Архітектура комп'ютерів

Одним з найпростіших і ефективніших способів діагностики стану материнських плат при технічному обслуговуванні і ремонті персональних комп'ютерів є використання результатів виконання спеціальної процедури BIOS під назвою «Самотест по включенню живлення» – POST (Power  On  Self  Test), яка автоматично виконується при кожному включенні живлення («холодний старт») комп'ютера до початку завантаження операційної системи. Ця ж процедура виконується і при натисненні на кнопку RESET або комбінацію клавіш Ctrl-Alt-Del («гарячий старт»).
Основною метою процедури POST є перевірка правильності функціонування і необхідна для подальшої роботи комп'ютера початкова ініціалізація основних пристроїв і підсистем комп'ютера (таких як процесор, пам'ять, інші пристрої материнської плати, відеоконтроллер, контроллери клавіатури, гнучкого і жорсткого дисків і т.д.) перед завантаженням операційної системи.
Перед початком кожної операції процедура POST генерує спеціальний код розміром один байт (від 00 до FFh), що називається POST-кодом, і записує його значення в спеціальний діагностичний порт в адресному просторі пристроїв вводу-виводу (у комп'ютерах типу IBM  PC/AT для цього виділений порт з адресою 80h, який використовується і в більшості інших IBM-сумісних комп'ютерів).
Якщо при перевірці або ініціалізації пристрою відбувається виявлення фатальної помилки, подальше виконання процедури POST припиняється, а POST-код, заздалегідь виведений в діагностичний порт, однозначно визначає операцію, на якій відбулася зупинки процедури POST, а отже, і несправний пристрій. У випадку, якщо помилка не є фатальною, видається звуковий сигнал, і процедура POST виконується далі.
Проте слід мати на увазі, що таблиці POST-кодів різні для BIOS різних виробників, а у зв'язку з появою нових тестованих пристроїв і чіпсетів дещо відрізняються навіть для різних версій BIOS одного і того ж виробника. Оригінальні і достовірні таблиці POST-кодів можна знайти на відповідних сайтах виробників BIOS. Іноді таблиці POST-кодів приводяться в керівництві до материнських плат. 
Наприклад, для Award BIOS версії 4.51 послідовність виконання процедури POST складається з наступних основних етапів:

1. Тест програмно-доступних регістрів процесора (POST-коди: 01, 02).
2. Перевірка періоду регенерації оперативної пам'яті (POST-код: 04).
3. Ініціалізація контроллера клавіатури (POST-код: 05).
4. Попередня перевірка працездатності незалежної пам'яті (СMOS) і стану батареї живлення СMOS (POST-код: 07).
5. Ініціалізація регістрів чіпсетового набору значеннями, прийнятими за змовчуванням (POST-код: BE, hex).
6. Перевірка наявності і визначення розміру оперативної пам'яті (POST-код: C1, hex).
7. Визначення наявності і розміру зовнішньої кеш-пам'яті (POST-код: С6, hex).
8. Перевірка перших 64  кб оперативної пам'яті (POST-код: 08).
9. Ініціалізація векторів переривань (POST-код: 0А, hex).
10. Перевірка контрольної суми CMOS (POST-код: 0В, hex).
11. Виявлення і ініціалізація відеоконтроллера (POST-код: 0D, hex).
12. Перевірка відеопам'яті (POST-код: 0E, hex).
13. Перевірка контрольної суми BIOS (POST-код: 0F, hex).
14. Перевірка контроллерів і регістрів сторінок DMA (POST-коди: 10, 11, hex).
15. Перевірка системного таймера (POST-код: 14, hex).
16. Перевірка і ініціалізація контроллерів переривань (POST-коди: 15...18, hex).
17. Ініціалізація слотів шин розширення (POST-коди: 20...2F, hex).
18. Визначення розміру і перевірка основної і розширеної пам'яті (POST-коди: 30, 31, hex).
19. Повторна ініціалізація регістрів чіпсетового набору відповідно до значень, встановлених в CMOS Setup (POST-код: BF, hex).
20. Ініціалізація контроллера FDD (POST-код: 41, hex).
21. Ініціалізація контроллера HDD (POST-код: 42, hex).
22. Ініціалізація COM- і LPT-портів (POST-код: 43, hex).
23. Виявлення і ініціалізація математичного співпроцесора (POST-код: 45, hex).
24. Перевірка необхідності введення пароля (POST-код: 4F, hex).
25. Ініціалізація розширень BIOS (POST-код: 52, hex).
26. Установка параметрів Virus Protect, Boot Speed, NumLock, Boot Attempt відповідно до значень, встановлених в CMOS Setup (POST-коди: 60...63, hex).
27. Виклик процедури завантаження операційної системи (POST-код: FF, hex).

