо шага возникли сбои, BIOS информирует об этом сообщениями на экране монитора, а если это невозможно (например, ещё не был проинициализирован видеоадаптер), выдаёт звуковые сигналы через системный динамик. Количество и комбинация гудков (коротких и длинных) соответствует кодам ошибки, которые можно узнать из документации. Некоторые системные платы снабжаются жидкокристаллическим индикатором, где отображаются стадии прохождения POST-тестов и коды возникших ошибок.

После того как все POST-задания завершены, BIOS приступает к поиску про- граммы-загрузчика. BIOS проверяет первый сектор (512 байт) жёсткого диска на наличие этой программы. В компьютерах, основанных на BIOS, именно здесь, как правило, располагается главная загрузочная запись (MBR). Она определяет, в каком разделе находится загрузчик операционной системы, и передаёт ему управление, а тот, в свою очередь, запускает ОС.

BIOS позволяет загружать операционную систему не только с жёсткого диска, но и с приводов DVD-ROM, с ZIV-устройства или Flash накопителей. Порядок перебора дисков или устройств при поиске загрузчика задаётся в настройках BIOS. Если загрузчик найден, он помещается в память и ему передаётся управление. После этого он находит и помещает в память собственно программу загрузки операционной системы (operation system loader), которая загружает, инициализирует и конфигурирует операционную систему и драйвера устройств. И уже в завершение, когда операционная система загружена, всё управление передаётся ОС: Windows или другой альтернативной системе.

73

BIOS реализует свои функции через систему прерываний программного обеспечения. Прерывания программного обеспечения приводят к тому, что микропроцессор приостанавливает выполнение текущей задачи и начинает выполнять подпрограмму по обработке прерывания.

Проблема BIOS в том, что ограниченным числом подпрограмм невозможно оптимальным образом закрыть все потребности программного обеспечения и все особенности работы оборудования. Таким образом, использование подпрограмм BIOS не всегда является благом. В частности, эти подпрограммы реализуют некоторые функции компьютера очень медленно. Другим отрицательным моментом является то, что BIOS не позволяет полностью использовать возможности имеющегося оборудования. Поэтому все современные операционные системы, обладая развитой системой обнаружения, конфигурирования и работы с аппаратным обеспечением компьютеров посредством включённых в неё драйверов, не пользуются услугами BIOS.

Сегодня производители системных плат отказываются от использования старых BIOS. Например, Intel разрабатывает новые технологии, которые позволят перераспределить функции BIOS между чипсетом и расширениями операционной системы и соответственно снять ряд функций с этого компонента ПК.

В 2001 году Intel совместно с другими компаниями (AMI, Inside Software Corp.) предложила технологию, которая заменяет классическую BIOS. Новая технология называется EFI (Extensible Firmware Interface). EFI представляет собой тип интерфейса между микропрограммами, оборудованием и операционной системой компьютера. EFI существенно улучшает старый интерфейс BIOS. Первоначально спецификация EFI была разработана самой Intel. С 2005 г. разработку EFI курирует Unified EFI Forum (UEFI), и с этого момента он получил такое же название – UEFI. Тем не менее в учебной компьютерной литературе употребляются оба названия. Каждая новая версия BIOS имела свой серийный номер. Стандарт UEFI также имеет подобную спецификацию. В июле 2013 была утверждена одна из последних версий – UEFI 2.4.

Микросхемы flash-памяти для хранения BIOS имеют различную ёмкость, в старых компьютерах используются чипы объёмом 1 – 2 Мбит (128 – 256 Кб), а в современных системах – 4 – 8 Мбит и более (512 Кб – 1 Мб и более). Ещё одна особенность заключается в том, что некоторые современные платы имеют две микросхемы UEFI BIOS, рядом с которыми расположены два переключателя, позволяющие перезагрузить или обновить BIOS.

Система UEFI хранится не во флэш-памяти (Flash ROM) на системной плате,

74

как в BIOS, а в недоступных программных разделах жёсткого диска. На этот программный модуль, который входит в состав операционной системы нового поколения и возлагаются обязанности BIOS. UEFI поддерживается 32- и 64разрядными операционными системами и платформами. UEFI сегодня устанавливается на всех современных платах Intel, ASUS, MSI и других производителей.

