درسنامه آموزشی کتاب مفاهیم پایه فناوری اطلاعات

هدف‌های رفتاری

پس از مطالعه این فصل از هنرجو انتظار می‌رود که:

- برد اصلی رایانه را شرح دهد.
- اجزای مهم برد اصلی را بیان کند.
- محل قرارگیری اجزای داخلی رایانه را روی برد اصلی شناسایی کند.
- گذرگاه‌های رایانه را شناسایی و آن‌ها را شرح دهد.
- درگاه‌های رایانه را شناسایی و شرح دهد.
- تفاوت بین گذرگاه سیستم و گذرگاه دستگاه‌های جانبی را شرح دهد.

مقدمه

برد اصلی یک مدار الکترونیکی است که اجزای سخت‌افزاری یک رایانه بر روی آن قرار می‌گیرد و زمینه اتصال و ارتباط بین واحد پردازنده مرکزی، حافظه و دستگاه‌های ورودی / خروجی را برعهده دارد.

برد اصلی (Mainboard)

این برد، اصلی‌ترین قسمت هر رایانه می‌باشد که تمام قطعات یا بر روی آن نصب و یا به آن متصل می‌شوند. وظیفه اصلی مادربرد ایجاد ارتباط میان تمام قطعات سخت‌افزاری سیستم می‌باشد CD/DVD Drive, VGA Card, Sound Card CPU,RAM,Hard I/O Unit و... به برد اصلی متصل می‌شوند پس می‌توانیم نتیجه بگیریم بدون این قطعه رایانه روشن نخواهد شد.

اجزای برد اصلی: هر برد اصلی بدون در نظر گرفتن نوع، ساختار و یا شرکت سازنده از اجزایی ساخته شده‌اند که در شکل زیر نمایش داده شده است. در این فصل به معرفی اجزای مختلف برد اصلی خواهیم پرداخت.

سوکت پردازنده (CPU Soket)

سوکت CPU دارای چند گیره است که با استفاده از آن‌ها باید CPU را در جای خود ثابت کرد و سپس فن را روی آن قرار داد. به این سوکت ZIF Socket نیز گفته می‌شود. CPU ها مدل‌های مختلف دارند که بنا به نوع مدلشان، بر روی مادربردهایی که از آن نوع CPU پشتیبانی می‌کنند نصب می‌گردند.

سوکت پردازنده دارای حفره‌های بسیار ریزی می‌باشد که پایه‌های CPU درون آن‌ها قرار می‌گیرند. شرکت اینتل سوکت و CPU خاصی را با نام 775 LGA طراحی کرده است که پایه ندارد و سطح زیری آن صاف است و برخلاف سوکت‌های قبلی، پایه‌هایی بر روی سوکت وجود دارد که باعث اتصال بین CPU و سوکت می‌شود. این کار باعث کمتر صدمه دیدن پایه‌های CPU شده و احتمال کج شدن آن را به صفر رسانده است.

شکاف‌های توسعه حافظه اصلی (RAM (RAM Slot

کلمهٔ Slot به معنای شکاف است. در داخل هر Slot یک قطعه سخت‌افزاری قرار می‌گیرد. بردهای اصلی دارای تعدادی شکاف توسعه برای نصب تراشه حافظه می‌باشند که از آن‌ها برای اتصال RAM به برد اصلی استفاده می‌شود.

شکاف‌های (PCI (PCI Slot

برای توسعه سخت‌افزاری سیستم، شکاف‌هایی روی برد اصلی درنظر گرفته شده است تا بردهای سخت‌افزاری از جمله: کارت صدا، کارت گرافیکی، کارت مودم، کارت شبکه و... روی آن نصب شوند. این شکاف‌ها در دو نوع PCI و PCI-E وجود دارند. تعداد این شکاف‌ها در مادربردهای مختلف متفاوت است.

شکاف توسعه کارت گرافیک

در بردهای اصلی قدیمی از شکاف توسعه AGP برای اتصال کارت گرافیکی استفاده می‌شد اما در Mainboardهای جدید برای اتصال کارت گرافیکی از رابط PCI-Express استفاده می‌شود که سرعت و امکانات بهتری را نسبت به AGP ارائه می‌دهد.

