Системная плата первой модели PC содержала несколько функциональных узлов, которые благодаря открытому описанию приобрели надежный статус неприкосновенности, гарантируемый несчетным количеством программ и программных продуктов, их использующих. К таким узлам относятся следующие:

· Схемы предоставления системных ресурсов - памяти, ввода/вывода, прерываний, прямого доступа к памяти, описанные выше.

· Микросхемы ROM BIOS с программным кодом начального тестирования, запуска и функций ввода/вывода.

· Системный таймер, реализованный на микросхеме 8253, использовавшийся как генератор запросов регенерации памяти, интервальный таймер и тональный генератор для динамика. В AT те же функции выполняла аналогичная микросхема 8254.

· Три системных порта на микросхеме 8255, используемых для интерфейса клавиатуры, чтения переключателей конфигурации, управления звуком и немаскируемыми прерываниями. В AT для интерфейса применили микроконтроллер 8042, переключатели конфигурации упразднили, а остальные функции переложили на один системный порт.

· Канал управления звуком - логическая схема, использующая тональный сигнал таймера и программно-управляемые биты системного порта. На машинах AT такой «синтезатор» мог исполнять даже записанную музыку и речь.

· Последовательный интерфейс клавиатуры, реализуемый на XT аппаратной логики, а на AT с помощью микроконтроллера 8042.

· Память конфигурации и часы-календарь - CMOS RTC - узел, появившийся с АТ.

Со временем элементная база системной платы радикально изменилась, все функции отдельных контроллеров взял на себя чипсет, но программная модель этих узлов сохранилась. Рассмотрим их подробнее.

3. Системный интерфейс PC/XT (8255)

Микросхема 8255 представляет собой программируемый параллельный трехканальный интерфейс, Имеющий три 8-битных порта А, В и С. Порты могут независимо конфигурироваться на запись или чтение в различных режимах, включая и стробирование, но в РС используется самый простой режим 0. Порты А и С работают на ввод, порт В - на вывод. При этом чтение порта В возвратит ранее записанное значение, что используется, когда программа должна модифицировать только определенные биты, не затрагивая остальных. Программирование режимов портов осуществляется через регистр режима во время POST. В дальнейшем выполнение модификации режимов, которое может привести к зависанию интерфейсов, не требуется. Обращение к портам допускается только однобайтными операциями ввода/вывода. Наиболее частое обращение к портам производится для ввода скан-кода клавиатуры, а также для управления звуковым каналом. Назначение программируемого интерфейса ввода/вывода i8255 в РС/XT следующее:

· чтение скан-кодов клавиатуры;

· управление звуком;

· разрешение и идентификация источников NMI;

· чтение байта конфигурации.

Системный порт PC/AT

8-битный системный порт с адресом 61h пришел в архитектуру АТ на смену порту 8255. Поскольку обслуживание клавиатуры перешло на микроконтроллер 8042, а переключатели конфигурации заменили на CMOS-память, функции системного порта PC/AT свелись к следующим:

· управление звуком, сохранившее полную совместимость с ХТ;

· разрешение и идентификация источников NMI, отличающиеся от ХТ.

В этом месте программную модель «посмели» изменить, но это изменение затрагивает небольшое количество сугубо системных программ.

Системный таймер (8252 / 8254)

Микросхемы 8253 и 8254 представляют собой трехканальные программируемые счетчики-таймеры, функционально почти совпадающие, но имеющие различающееся быстродействие (со стороны системной шины) и назначение выводов. С процессорами 80286 без тактов ожидания может работать только 8254, а на системных платах с более современными процессорами те же функции берет на себя чипсет. Внутренние счетчики микросхемы имеют разрядность 16 бит, но общение с ними возможно только 8-битными операциями. При этом можно задавать значение только младшего байта счетчика (LSB), только старшего (MSB) или обоих (LSB/MSB), причем сначала передается младший, а потом старший байт. Назначение счетчиков-таймеров i8253(XT) и i8254(AT) следующее:

· генерация прерываний от системных часов;

· генерация запросов на регенерацию памяти;

· генерация звуковых сигналов.

