Материнская плата

     Материнская плата.

     Системная плата или на компьютерном жаргоне - матери́нская пла́та (англ. motherboard, MB, также используется название англ. mainboard — главная плата; сленг: мама, мать, материнка) — это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода). Как правило, системная плата содержит разъёмы (слоты) для подключения дополнительных контроллеров, для подключения которых обычно используются шины USB, PCI и PCI Express.

     Компоненты  системной платы

     

     Рис. 1. Компоненты системной платы

     Основные  компоненты, установленные на системной  плате:

• Центральный процессор.
• набор системной логики (англ. chipset) — набор микросхем, обеспечивающих подключение ЦПУ к ОЗУ и контроллерам периферийных устройств. Как правило, современные наборы системной логики строятся на базе двух СБИС: «северного» и «южного мостов».
• Северный мост (англ. Northbridge), MCH (Memory controller hub), системный контроллер — обеспечивает подключение ЦПУ к узлам, использующим высокопроизводительные шины: ОЗУ, графический контроллер.

     Для подключения ЦПУ к системному контроллеру могут использоваться такие FSB-шины, как Hyper-Transport и SCI.

     Обычно  к системному контроллеру подключается ОЗУ. В таком случае он содержит в себе контроллер памяти. Таким образом, от типа применённого системного контроллера обычно зависит максимальный объём ОЗУ, а также пропускная способность шины памяти персонального компьютера. Но в настоящее время имеется тенденция встраивания контроллера ОЗУ непосредственно в ЦПУ (например, контроллер памяти встроен в процессор в AMD K8 и Intel Core i7), что упрощает функции системного контроллера и снижает тепловыделение.

     В качестве шины для подключения графического контроллера на современных системных платах используется PCI Express. Ранее использовались общие шины (ISA, VLB, PCI) и шина AGP.

• Южный мост (англ. Southbridge), ICH (I/O controller hub), периферийный контроллер — содержит контроллеры периферийных устройств (жёсткого диска, Ethernet, аудио), контроллеры шин для подключения периферийных устройств (шины PCI, PCI Express и USB), а также контроллеры шин, к которым подключаются устройства, не требующие высокой пропускной способности (LPC — используется для подключения загрузочного ПЗУ; также шина LPC используется для подключения мультиконтроллера (англ. Super I/O) — микросхемы, обеспечивающей поддержку «устаревших» низкопроизводительных интерфейсов передачи данных: последовательного и параллельного интерфейсов, контроллера клавиатуры и мыши).

     Как правило, северный и южный мосты  реализуются в виде отдельных  СБИС, однако существуют и одночиповые  решения. Именно набор системной  логики определяет все ключевые особенности системной платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.

• Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) — в информатике — память, часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию (jump, move и т. п.). Предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через кеш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.

     ОЗУ может изготавливаться как отдельный  блок или входить в конструкцию  однокристалльной ЭВМ или микроконтроллера.

• Загрузочное ПЗУ — хранит ПО, которое исполняется сразу после включения питания. Как правило, загрузочное ПЗУ содержит BIOS, однако может содержать и ПО, работающие в рамках EFI.

     В современную системную плату  встроены такие компоненты, как гнезда процессоров, разъемы и микросхемы. Самые современные системные  платы содержат следующие компоненты:

• гнездо для процессора;
• набор микросхем системной логики (компоненты North/South Bridge или Hub);
• микросхема Super I/O;
• базовая система ввода-вывода (ROM BIOS);
• гнезда модулей памяти SIMM/DIMM/RIMM;
• разъемы шин ISA/PCI/AGP;
• разъем AMR (Audio Modem Riser);
• разъем CNR (Communications and Networking Riser);
• преобразователь напряжения для центрального процессора;
• батарея.

     Некоторые системные платы также включают интегрированные аудио- и видеоадаптеры, сетевой и SCSI-интерфейсы, а также  другие элементы, в зависимости от типа системной платы.   

 

     Разъемы системной платы  

        В современных системных платах существует множество различных разъемов. На Рис. 2. показано расположение разъемов типичной системной платы Intel DB850GB.    

      

     

     Рис. 2. Расположение разъемов на типичной системной плате Intel DB850GB:

     A — Communications and Network Riser (CNR),

     B — вспомогательный линейный вход типа ATAPI,

     C — аудиовход CD-ROM (необязательно),

     D — аудиовход CD-ROM традиционного двухмиллиметрового типа (необязательно),

     E — разъем расширения AGP Pro (необязательно),

     F — силовой разъем ATX 12V,

     G — разъемы расширения 32-разрядной шины PCI,

     H — разъем AGP,

     I — PC/PCI,

     J — SCSI LED,

     K — вентилятор корпуса (Fan 1),

     L — активизация при доступе из локальной сети (LAN), 

     M — активизация по входящему звонку,

     N — вспомогательная лицевая панель LED,

     О — лицевая панель USB,

     P — лицевая панель,

     Q — первичный и вторичный каналы IDE,

     R — разъем для подключения дисковода,

     S — дополнительный силовой разъем,

     T — основной силовой разъем,

     V — вентилятор RIMM (Fan 2),

     V — регулятор напряжения процессора (Fan 4),

     W — Socket 423 (для процессора Pentium 4),

     X — теплоотвод процессора (Fan 3),

     Y — разъемы RIMM  

     Формфакторы системных плат

     Существует  несколько наиболее распространенных формфакторов, учитываемых при разработке системных плат. Формфактор (form factor) представляет собой физические параметры платы и определяет тип корпуса, в котором она может быть установлена. Формфакторы системных плат могут быть стандартными (т.е. взаимозаменяемыми) или нестандартными. Нестандартные формфакторы, к сожалению, являются препятствием для модернизации компьютера, поэтому от их использования лучше отказаться.

     Наиболее известные формфакторы системных плат перечислены ниже:

     Устаревшие:

• Baby-AT;
• полноразмерная плата AT;
• LPX.

     Современные:

• ATX;
• Micro-ATX;
• Flex-ATX;
• NLX;
• WTX(в настоящее время не производятся).

     Другие:

• независимые конструкции (разработки компаний Compaq, Packard Bell, Hewlett-Packard, портативные/мобильные системы и т.д.).

     За  последние несколько лет произошел  переход от системных плат оригинального формфактора Baby-AT, который использовался в первых компьютерах IBM PC и XT, к платам формфактора ATX и NLX, используемым в большинстве полноразмерных настольных и вертикальных систем. Существует несколько вариантов формфактора ATX, в число которых входят Micro-ATX (который представляет собой уменьшенную версию формфактора ATX, используемого в системах малых размеров) и Flex-ATX (еще более уменьшенный вариант, предназначенный для домашних компьютеров низшего ценового уровня). Формфактор NLX предназначен для корпоративных настольных систем; WTX, в свою очередь, разрабатывался для рабочих станций и серверов со средним режимом работы, но широкого распространения не получил. Современные формфакторы и область их применения приведены в табл. 1.

     Несмотря  на широкое распространение плат Baby-AT, полноразмерной AT и LPX, им на смену  пришли системные платы более  современных формфакторов, которые  фактически являются промышленным стандартом, гарантирующим совместимость каждого типа плат. Это означает, что системная плата ATX может быть заменена другой платой того же типа, вместо системной платы NLX может быть использована другая плата NLX и т.д. Благодаря дополнительным функциональным возможностям современных системных плат, компьютерная индустрия смогла быстро перейти к новым формфакторам. Поэтому я настоятельно рекомендую приобретать системы, созданные на основе одного из современных формфакторов. Системные платы, параметры которых не вписываются в какой-либо из формфакторов промышленного стандарта, относятся к платам независимых конструкций. Покупать компьютеры с нестандартными системными платами следует только в случае особых обстоятельств.