Як видно з приведеної послідовності, можливість відображення діагностичних повідомлень на екрані монітора з'являється тільки після ініціалізації відеоконтроллера, і якщо процедура POST зупинилася на одному з попередніх етапів, то побачити на якому саме не представляється можливим.
Проте завдяки тому, що процедура POST перед початком кожного тесту здійснює запис POST-кодів в діагностичний порт виводу, апаратний доступ до якого можливий через шини розширення материнських плат, існує можливість фіксувати і відображати POST-коди всіх виконуваних операцій за допомогою спеціального пристрою, що вставляється в слот шини розширення. Такі пристрої одержали назву POST  Card.
В загальному випадку POST  Card є платою розширення з відповідним краєвим роз'ємом, на якій встановлюється селектор адреси діагностичного порту, регістр-защолка і пристрій індикації. У простому випадку для індикації POST-кодів в двійковому уявленні можуть використовуватися світлодіоди, що не зовсім зручне для спостереження, тому звичайно використовуються два семисегментні цифрові індикатори з дешифраторами для відображення POST-кодів у вигляді шістнадцяткових цифр.
Слід зазначити, що використовування пристрою POST  Card може бути корисним тільки у тому випадку, коли на материнській платі збережена працездатність пристроїв, що забезпечують виконання самої процедури POST: процесора, системи синхронізації, ROM  BIOS, вузлів формування живлячих напруг, контроллерів внутрішньосистемних шин і шин розширення. Інакше, тобто у разі повністю «мертвої» материнської плати, процес відшукання значно ускладнюється, що вимагає розширення можливостей діагностичних пристроїв.
Природно, що для коректної взаємодії з шинами розширення пристрої POST  Card повинні повністю відповідати вимогам специфікацій на ті шини розширення, для підключення до яких вони призначені. Інакше можлива не тільки невірна індикація POST-кодів (як це відбувається з платою POST  Card, що з'явилася на нашому ринку, для шини PCI тайваньської фірми «Costronic»), але і порушення працездатності і навіть пошкодження самих материнських плат.
У зв'язку з цим стисло розглянемо призначення, склад, основні параметри і перспективи розвитку основних типів шин розширення, використовуваних на материнських платах IBM-сумісних персональних комп'ютерів.
Основними характеристиками шин розширення, визначаючими їх потенційні можливості по підключенню різних периферійних пристроїв, є:

• пропускна здатність  (Мб/с);
• розрядність даних;
• розрядність адреси (розмір адресного простору);
• тактова частота (Мгц).

На сьогоднішній день існує декілька стандартів шин розширення, істотно відмінних між собою по характеристиках, протоколам обміну даними і по конструкції роз'ємів, які набули більш менш широке поширення.
Таблиця 1. Перелік і характеристики основних типів шин розширення IBM-сумісних ПК