اتصال دهنده منبع تغذیه (Power Connector)

خروجی منبع تغذیه توسط اتصال‌دهنده منبع تغذیه به برد اصلی متصل می‌شود. منبع تغذیه، برق شهر را دریافت کرده و به ولتاژهای موردنیاز برای قسمت‌های مختلف رایانه تبدیل می‌کند. ولتاژهای ارسالی از منبع تغذیه به برد اصلی ATX از طریق یک کانکتور 20 پین انتقال می‌یابد.

اتصال دهنده‌های Front Panel

هر جعبهٔ رایانه بر روی خود، کلیدهایی جهت روشن / خاموش کردن و چراغ‌هایی برای نمایش وضعیت عملکرد خاص رایانه دارد. برای هر کلید یا هر چراغ، اتصال دهنده‌ای خاص روی برد اصلی وجود دارد که به معرفی آن‌ها می‌پردازیم:

اتصال‌دهندهٔ Power SW: از صفحه جلوی جعبه رایانه رشته سیمی با نام Power SW خارج شده است که در بخش جلوی جعبه به‌صورت کلید و سر دیگر آن به‌صورت یک اتصال‌دهنده به مادربرد متصل می‌شود. این کلید وظیفهٔ روشن و خاموش کردن رایانه را بر عهده دارد.

اتصال‌دهنده Reset: رشته سیم Reset SW در بخش جلوی جعبه به‌صورت کلید و سر دیگر آن به‌صورت یک اتصال دهنده به مادربرد متصل می‌شود. این کلید موجب راه‌اندازی مجدد رایانه می‌شود.

اتصال‌دهندۀ Power LED: این اتصال‌دهنده در بخش جلوی جعبه به‌صورت یک چراغ LED دیده می‌شود و سر دیگر آن به‌صورت یک اتصال‌دهنده به مادربرد متصل می‌شود. از این چراغ برای نشان دادن روشن یا خاموش بودن سیستم استفاده می‌شود.

اتصال‌دهندۀ HDD LED: این اتصال‌دهنده در بخش جلوی جعبه به‌صورت یک چراغ LED دیده می‌شود و سر دیگر آن به‌صورت یک اتصال‌دهنده به مادربرد متصل می‌شود. روشن بودن آن نشان‌دهندۀ سلامت دیسک‌ سخت می‌باشد.

درگاه‌های (IDE (IDE Port

برای اتصال کابل دیتای دیسک سخت و یا CD/DVD Drive قدیمی به برد اصلی از این اتصال‌دهنده‌ها استفاده می‌شود.

درگاه‌های (SATA (SATA Connector

امروزه در فناوری ساخت دیسک سخت و DVD Drive و... از اتصال‌دهنده‌های SATA استفاده می‌شود. بنابراین برای اتصال آن‌ها به برد اصلی باید از کابل SATA استفاده شود. یک سر کابل به دیسک سخت یا DVD Drive و سر دیگر آن به اتصال‌دهنده‌های SATA متصل می‌شود.

درگاه‌های (SATA (SATA Connector

امروزه در فناوری ساخت دیسک سخت و DVD Drive و... از اتصال‌دهنده‌های SATA استفاده می‌شود. بنابراین برای اتصال آن‌ها به برد اصلی باید از کابل SATA استفاده شود. یک سر کابل به دیسک سخت یا DVD Drive دیگر آن به اتصال‌دهنده‌های SATA متصل می‌شود.

باتری پشتیبان (Battery Backup)

در برد اصلی قطعه‌ای به‌نام CMOS RAM وجود دارد، که در آن اطلاعاتی مانند (تاریخ، ساعت، پسورد BIOS، تنظیمات مربوط به راه‌اندازی سیستم، فرکانس پردازنده) به کمک برنامه BIOS تنظیم می‌گردد، باتری پشتیبان وظیفه تغذیه این IC را دارد. به همین دلیل است که با برداشتن باطری، تاریخ و زمان و پسورد و دیگر تنظیمات BIOS به‌هم می‌ریزد.

تراشه‌های چیپ‌ست (Chipset)

تراشه وظیفه هماهنگ‌سازی و مدیریت اطلاعات بین پردازنده و سایر قطعاتی که به مادربرد متصل هستند را برعهده دارد. در رایانه‌های قدیمی، مادربردها از تعداد بسیار زیادی از مدارات مجتمع (IC) یا چیپ (تراشه) تشکیل شده بودند. در این مادربردها برای هریک از اجزای سیستم یک یا چند تراشه مورد نیاز بود. مثلا برای موس، کیبورد، کارت گرافیک، کارت صدا و قسمت‌های دیگر احتیاج به یک چیپ جداگانه بود همان‌طور که قابل تصور است وجود این همه چیپ متنوع و از هم پراکنده کارایی مادربرد را به شدت کاهش می‌دهد. از این‌رو سازندگان قطعات رایانه‌ای، اقدام به یکپارچه‌سازی این چیپ‌های پراکنده در داخل چیپ‌های کمتری کردند. برای پیاده‌سازی این ایده، به‌جای چیپ‌های زیاد و متنوع، مادربردهایی با دو چیپ به‌وجود آمد.

چیپ شمالی و جنوبی (Southbridge & Northbridge): مادربردهای امروزی با دو چیپ‌ست پل شمالی و چیپ‌ست پل جنوبی ساخته می‌شوند که وظایف و اهداف خاص و مهمی دارند.

وظیفه چیپ‌ست شمالی (Northbridge): چیپست پل‌شمالی وظیفهٔ برقراری ارتباط بین پردازنده و اجزایی مانند RAM و کارت گرافیک (پورت AGP و اسلات PCI-e) را برعهده دارد.

وظیفه چیپ‌ست جنوبی (Southbridge): چیپ‌ست پل‌جنوبی وظیفهٔ برقراری ارتباط بین پردازنده و اجزایی مانند اسلات‌های PCI، کانکتورهای SATA و IDE، درگاه‌های USB، کارت شبکه، پورت‌های ورودی و خروجی را برعهده دارد.

مفهوم بایوس (BIOS (Basic Input Output System

برای درک بهتر مفهوم بایوس لازم است با مفهوم سطوح کنترل رایانه آشنا شوید. همان‌طور که می‌دانید، رایانه دارای سیستم سلسله مراتبی است. برای این‌که کاربر بتواند رایانه را راه‌اندازی کند تا بتواند از برنامه کاربردی مورد نظرش استفاده نماید، سطوح مختلف سیستم به کار گرفته می‌شوند. این سطوح عبارت‌اند از:

1- سطح سخت‌افزار: این سطح پایین‌ترین سطح کنترل در رایانه می‌باشد سطح سخت‌افزار (قسمت‌های قابل مشاهده) از بخش‌های سخت‌افزاری رایانه و سیم‌هایی تشکیل شده است که آن‌ها را به یکدیگر وصل می‌کند.

2- سطح BIOS: سرنام کلمه‌های Basic Input Output System می‌باشد. BIOS مجموعه‌ای از برنامه‌های بسیار کوچک است که سخت‌افزار را به‌طور مستقیم کنترل می‌کند.

3- سطح سیستم عامل: سیستم عامل مجموعه‌ای از برنامه‌ها و زیربرنامه می‌باشد. این برنامه‌ها و زیربرنامه‌ها کارهای گوناگون موردنیاز کاربر را بر روی فایل‌ها انجام می‌دهند. (مثل ذخیره‌سازی داده‌ها)

4- سطح برنامه کاربردی: ارتباط کاربران رایانه در این سطح صورت می‌گیرد. هر دستوری که کاربر در این سطح صادر می‌کند از سطوح مختلف عبور کرده تا قابل فهم برای سطح سخت‌افزار گردد.

برد اصلی دارای تراشه‌ای به‌نام ROM BIOS است که محتویات داخل آن به‌وسیله کارخانه سازنده برد اصلی نوشته می‌شود. این محتویات که عملکرد یک رایانه را کنترل می‌کنند بایاس گفته می‌شود. یک سیستم رایانه به‌طور کلی قادر به پشتیبانی از سخت‌افزارهایی است که محدوده آن توسط بایاس مشخص شده باشد. یعنی برای نصب سخت‌افزار جدید باید بایاس سیستم به‌روزآوری شود.