UEFI снабжена новыми функциями и служебными программами (например, поддержка сетевых функций администрирования), которые нельзя было реализовать в старой среде BIOS. Интерфейс UEFI реализован в виде графической оболочки и настраивается с помощью мыши. Он является заменой интерпретатора командной строки и текстового интерфейса BIOS (в BIOS настройка осуществлялась только клавиатурой). Настройку параметров системы в старом BIOSе можно было выполнить только на английском языке, а UEFI на некоторых системных платах допускает это производить и на русском языке, что снижает трудоёмкость настройки и возможные критические ошибки.

Другим преимуществом UEFI является ускорение старта системы. Кроме того, в отдельном UEFI-разделе можно хранить множество приложений. Так, ещё до загрузки самой ОС можно запустить программу диагностики, антивирусное ПО или утилиту управления системой.

Windows 8, начиная с UEFI 2.3.1, закрывает пробелы в безопасности, которые заключались в том, что позволяли любому загрузчику, в том числе содержащему руткит, загружаться раньше операционной системы. В отличие от BIOS, UEFI даёт загружаться программам, только подтверждённым загрузчикам ОС и в случае, если разрешена безопасная загрузка. Это означает, что вредоносное ПО в загрузчиках находиться больше не сможет.

Прежний BIOS ПК позволял получать доступ только к 232 секторам размером 512 байт, то есть максимум к 2 Тбайт (2,2 ТБ) дискового пространства. UEFI же работает с таблицами разделов GUID (GPT, GUID Partition Table), в которых размер адреса составляет 64 бита, и поддерживает до 264 секторов, то есть способен обращаться к девяти зеттабайтам (9 млрд терабайт).

5.4. Слоты системной платы

Кроме системной шины на материнской плате есть ещё шины ввода-вывода, которые отличаются друг от друга по архитектуре и назначению. Они получили название локальные.

В персональных компьютерах предыдущих поколений физическая реализа-

75

ция локальных шин была осуществлена в следующих стандартных разъёмах

(слотах): ISA, EISA, VESA, VLB, PCI и AGP. ISA, EISA, VESA, VLB и AGP – в

настоящее время являются устаревшими и не поддерживаются на новых материнских платах. Сегодня все материнские платы базируются на шинах PCI и PCI Express различных версий.

Указанные стандарты различаются по количеству одновременно передаваемых бит (разрядность), скорости передачи сигналов (тактовая частота) и по протоколам их обслуживания.

ISA (Industrial Standard Architecture – промышленная стандартная архитекту-

ра). Первая 8-разрядная шина ISA появилась в 1981 году, а в 1984 году появился её 16-разрядный вариант. Первые шины ISA фактически были единственным типом, но различались затем по тактовой частоте 8 МГц и 16 МГц. Следует отметить, что шины ISA практически 10 лет являлись единственными на материнских. До 1987 года IBM отказывалась публиковать полное описание ISA, многие производители железа решились на разработку собственных шин. Так появилась 32-разрядная шина ISA, которая не нашла применения, но фактически предопределила появление шин следующих поколений MCA и EISA. Появилась насущная необходимость в 32-разрядной шине ввода-вывода. Вместо того что бы продолжить дальнейшую разработку ISA, в IBM создали новую шину MCA (Micro Channel Architecture – микроканальная архитектура), которая во всех отношениях превосходила свою предшественницу. Но этот стандарт просуществовал не долго, и вскоре фирмой Compaq была разработана новая шина EISA.

EISA (Extended Industry Standard Architecture – расширенная промышленная стандартная архитектура). Основное её отличие заключалось в 32-разрядной технологии, что привело к увеличению скорости обмена данными. При этом была сохранена совместимость с платами, рассчитанными для работы с ISA. Скорость передачи данных уже равнялась 33 Мбайт/сек. Но по-прежнему внутренняя тактовая частота осталась низкой – 8,33 МГц. С повышением тактовых частот и разрядности процессоров настала насущная проблема в повышении скорости передачи данных в шинах. В 1992 году появился ещё один расширенный вариант ISA – VLB (VESA Local Bus) – Video Electronic Standard Association.