Інтерфейси шин розширення почали свою історію з 8-бітової шини ISA-8, яка використовувалася в ПК IBM  PC і IBM  PC/XT. З появою IBM  PC/AT розрядність даних і адреси була розширена (див. табл.  1) за рахунок установки додаткового роз'єму, і у такому вигляді шина ISA-16 (Industry Standard Architecture), будучи найпоширенішою шиною розширення ПК, існує і до теперішнього часу.
Потреба у високопродуктивному обміні для серверних платформ викликала створення шини EISA (Extended  ISA), в яку можна вставляти і ISA-адаптери, проте унаслідок великої вартості ця шина не одержала широкого застосування для найпоширеніших офісних ПК.
Шина MCA (Micro Channel Architecture), висунута IBM як прогресивна альтернатива шині ISA, не була підтримана виробниками клонів PC (різновидів IBM-сумісних комп'ютерів), оскільки її специфікація не була відкритою. В результаті вона практично відмерла разом з сімейством комп'ютерів IBM  PS/2, для якого, власне кажучи, і була розроблена.
З появою 486-го процесора народилася локальна шина VLB (Vesa Local Bus), слот якої був доповненням до слота шини ISA, проте принципова прив'язка VLB до шини 486-го процесора виключала можливість її роботи з процесорами наступних поколінь.
Одночасно з 486-м процесором з'явилася і інша швидкісна шина PCI (Peripheral Component Interconnect), яка на відміну від VLB не була прив'язана до конкретного типу процесора, що і зумовило її широке застосування не тільки у всіх подальших поколіннях IBM-сумісних платформ, але і в «не-PC платформах» (наприклад в Power  PC і деяких інших потужних платформах для серверів, робочих станцій, промислових комп'ютерів). Крім того, шина PCI задовольняє стандарту Plug  and  Play («включай і працюй», принцип автоматичного розподілу системних ресурсів між периферійними пристроями).
Подальшим розвитком шини PCI з'явилася спеціальна шина AGP (Accelerated Graphics Port) – прискорений графічний порт, призначений для підключення потужних графічних і відеоадаптерів моніторів.
Основні особливості шини PCI полягають у великій розрядності даних (до 64  розрядів) і адреси (32  розряди) і, головне, у високій тактовій частоті шини (33  Мгц при напрузі живлення 5  В і 66  Мгц при напрузі живлення 3,3  В), що пред'являє високі вимоги не тільки до швидкодії елементної бази плати розширення, але і до їх конструктивного виконання. Крім того, шина PCI має набагато складнішу логічну організацію і відповідно складніший протокол обміну даними по шині. 
Фахівцями дослідницького відділу сервісного центру фірми «ЕПОС» була виконана розробка і підготовлений випуск власних пристроїв для діагностики і пошуку несправностей материнських плат персональних комп'ютерів з шиною PCI – діагностичної плати PCI  TESTCARD.
При розробці цих пристроїв переслідувалася мета створення недорогого, але разом з тим досить ефективного інструменту, істотного полегшуючого процес відновлення несправних, у тому числі і повністю непрацездатних, материнських плат.
Перелік функцій, виконуваних діагностичною платою, визначався на основі багаторічного досвіду фахівців сервісного центру у області ремонту материнських плат, з урахуванням ступеня їх необхідності, а також складності (відповідно і вартості) їх реалізації.
Діагностична плата PCI  TESTCARD призначена для ремонту материнських плат і технічного обслуговування IBM-сумісних персональних комп'ютерів з шиною PCI як в стаціонарних умовах сервісних центрів, так і на виїзді (у місцях експлуатації комп'ютерів). Окрім функцій звичних пристроїв POST  Card, діагностична плата PCI  TESTCARD додатково забезпечує:

• можливість відображення стану основних системних і управляючих сигналів шини PCI: CLK, FRAME#, IRDY#, TRDY#, STOP#, RST#, REQ#, C/BE#  [3:0];
• можливість відображення стану сигналів на всіх 32-х лініях адреса/дані шини PCI;
• можливість перевірки працездатності портів вводу-виводу даних всіх периферійних пристроїв материнської плати;
• можливість зміни (установки) розміру селектованого адресного простору портів вводу-виводу , як при реєстрації POST-кодів, так і при перевірці портів периферійних пристроїв;
• можливість відображення POST-кодів в материнських платах, що використовують нестандартні адреси діагностичних портів;
• можливість відображення однобайтових діагностичних повідомлень, формованих спеціальним тестовим ROM  BIOS.