با توجه به مهم بودن داده‌های بایاس، حذف یا خراب شدن محتویات این حافظه باعث بالا نیامدن سیستم خواهد شد و باید به‌طور مجدد آن را برنامه‌ریزی نمود. گاهی ممکن است سخت‌افزارهای جدیدی به بازار بیاید و امکان پشتیبانی آن توسط بایاس موجود روی سیستم نباشد. سازندگان برد اصلی با توجه به نیازها و سخت‌افزارهای موجود در بازار، برای بایاس بردهای اصلی قدیمی، نسخه‌های جدیدتر را نوشته و در اختیار کاربران قرار می‌دهند و کاربران نیز می‌توانند آن را در بایاس برد اصلی وارد نمایند.

جامپر (Jumper)

جامپر یک قطعه با بدنه پلاستیکی است که قطعه‌ای رسانا در آن وجود دارد. این قطعه رسانا موجب اتصال یا قطع اتصال دو پایه بر روی مادربرد می‌شود. پایه‌های فلزی روی مادربرد به‌صورت پین‌های فلزی 2، 3 و یا چند پایه هستند که برای تنظیمات موردنظر بعضی از سخت‌افزارها (مانند فرکانس پالس ساعت پردازنده، ولتاژ پردازنده و...) به کار می‌روند. اتصال‌دهنده خاصی که به‌طور معمول همراه جامپر هست، وضعیت‌های مختلف جامپر را با توجه به دفترچه راهنمای برد اصلی تنظیم می‌کنند تا برد اصلی و سخت‌افزارهای دیگر بهترین عملکرد را داشته باشند.

مولد پالس ساعت (clock generator)

پالس ساعت وظیفه هماهنگ‌سازی عملکرد یک مدار الکترونیکی را بر عهده دارد. پالس ساعت توسط مولد پالس ساعت تولید می‌شود. مولد پالس ساعت در واقع نوعی نوسان‌ساز است که برای کنترل سرعت قطعاتی از جمله: CPU, GPU, FSB و RAM تغییر می‌کند. مولد پالس ساعت قادر است در هر ثانیه میلیون‌ها پالس تولید کند که با واحد هرتز (Hz) اندازه‌گیری می‌شود. به تعداد پالس‌های تولید شده در یک ثانیه سرعت ساعت گویند. معمولاً سرعت ساعت هر رایانه به‌قدرت پردازنده، برای تعداد دستورات پردازش شده در هر ثانیه بستگی دارد که بر روی پردازنده یا در دفترچه راهنمای آن ثبت می‌شود. تعداد دفعات انجام یک کار یک‌سان در محدوده زمان ثابت را فرکانس آن کار می‌گویند و با واحد هرتز بیان می‌شود.

ساختار اتصالات درونی و گذرگاه‌ها (BUS)

به‌طور کلی رایانه از سه ماژول (پردازند، حافظه و ورودی / خروجی) تشکیل شده است که با یکدیگر تبادل اطلاعات دارند.

ماژول حافظه: ماژول حافظه، یک قطعه الکترونیکی است که مدارهای مجتمع حافظه روی آن نصب می‌شوند.

انواع ماژول‌های حافظه عبارت‌اند از:

- حافظه SD
- ماژول حافظه خطی یگانه SIMM
- ماژول حافظه خطی دوگانه DIMM

ماژول ورودی / خروجی: هر دستگاهی که به عنوان یک ورودی و خروجی به رایانه متصل شود، باید راهی برای ارتباط با پردازنده و دیگر اجزای سیستم و هم‌چنین کنترل آن دستگاه به‌وسیله پردازنده به‌وجود آورد ماژول‌های ورودی خروجی برای کنترل یک یا چند دستگاه جانبی به‌کار می‌روند. برای اتصال هر دستگاه جانبی به رایانه از یک درگاه استفاده می‌شود.

وظیفه ماژول ورودی / خروجی انجام عمل خواندن یا نوشتن به دستگاه جانبی موردنظر با کنترل آدرس درگاه موردنظر است. برای ورود و خروج داده به دستگاه‌های جانبی مسیرهای داده (گذرگاه) وجود دارد.

ماژول پردازنده: پردازنده نیز دستورات و داده‌ها را از حافظه اصلی می‌خواند و پس از پردازش، داده یا نتیجه عمل پردازش را در حافظه اصلی می‌نویسد.

این ماژول‌ها برای تبادل اطلاعات نیاز به مسیرهایی برای برقراری ارتباط بین CPU، حافظه اصلی و دستگاه‌های ورودی و خروجی دارند که به آن‌ها گذرگاه گفته می‌شود.

تعریف گذرگاه BUS: یک گذرگاه، مسیرهایی برای تبادل داده است که دو یا چند وسیله را به‌هم وصل می‌کند.

تعریف گذرگاه سیستم: سیستم‌های رایانه‌ای دارای چند گذرگاه مختلف هستند که مسیرهایی را بین اجزای رایانه ایجاد می‌کنند. گذرگاه‌هایی که اجزای اصلی رایانه را به‌هم وصل می‌کنند، گذرگاه سیستم نامیده می‌شوند.

هر گذرگاه از چندین دسته‌خط جداگانه (خط‌های فلزی که رسانای الکتریکی هستند و به‌طور معمول روی برد اصلی قرار دارند) تشکیل شده است و هر دسته خط از گذرگاه به مفهوم یا کاری خاص اختصاص داده می‌شود. گذرگاه‌ها به سه دسته تقسیم می‌شوند:

1- گذرگاه داده (Data Bus): داده‌ها به‌صورت سیگنال‌های سخت‌افزاری بین قسمت‌های مختلف رایانه، از جمله دیسک سخت، حافظه و CPU در تبادل هستند، این کار به کمک گذرگاه‌های داده انجام می‌شود. گذرگاه‌ها ممکن است 32 بیتی یا 64 بیتی باشند. هرچه تعداد خطوط گذرگاه داده بیشتر باشد، سرعت انتقال اطلاعات بیشتر است.

2- گذرگاه کنترل (Control Bus): هماهنگی لازم بین دستگاه‌های ورودی و خروجی، RAM و CPU توسط خطوط کنترلی به‌نام گذرگاه کنترل انجام می‌شود. هر خط کنترلی می‌تواند برای آمادگی یک واحد برای ارسال داده، دریافت آدرس، دریافت داده، اعلام خطا در یک واحد و نیز ارسال سایر سیگنال‌های کنترلی به‌کار برود.

3- گذرگاه آدرس (Address Bus): بر روی برد اصلی خطوطی به‌نام گذرگاه آدرس وجود دارد که به حافظه‌های اصلی و جانبی مانند دیسک سخت، RAM و ROM متصل است و انتقال آدرس کلیه داده‌ها را برعهده دارد. در هنگام درخواست یک داده از یک وسیله، CPU آن وسیله را با سیگنال کنترلی توسط خطوط کنترل آگاه می‌سازد، سپس آدرس موردنظر را توسط خطوط آدرس به آن وسیله می‌رساند. پس از آن داده موردنظر توسط آن وسیله روی خطوط داده قرار می‌گیرند و در نهایت CPU عملیات پردازش را بر روی داده انجام می‌دهد. هرچه تعداد خطوط آدرس بیشتر باشد، اندازه حافظه‌ای که ریزپردازنده قادر به آدرس‌دهی است بیشتر خواهد شد.

درگاه‌های ورودی و خروجی (Ports)

برای اتصال دستگاه‌های ورودی / خروجی به برد اصلی، تعدادی درگاه ورودی و خروجی روی آن تعبیه شده است که از پشت جعبه رایانه‌ها قابل مشاهده هستند. به همه این ورودی / خروجی‌ها اتصال‌دهنده گفته می‌شود که برای اتصال دستگاه‌هایی مانند پرینتر، بلندگو، صفحه نمایش، ماوس و... به کار گرفته می‌شوند. درگاه‌های پرکاربرد رایانه عبارت‌اند از:

- درگاه سریال
- درگاه موازی
- درگاه سریال عمومی (USB)
- درگاه Fire Wire (استاندارد 1384 - IEEE)

درگاه سری (Serial port): ارسال و دریافت داده‌ها به‌صورت بیت به بیت را انتقال سری و درگاه موردنیاز برای این نوع انتقال را درگاه سری گویند. قبلاً گفتیم برای ایجاد هماهنگی بین اجزای مختلف رایانه، از سیگنال پالس ساعت استفاده می‌شود. درگاه سری دارای مدار واسطی است که برای برقراری ارتباط با گذرگاه به کار می‌رود.

درگاه موازی (Parallel port): انتقال موازی به حالتی گفته می‌شود که 8 بیت به‌صورت هم‌زمان و از طریق خطوط جداگانه انتقال یابند. بنابراین در انتقال موازی به تعداد سیم‌های بیشتری نسبت به انتقال سری نیاز هست. امروزه استفاده از درگاه موازی محدودتر از درگاه سریال است.

درگاه‌های (Universal Serial Bus) USB: در بسیاری از موارد USB (گذرگاه سریال عمومی) را به عنوان درگاه می‌شناسند. ولی در حقیقت یک گذرگاه جانبی و خارجی برای اتصال دستگاه‌های جانبی به رایانه است که داده‌ها را به‌صورت سریال و با سرعت بسیار بالاتر نسبت به گذرگاه سریال و موازی انتقال می‌دهد.

از این درگاه‌ها برای انتقال داده و اطلاعات و گاهی جهت تأمین برق میان رایانه و دستگاه‌های جانبی استفاده می‌شود.

متصل‌کننده‌های USB

متصل کننده‌های USB اشکال و اندازه‌های مختلفی دارند. در تصویر زیر سه نوع متصل‌کننده مختلف مشاهده می‌شود که از نظر ظاهر و اندازه و حتی سرعت انتقال داده و میزان برق عبوری با هم تفاوت دارند. این سه نوع را اصطلاحات Type می‌گویند که عبارت‌اند از:

1- Mini-USB: برای دوربین‌های دیجیتال و وسایل جانبی رایانه مانند هارد اکسترنال استفاده می‌شود.

2- Micro-USB: این نوع متصل‌کننده، جایگزین Mini-USBها شده‌اند که بیشتر در اتصال وسایل جانبی رایانه‌ای، کنترل کننده‌های بازی‌های رایانه‌ای و شارژ کردن گوشی همراه و تبلت استفاده می‌شود.

با این‌که بیشتر شرکت‌ها در حال به‌روزرسانی کالاهای خود به USB نوع C هستند، با این حال Micro-USBها هنوز کاربری بالایی دارند.

3- USB Type-C: نوع C را در جدیدترین تلفن‌های هوشمند اندروید و برخی دستگاه‌های دیگر می‌توان دید.

امروزه، وسایل و ابزارهای گوناگونی هستند که دارای درگاه USB می‌باشند که به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم:

1- صفحه کلید و ماوس: امروزه صفحه کلید و ماوس به‌جای درگاه قدیمی PS2، از درگاه‌های USB برای اتصال به رایانه بهره می‌برند.

2- چاپگر و پویشگر: این دستگاه‌ها از درگاه Type-B برای انتقال داده‌ها استفاده می‌کنند. روی این دستگاه‌ها معمولاً کانکتور مادگی USB-B قرار دارد که با کابل پرینتر به رایانه متصل می‌شوند.

3- گوشی هوشمند و تبلت: این دستگاه‌ها از درگاه Type-C برای انتقال داده و شارژ شدن استفاده می‌کنند.

4- درایوهای خارجی و حافظه فلش: ورودی و خروجی این دستگاه‌ها به‌صورت یک فیش نری USB-A در نظر گرفته شده است.

5- ابزارک‌ها: در ابزارهای گوناگون برای تأمین انرژی برق به عنوان منبع تغذیه یا جهت انتقال داده‌ها از این درگاه استفاده شده است. برای نمونه دانگل بلوتوث USB که ضبط‌های فلش‌خور را بلوتوث‌دار می‌کند یا فرستنده صدای بلوتوث تلویزیون به هدفون یا دانگل بلوتوث AUX برای تأمین برق خود از این درگاه بهره می‌برند.