VLB была локальной шиной, которая не изменяла, а дополняла существующие стандарты. Просто к основным шинам добавлялось несколько новых быстродействующих локальных слотов. Популярность шины VLB продлилась до 1994 года. Скорость передачи данных VLB равнялась 128 – 132 Мбайт/сек, а разрядность – 32. Тактовая частота достигала 50 МГц, но реально не превышала 33

76

МГц в связи с частотными ограничениями самих слотов. Основная функция, для которой была предназначена новая шина, – обмен данными с видеоадаптером. Но новая шина имела ряд недостатков, которые не позволили ей долго просуществовать на рынке.

В 1991 году начались разработки новой локальной шины PCI. PCI (Peripheral Component Interconnect bus) – шина соединения периферийных компонентов. И в июне 1992 года появился этот новый стандарт – PCI (2.0), разработчиком которого была фирма Intel совместно с другими компаниями Compaq, HP и др. Это было своеобразной революцией. Разнообразие плат расширения и устройств, использующих шину PCI в этот период, было велико. Тактовая частота шины PCI была равна 33 МГц и 66 МГц. Разрядность – 32 или 64. Скорость передачи данных – 132 Мбайт/сек или 264 Мбайт/сек. Шина PCI обеспечивает самоконфигурируемость периферийного (дополнительного) оборудования – поддержку стандарта Plug and Play, исключающего ручную конфигурацию аппаратных параметров периферийного оборудования при его изменении, или наращивании. Операционная система, поддерживающая этот стандарт, сама настраивает оборудование, подключённое по шине PCI, без вмешательства пользователя.

До 1997 года графическая подсистема сильно нагружала шину PCI. Постоянное усовершенствование видеокарт привело к тому, что физических параметров шины PCI стало не хватать, что и привело к появлению в 1997 г. новой шины AGP (Accelerated Graphics Port). AGP – специализированная 32-разрядная шина для работы с графическим адаптером, разработанная в 1997 году компанией Intel. Выпуск вместе с чипсетом Intel 440LX ускоренного графического порта AGP послужил двум целям – увеличить графическую производительность и разгрузить передачу графических данных с шины PCI. Поскольку графическая информация стала передаваться по шине нового стандарта, перегруженная шина PCI смогла освободиться для работы с другими устройствами.

На материнских платах этот порт существовал в единственном виде. Ни физически, ни логически он не зависит от PCI. Первому стандарту AGP 1.0 соответствовала тактовая частота 66 МГц. Следующая версия, AGP 2.0, появилась на свет в 1998 году, и скорость передачи данных – 533 Мбайт/сек (2х) и 1066 Мбайт/сек (4х). Последней версией AGP явилась AGPх8 (2004–2005гг.). Большим достижением AGP являлось то, что эта спецификация позволяла получить быстрый доступ к оперативной памяти.

Однако AGP явился лишь первым шагом в деле уменьшения нагрузки на шину PCI. Следующим шагом в увеличении пропускной способности явилась раз-

77

работка шина PCI Express. Она была призвана заменить шину PCI и взять на себя задачу по связи компонентов внутри компьютера на ближайшую перспективу.

PCI Express стандарта 1.0 – последовательная двунаправленная шина, разработанная в 2004 г. некоммерческой группой PCI-SIG, в состав которой входили такие кампании, как Intel, Microsoft, IBM, AMD, Sun Microsystems и др.

Шина PCI Express требует наличия меньшего числа проводников на печатной плате, облегчая конструкцию платы (её типоразмер уменьшился более чем в 2 раза), тем самым увеличивая эффективность, так как освободившееся место можно использовать для других компонентов.

Шина поддерживает совместимость с PCI на программном уровне, то есть операционные системы будут загружаться без каких-либо изменений. Кроме того, конфигурация и драйверы устройств PCI Express будут совместимы с существующими PCI-вариантами.

Одна из наиболее значительных функций PCI Express заключается в возможности масштабирования скорости, используя несколько линий передачи. Физический уровень поддерживает ширину шины х1, х2, х4, х8, х12, х16 и х32 линий. Передача по нескольким линиям прозрачна для остальных слоёв.

Поскольку PCI Express обеспечивает скорость передачи 200 Мбайт/с уже при ширине х1, шина является очень эффективным решением по отношению стоимость/число контактов. Шин PCI Express х16 позволяет достичь пропускной способности 4 Гбайт/с в каждом направлении (суммарная пропускная способность 8 Гбайт/с) для графики, что более чем в два раза больше пропускной способности AGP 8х. Шина PCI Express 1.0 работает на тактовой частоте 2,5 ГГц, при этом пропускная суммарная способность одного канала составляет 400 (двунаправленный режим передачи) Мбайт/с. Теоретическая максимальная суммарная пропускная способность 32-канальной шины составляет 12,8 Гбайт/с.

Другими словами, спецификация описывает несколько видов соединений и разъёмов: PCI Express 1x, 4x, 8x, 16x. Первый состоит из одной так называемой Lane. Последний – из шестнадцати. Соответственно, пропускная способность первого составляет 500 Мбайт/с в обе стороны, а последнего – 8 Гбайт/с (по 4 Гбайт/с в каждую сторону). При этом все 20 имеющихся групп Lane могут быть произвольным образом распределены между разъёмами 1х, 4х, 8х, и 16х. Разъёмы совместимы снизу вверх, то есть PCI Express 1х карту можно вставить в разъём PCI Express 4х, 8х, или же 16х. Но не наоборот. Остаётся добавить, что на настольных ПК в основном применяются шины 1х и 16х. Следует также обратить внимание на уменьшение габаритов PCI Express по сравнению с PCI. На

78

начальных этапах PCI Express был предназначен для подключения видеокарты, которые были достаточно дороги. В настоящее время все типы видеокарт изготавливаются для шины PCI Express. Производители других компонентов компьютера также активно разрабатывают новые устройства под эту шину.

Следующий стандарт – PCI Express 2.0, представленный в 2007 года, увеличил пропускную способность шины в 2 раза. Для одного канала шины суммарная пропускная способность составила 800 Мбайт/с, а для 32-канальной шины – 25,6 Гбайт/с. В последней версии – PCI Express 3.0, представленной в 2010 года, пропускную способность шины увеличили еще в 2 раза. Таким образом, для одного канала шины суммарная пропускная способность стала 1,6 Гбайт/с, а для 32канальной шины – 51,2 Гбайт/с. PCI Express 3.0 только выходит на рынок, уже разработаны чипсеты и первые материнские платы с поддержкой этой шины.

Сегодня шина PCI Express является основной для подключения внутренних устройств ПК и постепенно вытесняет обычную шину PCI.

Для справки можно отметить, что для IBM совместимых ПК на ряде системных плат были представлены ещё несколько слотов, которые не получили широкого распространения и были вытеснены более быстродействующими и универсальными разъёмами. Такими являлись: AMR (Audio/Modem Riser), CNR (Communications and Networking Riser), которые предназначались для установки звуковых карт или внутренних модемов.

Компанией Intel в конце 1990-х г. были разработаны шины MCA (Micro Channel Architecture), LPC (Low Pin Count), которые являлись альтернативой ISA

для подключения таких медленных устройств ПК, как накопители на гибких дисках, инфракрасный порт, интерфейс PS/2 и т.п. Но в итоге они не были в должной мере востребованы и практически не использовались.

5.5. Порты ввода-вывода

Порты предназначены для соединения периферийных устройств с материнской платой. Существует несколько категорий портов. Их можно разделить на проводные и беспроводные; параллельные и последовательные; скоростные и низкоскоростные; для подключения одного устройства и нескольких.

Параллельные порты (LPT). Чаще всего параллельные порты LPT использовались для подключения к компьютеру печатающих устройств (принтеров или плоттеров). В 1990-х годах, когда активно применялись внешние ZIPустройства, они также подключались посредством LPT. Параллельные порты

79

LPT применяются более трёх десятилетий, начиная с первых поколений ПК. На некоторых компьютерах их было до трёх (LPT-1,-2,-3). Сегодня LPT не находят применения, так как фактически всё периферийное оборудование имеет в наличии более современные способы соединения, в частности, посредством USB. Практически все производители материнских плат в последнее время отказываются от установки этих портов.

Параллельные порты получили своё название благодаря методу передачи данных, т. к. они способны передавать информацию синхронно байтами одновременно по восьми линиям.

Сигналы данных могут дополнительно обеспечиваться собственными сигнальными линиями заземления – по одному на каждый канал данных. В таком случае число сигналов возрастает до 25. Для соединения компьютера с устройством при помощи параллельного интерфейса используется 25-контактный разъ-

ём Centronics.

Параллельные интерфейсы имеют невысокую скорость передачи данных (до 150 Кбайт/с) и низкую помехоустойчивость, что позволяет использовать кабель длиной не более 3 м.

Последовательные порты (СОМ). Последовательные порты передают данные последовательно по одному биту. Для передачи и приема в них используются два канала (один – для передачи другой – для приема) и несколько дополнительных сигнальных линий.

Для соединения последовательных портов используются 9- и 25-контактные соединительные разъёмы. Последовательные порты имели также небольшую скорости работы (50, 75, 100, 110, 200, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200,

38400, 57000 и 115000 бит/с) и высокую помехоустойчивость, что позволяло использовать соединительный кабель длиной до 75 м и более.

Последовательные порты применялись для подключения к компьютеру принтера, модема, мышки, ручного сканера и т. п., а также простого варианта соединения двух компьютеров между собой. Порты COM использовались на первых поколениях персональных компьютеров. И на материнских платах их было от одного до трёх (COM-1,-2,-3; или COM A, COM B). В настоящее время они используются редко.

Порт PS/2. Во второй половине 1980-х годов компания IBM выпустила серию ПК под названием PS/2, у которых был специальный небольшой круглый разъём для мыши, который впоследствии и стал называть PS/2. В компьютерах имелись два разъёма PS/2: для подключения мыши и клавиатуры. Для удобства

80

их подключения они незначительно отличались по конфигурацию и цветовым оттенкам.

Порт USB. USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) – интерфейс для подключения различных внешних устройств. На сегодняшний день он является самым распространённым и востребованным портом на материнской плате. Посредством его подключается практически вся периферия, включая клавиатуру и другие малоизвестные устройства.

Спецификация периферийной шины USB разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности – Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Они применяются для подключения компьютерной периферии по стандарту «plug and play», в результате чего нет необходимости в установке дополнительных плат в слоты расширения и переконфигурирования системы.

Первая версия интерфейса USB – USB 1.0, разработана в ноябре 1995 года. В 1998 году она была усовершенствована и в результате принят стандарт USB 1.1, который и получил массовое распространение. Скорость передачи данных по USB 1.1 достигала до 12 Мбит/с.

Порт USB впервые появился на компьютерах Pentium II. Одним из важных преимуществ USB заключается в том, что отпала необходимость перезагружать или выключать компьютер, а также запускать программы установки и конфигурирования после подключения периферийных устройств. Шина USB позволяет одновременно подключать последовательно до 127 устройств, например, датчики.

USB самостоятельно определяет, добавлено устройство или отключено, благодаря продвинутой логике, реализованной в новых чипсетах. Шина автоматически определяет, какой системный ресурс, включая программный драйвер и пропускную способность, нужен каждому периферийному устройству, и делает этот ресурс доступным без вмешательства пользователя.

USB имеет несколько стандартов, зависящих от этапов развития поколений ПК: USB 1.0, USB 1.1 – Pentium II; USB 2.0 – Pentium III и Pentium – 4; USB 2.0 и USB 3.0 для Intel Core различных моделей. Современные материнские платы предлагаются с 6 – 8 портами USB 2.0 и 2 – 6 портами USB 3.0. Стандарт USB 3.0 вышел в ноябре 2008 года. Основное преимущество заключается в десятикратном увеличении скорости обмена, т.е. на порядок выше, чем USB 2.0.

Теоретическая скорость обмена информации заявлена для USB 2.0 до 480 Мбит/с, для USB 3.0 – до 5 Гбит/с. Следует также отметить, что он применяется и для подключения среднескоростных и низкоскоростных периферийных