Діагностична плата PCI  TESTCARD виконана з використанням сучасної елементної бази цифрової схемотехніки – швидкодійних (з часом затримки 7...10  нс) програмованих логічних пристроїв (PLD) фірми «Altera» і програмованих логічних матриць (PLM) фірми «Atmel».
Діагностична плата PCI  TESTCARD відповідає вимогам специфікації PCI «Local Bus Specification. Rev.  2.2» для 32-бітової шини PCI з напругою живлення 5  В і можуть застосовуватися для діагностики IBM-сумісних комп'ютерів з будь-яким набором чіпсетів, що підтримують цю шину.
Конкретний перелік функцій, виконуваних діагностичною платою, режими роботи, склад і способи відображення діагностичної інформації залежать від варіанту модифікації діагностичної плати.
Окрім стаціонарних цифрових індикаторів для індикації POST-кодів, встановлюваних на самій платі, передбачена можливість підключення аналогічних виносних індикаторів, що підключаються до плати гнучкими 20-дротяними шлейфами через спеціальні з'єднувачі, що необхідне при експрес-діагностиці конфігурованих комп'ютерів без їх повного розбирання. При підключенні виносного індикатора стаціонарний індикатор відключається, а переносний включається в роботу.
Додаткова «інформація до роздуму» про стан сигналів шини PCI і портів вводу-виводу периферійних пристроїв, яку можна одержати з використанням пристрою PCI  TESTCARD, полегшує і прискорює ухвалення правильних рішень про причини несправностей і способи їх усунення.
Розроблений пристрій може знайти застосування не тільки у професійних ремонтників материнських плат. Він може бути корисний і всім тим, кому доводитися в стислі терміни з'ясовувати причини непрацездатності комп'ютерів або проводить перевірку материнських плат з мінімальними витратами часу: сервісним інженерам (особливо на виїзді), інженерам технічних служб, складальникам комп'ютерів, системним адміністраторам, продавцям комп'ютерів і комплектуючих, словом, всім, у кого є потреба в недорогому і надійному інструменті для швидкої діагностики і усунення несправностей комп'ютерів.
Користування діагностичною платою не представляє особливої складності. Єдина обов'язкова умова полягає в дотриманні простого правила – вставляти діагностичну плату в слот і витягувати із слота допускається тільки при вимкненому живленні комп'ютера або материнської плати, не застосовуючи при цьому надмірних фізичних зусиль (як і при підключенні будь-якої іншої плати розширення). Необхідно також вживати заходи для виключення електричного контакту між елементами, встановленими на платі, і елементами, встановленими на сусідній платі. Установку (встановлення заново) DIP-перемикачів допускається проводити при включеній напрузі живлення, проте слід мати на увазі, що нові установки повністю набувають чинності тільки після рестарту (перезапуску) комп'ютера.
Діагностична плата PCI TESTCARD випускаються в трьох модифікаціях:

• PCI TESTCARD LIGHT;
• PCI TESTCARD MEDIUM;
• PCI TESTCARD MASTER.

Перелік функцій, виконуваних діагностичною платою, режими роботи, склад і способи відображення діагностичної інформації залежать від варіанту модифікації діагностичної плати.
Всі модифікації діагностичної плати забезпечують можливість фіксації і відображення поточних POST-кодів, що виводяться в системний порт з адресою 80h, а також індикацію стану основних системних і управляючих сигналів шини PCI.

Діагностична плата PCI TESTCARD MASTER

Найбільшу функціональну нагоду має діагностична плата PCI TESTCARD MASTER. Подальше розширення діагностичних можливостей цієї плати досягнуте за рахунок введення ще одного режиму роботи – режиму PORT, тобто ця модифікація діагностичної плати має три режими роботи: режим POST, режим LINE і режим PORT.
Режим POST забезпечує виконання наступних функцій:

• фіксація і відображення поточних POST-кодів в шістнадцятковому коді на семисегментному двохрозрядному цифровому індикаторі;
• індикація наявності основної напруги живлення (5  В);
• відображення на світлодіодах стану основних і управляючих системних сигналів шини PCI: CLK, FRAME#, IRDY#, TRDY#, STOP#, RST#, REQ#, C/BE#  [3:0];
• селекція адреси порту  80h може здійснюватися з використанням 10, 16 або всіх 32  біт адресного простору шини PCI, що надає додаткову можливість діагностики стану системних пристроїв і самої шини PCI. Розмір селектіруємого адресного простору встановлюється за допомогою двохрозрядного DIP-перемикача SIZE.