Входная частота всех каналов 1,19318 МГц. Программирование микросхемы осуществляется записью байт в управляющий регистр по отдельности для каждого канала.

6. Канал управления звуком ( PC Speaker )

Стандартный канал управления звуком Speaker рассчитан на подключение высокоомного малогабаритного динамика. Звук формируется из тонального сигнала от второго канала таймера, работой которого можно программно управлять. Частоту сигнала (тон) можно изменять, программируя коэффициент деления счетчика, а разрешая/запрещая формирование сигнала программно-управляемым битом 0 системного порта 61h, можно подавать сигналы определенной длительности. Такой способ формирования звука мало загружает даже процессор 8086/88 и позволяет исполнять незамысловатые мелодии, причем и в фоновом режиме, посылая команды из очереди по прерываниям от системного таймера. А с учетом физиологии слуха (инерционности восприятия) быстрым переключением частот можно достигать эффекта псевдомногоголосия.

Более интересные звуки можно извлекать, используя принцип широтно-импульсной модуляции, программно осуществляемой через бит 1 порта 61h. В этом случае динамик выполняет роль фильтра нижних частот (инерционного звена) демодулятора. Процессоры, начиная с 80286, способны формировать такой поток управляющих сигналов, который позволяет воспроизводить музыкальный или речевой сигнал с качеством карманного приемника. Однако такое формирование звука процессор загружает практически полностью. Кроме того, качество воспроизведения сильно зависит от частотных свойств динамика. Предпочтительнее более крупные динамики, у которых лучше воспроизведение нижних частот - с ними можно добиться даже разборчивости речи. Драйвер для звукоизвлечения существует также и для Windows 3.x/95, но в стандартную поставку Windows не входит. Теперь для звуковоспроизведения (и звукозаписи) используется ставший почти стандартным двунаправленным аудиоканал. Роль стандартного звукового канала сводится к подачам гудков при загрузке, идентификации ошибок во время POST, когда сообщения на экран еще не вывести, а также к сопровождению сообщений о системных ошибках.

Интерфейс клавиатуры

Для подключения клавиатуры предназначен последовательный интерфейс, состоящий из двух обязательных сигналов KB-Data и KB-Clock. Необязательный сигнал KB-Reset сбрасывает клавиатуру низким уровнем сигнала. Интерфейс на системной плате XT реализован аппаратной логикой - регистром сдвига, параллельный выход которого подключается ко входам порта А системного интерфейса 8255. По приему байта от клавиатуры логика вырабатывает запрос аппаратного прерывания IRQ1, обработчик которого может прочитать принятый байт из порта 60h. С помощью бит 7 и 6 порта 61h возможна программная блокировка и сброс клавиатуры соответственно. Сброс клавиатуры XT осуществляется принудительным обнулением линии KB-Clock.

Интерфейс клавиатуры АТ построен на микроконтроллере i8042, обеспечивающем в отличие от XT двунаправленный интерфейс с клавиатурой. Передача информации к клавиатуре используется для управления индикаторами ее состояния и программирования параметров (автоповтор, набор скан-кодов).

Хотя электрический интерфейс клавиатур XT и АТ совпадает (за исключением возможности двунаправленного обмена в АТ), логические форматы посылок существенно отличаются. POST способен производить диагностику клавиатуры, причем подключение клавиатуры неподходящего типа или не подключенную клавиатуру он воспримет как ошибку. Если проверка клавиатуры разрешена в BIOS Setup, то по этой ошибке POST будет сколь угодно долго дожидаться получения кода нажатия клавиши F1.

Конструктивно возможны два варианта разъема подключения клавиатур - обычная 5-контактная розетка DIN или малогабаритная розетка mini-DIN, пришедшая от компьютеров семейства PS/2. На этот же разъем через плавкий предохранитель поступает и напряжение питания клавиатуры +5В. Электрически и логически интерфейс клавиатуры PS/2 повторяет интерфейс клавиатуры АТ, поэтому для согласования типа разъема применяют специальные переходники. Предпочтительнее использовать переходники, выполненные в виде мягкого кабеля с разъемами. Монолитный переходник, особенно с АТ-клавиатуры на PS/2-разъем системной платы, хуже тем, что малейшее движение кабеля вызывает большой момент силы, выламывающей переходник из маленького гнезда PS/2.

Питание от разъема клавиатуры часто используется такими устройствами, как внешние накопители или адаптеры локальных сетей, подключаемыми к параллельному порту. Плавкий предохранитель, установленный на системной плате, может и не выдерживать броска тока, потребляемого этими внешними устройствами. При этом, естественно, откажется работать и клавиатура - ее индикаторы и не мигнут при включении, как это происходит при ее инициализации. Находится эта неисправность при наличии тестера (и знания возможной причины) достаточно легко.

8. Контроллер клавиатуры РС /AT 8042

Программируемый микроконтроллер i8042 применяется в машинах класса АТ. Его встроенное программное обеспечение хранится обычно и в масочном внутреннем ПЗУ и не допускает изменения, в чем, собственно, и нет необходимости. Эта программа обеспечивает вырабатывания запроса прерывания по приему скан-кода от клавиатуры и отработку управляющих команд от центрального процессора. Кроме управления клавиатурой, через программно-управляемые и программно-читаемые линии внешних портов контроллера формируются сигналы управления вентилем Gate A20, аппаратного системного сброса и считываются сигналы от конфигурационных джемперов системной платы. Контроллер 8242В, кроме интерфейса клавиатуры, поддерживает и аналогичный интерфейс дополнительного устройства, например PS/2-Mouse.

Порт ввода, доступный по команде C0h, используется для чтения состояния джемперов и ключа:

Бит 7 - 0=клавиатура заблокирована ключом (KeyLock).

Бит 6 - исходный режим: 0=CGA, 1=MDA.

Бит 5 - системная перемычка: 0=замкнута.

Бит 4 - системное ОЗУ: 0=512 Кбайт и более, 1=256 Кбайт.

Бит 1 - вход данных дополнительного интерфейса.

Бит 0 - вход данных интерфейса клавиатуры.

Порт вывода, доступный для записи и чтения по командам D1h и D0h соответственно, имеет следующее значение бит:

Бит 7 - последовательные данные клавиатуры.

Бит 6 - синхронизация клавиатуры.

Бит 5 - запрос прерывания от дополнительного интерфейса (IRQ12).

Бит 4 - запрос прерывания от клавиатуры (IRQ1).

Бит 3 - синхронизация дополнительного интерфейса.

Бит 2 - последовательные данные дополнительного интерфейса.

Бит 1 - вентиль линии адреса А20 (Gate A20).

Бит 0 - альтернативный сброс процессора (без формирования общего сигнала сброса).

Контроллер расположен в пространстве ввода/вывода по адресам 60h и 64h, причем по чтению скан-кода клавиатуры из порта 60h сохраняется совместимость с PC/XT. Регистр данных контроллера в режиме записи используется для подачи команд, относящихся к клавиатуре и собственно контроллеру. Признаком готовности контроллера к восприятию команд является нулевое значение бита 1 регистра состояния (порт 064h).

9. Батарейная память и часы - CMOS Memory, RTC

В РС ХТ конфигурация оборудования (объем памяти, количество дисководов и т.п.) задавалась DIP переключателями, состояние которых опрашивалось во время POST. В АТ для хранения подобной информации, состав которой расширился, ввели специальную микросхему памяти КМОП небольшого объема, питание которой при выключенном компьютере осуществляется от батарейки. В ту же микросхему поместили и часы-календарь, также питающиеся от той же батарейки. Эта память и часы - CMOS Memory and Real Time Clock (RTC) - стали стандартным элементом архитектуры РС. Содержимое этой памяти и дату сначала модифицировали с помощью внешней загружаемой утилиты SETUP, позже эту утилиту встроили в BIOS. Микросхемы CMOS RTC имеют встроенную систему контроля непрерывности питания, отслеживающую и разряд батареи ниже допустимого уровня. Достоверность информации конфигурирования проверяется с помощью контрольной суммы.

Доступ к ячейкам CMOS RTC осуществляется через порты ввода/вывода 070h (индекс ячейки) и 071h (данные). Поскольку эта память имеет быстродействие порядка единиц микросекунд, между командами записи адреса и чтения/записи данных необходима программная задержка.