     Таблица 1. Формфакторы системных  плат

 

   

     ATX

     Конструкция ATX была разработана сравнительно недавно. В ней сочетаются наилучшие черты стандартов Baby-AT и LPX и заложены многие дополнительные усовершенствования. По существу, ATX — это “лежащая на боку” плата Baby-AT с измененным разъемом и местоположением источника питания. Главное, что необходимо запомнить, — конструкция ATX физически не совместима ни с Baby-AT, ни с LPX. Другими словами, для системной платы ATX нужен особый корпус и источник питания. В настоящее время ATX является наиболее распространенным формфактором системных плат, рекомендуемым для большинства новых систем.

     Конструкция ATX позволила усовершенствовать  стандарты Baby-AT и LPX.

• Наличие встроенной двойной панели разъемов ввода-вывода. На тыльной стороне системной платы есть область с разъемами ввода-вывода шириной 6,25 и высотой 1,75 дюйма. Это позволяет расположить внешние разъемы непосредственно на плате и исключает необходимость использования кабелей, соединяющих внутренние разъемы и заднюю панель корпуса, как в конструкции Baby-AT.
• Наличие одноключевого внутреннего разъема источника питания. Это упрощает замену разъемов на источнике питания типа Baby-AT. Спецификация ATX содержит одноключевой разъем источника питания, который легко вставляется и который невозможно установить неправильно. Этот разъем имеет контакты для подвода к системной плате напряжения 3,3 В, а это означает, что для ATX не нужны встроенные преобразователи напряжения, которые часто выходят из строя. В спецификацию ATX были включены два дополнительных разъема питания, получивших название вспомогательных силовых разъемов (3,3 и 5 В), а также разъем ATX12V, используемый в системах, потребляющих большее количество электроэнергии, чем предусмотрено оригинальной спецификацией.
• Перемещение процессора и модулей памяти. Изменены места расположения этих устройств: теперь они не мешают платам расширения, и их легко заменить новыми, не вынимая при этом ни одного из установленных адаптеров. Процессор и модули памяти расположены рядом с источником питания и обдуваются одним вентилятором, что позволяет обойтись без специального вентилятора для процессора, который не всегда эффективен и часто подвержен поломкам. Есть также место и для большого пассивного теплоотвода. Высота свободного пространства, предназначенного для установки процессора и теплоотвода, достигает примерно 70 мм (2,8 дюйма).
• Более удачное расположение внутренних разъемов ввода-вывода. Эти разъемы для накопителей на гибких и жестких дисках смещены и находятся не под разъемами расширения или самими накопителями, а рядом с ними. Поэтому можно уменьшить длину внутренних кабелей к накопителям, а для доступа к разъемам не нужно убирать одну из плат или накопитель.
• Улучшенное охлаждение. Процессор и оперативная память сконструированы и расположены таким образом, чтобы максимально улучшить охлаждение системы в целом. При этом необходимость в отдельном вентиляторе для охлаждения корпуса или процессора снижается (правда, не настолько, чтобы отказаться от него совсем). Дополнительное охлаждение все еще является насущной потребностью большей части быстродействующих систем. Одна из особенностей оригинальной спецификации ATX заключалась в том, что вентилятор блока питания направляет поток воздуха внутрь корпуса. Обратный поток или схема нагнетания воздуха приводит к повышению давления в корпусе, что препятствует проникновению грязи и пыли. Тем не менее направление потока воздуха в спецификации ATX было пересмотрено и предпочтение отдано вентилятору, работающему на выдувание, что приводит к понижению давления воздуха в корпусе. В целом схема нагнетания воздуха менее эффективна для охлаждения системы. И так как существующая спецификация допускает практически любую схему воздухообмена, большинство производителей поставляют блоки питания ATX в комплекте с вентиляторами, отсасывающими воздух из системы или, говоря иначе, с конструкцией отрицательного давления.
• Снижение стоимости. Конструкция ATX не требует наличия гнезд кабелей к разъемам внешних портов, встречающихся на системных платах Baby-AT, дополнительного вентилятора для процессора и 3,3-вольтного стабилизатора на системной плате. В этой конструкции используется один-единственный разъем питания. Кроме того, вы можете укоротить внутренние кабели дисковых накопителей. Все это существенно уменьшает стоимость не только системной платы, но и всего компьютера, включая корпус и источник питания.