Додатковий режим роботи LINE дозволяє розширити функціональні можливості діагностичної плати за рахунок отримання додаткової інформації про стан сигналів на лініях адреса/дані шини PCI.
У режимі LINEє можливість відображення стану всіх 32-х мультіплексованних ліній адреса/дані AD  [31:0]. Фіксація стану ліній здійснюється у фазі даних при переході в активний стан сигналу готовності ініціатора обміну IRDY#, тобто по спаду цього сигналу. Відображення стану ліній AD  [31:0] здійснюється побайтно на 8-розрядному світодіодному індикаторі. Вибір байта для відображення здійснюється за допомогою DIP-перемикача BYTE, а перемикання режимів роботи (режим POST або режим LINE) здійснюється DIP-перемикачем MODE.
Режим PORT призначений для фіксації і відображення на 8-розрядному світодіодному індикаторі VD1...VD8 даних, записуваних в будь-який системний порт або прочитуваних з будь-якого порту в межах адрес портів від 000h до 3FFh. Необхідна адреса порту встановлюється за допомогою DIP-перемикачів SW1...SW3 (PORT), а напрям передачі (запис в порт / читання з порту), при якому здійснюється фіксація і відображення даних, встановлюється DIP-перемикачем SW7 (DIR). Цей же режим при необхідності може бути використаний для фіксації і відображення на світодіодному індикаторі двійкових значень POST-кодів, в тих окремих випадках, коли POST-коди записуються не в порт з адресою 80h, а в порт з іншою адресою (наприклад, в порт з адресою 84h для PC Compaq). Для цього необхідно просто встановити перемикачами SW1...SW3 необхідну адреса порту, перемикачем SW4 встановити режим PORT, а перемикачем SW7 встановити напрям, відповідний запису даних у вибраний порт.

Стан системних сигналів шини PCI: CLK, RST#, FRAME#, IRDY#, TRDY#, STOP#, REQ# і стан сигналів на лініях кодування команд / дозволи байт С/BE#[3:0] здійснюється безперервно у всіх режимах.
У разі неможливості виконання процедури POST процес відшукання несправності може значно ускладнитися. У цих випадках, а також при необхідності глибшої діагностики, істотні допомоги може надати інформація про стан системних сигналів шини PCI, що відображається на світодіодних індикаторах D9...D20, і особливо додаткова інформація про стан ліній «Адреса/Дані» і стан портів системних пристроїв, що фіксується і відображається в режимах LINE і PORT, реалізованих в модифікаціях PCI TESTCARD MEDIUM і MASTER.

Розташування основних елементів на діагностичній плати PCI TESTCARD MASTER показане на мал.  1, призначення елементів індикації приведене в табл.  2, а призначення перемикачів і з'єднувачів приведене в табл.  3.
Таблиця 2.

Таблиця 3.

Для запобігання виходу діагностичної плати з ладу необхідно дотримуватися наступних правил їх використання:

• Перед установкою діагностичної плати у вільний слот шини PCI необхідно переконатися в справності джерел живлення і наявності номінального значення напруги живлення 5  В на контактах 61, 62 того слота шини PCI, в який вставлятиметься діагностична плата;
• Вставляти діагностичну плату в слот шини PCI і витягувати її із слота слід тільки при вимкненому живленні материнської плати, не застосовуючи при цьому надмірних фізичних зусиль;
• При установці діагностичної плати в слот необхідно вжити заходів для виключення електричного контакту між елементами, встановленими на плати, і елементами, встановленими на сусідній платі;
• Установку (встановлення заново) DIP-перемикачів допускається проводить на встановленій в слот платі і при включеній напрузі живлення, якщо при цьому виключається можливість електричного контакту між елементами, встановленими на плати, і елементами, встановленими на сусідній платі. Проте слід мати на увазі, що нові установки повністю набувають чинності тільки після рестарту (перезапуску) комп'ютера.

ХІД РОБОТИ

1. При виключеному ПК зняти з нього кришку.
2. Вставити POST-карту у вільний слот.
3. Зняти оперативну пам’ять з ПК.
4. Включити ПК.
5. Записати код POST-карти та кількість і довжину звукових сигналів, що видаються ПК.
6. Проробити  вищевказані операції при вставленій пам’яті, але при відключеному жорсткому диску.
7. Визначити виробника та версію BIOS.
8. Згідно таблиці POST-кодів визначити причини несправностей по  POST-кодах індикаторів POST-карти.
9. Занотувати значення інших POST-кодів  для даної версії BIOS.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ.

1. Призначення POST-карт?
2. Принципи роботи POST-карт.

Основні несправності, що визначаються за допомогою POST-карт.

ЗВІТ ПОВИННИЙ МІСТИТИ: