Материнська плата комп'ютера, для чого вона призначена і як виглядає

Материнська плата комп'ютера це той фундамент, на якому збудовані всі компоненти системного блоку .

Роль материнської плати комп'ютера не можна переоцінити. Адже тільки від неї залежить чи зможете Ви в майбутньому розширити функціональність Вашого ПК чи ні? Збільшити кількість оперативної пам'яті , поставити більш продуктивну відеокарту? Чи буде дозволяти подальше розширення ( «upgrade» - апгрейд) всієї системи наявність додаткових, спочатку що не використовуються, слотів і роз'ємів? Це як фундамент будинку: зробите його неякісно і, з часом, конструкція може обвалитися.

Материнська плата являє собою багатошаровий «пиріг», набивки (односторонніх або двосторонніх) друкованих плат. Кожен із шарів і являє собою таку окрему плату. Багатошаровість, перш за все, потрібна для боротьби з перехресними наведеннями і перешкодами, створюваними сигнальними лініями (доріжками) плати, близько один до одного розташованими. Щоб збільшити цю відстань і ізолювати сигнальні лінії одного шару від іншого і придумувався весь цей «бутерброд». Кожен шар відокремлюється один від одного спеціальними прокладками з склотканини (адгезивом) і після все це справа запресовується в спеціальній печі.

Графічно внутрішню будову вироби можна зобразити приблизно так:

Як бонус, додатково зростає і загальна механічна міцність подібної конструкції. Кількість окремих шарів в сучасних брендових продуктах може доходити до десяти, а то й більше! Після чого вже майже готову материнську плату з обох сторін покривають діелектричним захисним лаком потрібного кольору, просушують, насверливаем в ній необхідні отвори під кріплення, установку роз'ємів та інших компонентів, металлизируют отвори по краях і виріб практично готово! Звичайно, після цього потрібно встановити самі роз'єми і всю елементну базу радіоелектронних компонентів, здійснити їх пайку, контроль якості, зробити всеосяжне тестування під навантаженням, але цей процес наочно показаний в відео під статтею, тому не бачу сенсу зайвий раз його описувати.

Примітка: друкована плата або PCP (Printed Circuit Board) - пластина з діелектрика на якій хімічним або механічним способом сформовані електропровідні доріжки. Вони можуть формуватися як класичним методом їх травлення на платі, так і з застосуванням технології лазерного гравіювання.

Оскільки нас, в першу чергу, цікавлять саме якісні материнські плати комп'ютера, давайте звернемо свою увагу на повнорозмірну плату від фірми-виробника «Asus». Велика кількість розташованих на ній елементів і слотів розширень дозволяє нам сподіватися на хорошу перспективу апгрейда, а якісна елементна база компонентів і розводка плати, - на тривалий термін її експлуатації.

Давайте, як зазвичай, пройдемося по порядку по всіх позначенням і з'ясуємо, з яких компонентів складається материнська плата комп'ютера:

1. сокет CPU (роз'єм, куди встановлюється процесор комп'ютера)
2. позначені два слота під PCI Express відеокарти (в дорогих материнських платах можна встановлювати дві дискретні відеокарти одночасно)
3. чотири слоти під оперативну пам'ять стандарту DDR2
4. північний міст чіпсета материнської плати комп'ютера
5. південний міст чіпсета материнської плати
6. радіатори системи охолодження для ланцюгів харчування (фаз живлення) процесора
7. чотири USB виходу (виводяться на задню стінку корпусу комп'ютера )
8. виходи вбудованої звукової карти
9. інтерфейс флоппі диска 3,5 (дисковода) FDC controller
10. чотири виходи SATA для підключення жорстких дисків
11. три PCI слота для підключення додаткових плат розширення (ТВ тюнера, мережевої або звукової карти, плати відеозахвату і т.д)
12. батарейка «BIOS»
13. чотирьох-контактний 12-ти вольта роз'єм живлення процесора
14. 24-х контактний роз'єм для підключення блоку живлення і подачі напруги на материнську плату
15. два роз'єми для підключення жорстких дисків або CD-DVD-ROM старого зразка «IDE»
16. сама мікросхема «BIOS»

Давайте зупинимося з Вами на найбільш важливих моментах, які потребують окремих коментарів. На зображенні ми чітко бачимо систему охолодження в центрі, з розбіжними від нього мідними трубками. Центральний радіатор прикриває собою «північну» мікросхему чіпсета плати. Вона включає в себе такі важливі компоненти як вбудована відеокарта , контролер оперативної пам'яті і контролер системної шини (зараз ці елементи активно переносяться в ЦПУ) і, природно, підтримує інтерфейс взаємодії з «південної» мікросхемою.

Назви «північний» і «південний» міст позначають лише географічне розташування цих елементів щодо слотів PCI (на північ від - вище або південніше - нижче). Мікросхема південного «моста» також прикрита радіатором. Вона, як правило, містить у собі контролер вбудованої мережної карти комп'ютера, шини USB, інтегрований звук, відповідає за роботу шини PCI, різних датчиків на платі і т.д.

Примітка: чіпсет (chipset) - набір мікросхем, призначених для спільної роботи з виконання будь-яких завдань. Друга назва - набір системної логіки.

Застосовується до комп'ютерів, класичний чіпсет на материнській платі складається з двох великих мікросхем:

• північний міст (Northbridge)
• південний міст (Southbridge)

Північний «міст» пов'язує (за допомогою інтегрованих в нього контролерів) ЦПУ з високопродуктивними пристроями, розташованими на материнській платі комп'ютера (пам'ять, відеоадаптер). Південний «міст» відповідає за підтримку більш «повільних» периферійних пристроїв (USB, звукова і мережева карта, жорсткі диски, різні плати розширення і т.д.)

Ось, наприклад, як виглядає набір системної логіки ( "північний" - більший і «південний» - менший міст) виробництва компанії «VIA».

Набір системної логіки

Рухаємося далі. Під номерами «6» (див. Перше фото статті) на материнській платі у нас - два радіатора, які охолоджують ланцюга живлення процесора. Елементи, розташовані під радіаторами (конденсатори і транзистори) запобігають сильні перепади напруги живлення CPU при зміні його навантаження. Якісне їх виконання - один з показників гарної материнської плати. Погодьтеся, якщо робота комп'ютера виявиться нестабільної просто через неякісну електроживлення - буде прикро!

Окремо відзначимо, що елементна база ланцюгів харчування на сучасних материнських платах досить різноманітна: в неї входять ШІМ-контролер, перетворювачі напруги, транзистори, резистори, дроселі, конденсатори і т.д.

На фото нижче представлена ​​типова багатофазна схема харчування сучасного процесора:

Наприклад, перетворювачі напруги потрібні для того, щоб подавати на той чи інший елемент строго потрібне для його штатної роботи харчування. Одна справа, що на вході перетворювача від блоку живлення «приходить» 12 вольт, але не всім елементам саме дванадцять потрібно! Ось перетворювачі і знижують його до потрібного значення і «віддають» кінцевого «споживача» (конкретної мікросхемі, або іншого елементу).

Пропоную більш детально поговорити про те, для чого всі ці фази потрібні і як вони працюють? Вважаю, що це потрібно знати! У ролі понижуючого перетворювача може виступати VRM (Voltage Regulation Module - модуль регулювання напруги) або VRD (Voltage Regulator Down - модуль зниження напруги). Особливо не зациклюйтеся на цьому, досить буде, якщо запам'ятайте ці абревіатури і будете знати, до чого вони відносяться.

Як правило, в схему перетворювача також включені кілька польових МОП-транзисторів. Вони управляються електричним полем, тому їх називають «польовими» (польовиком). Абревіатура МОП походить від «метал-оксид-напівпровідник», в англійському варіанті: «metal-oxide-semiconductor field effect transistor» або скорочено - MOSFET. Тому можна зустріти назву, як mosfet-транзистори (в народі - «мосфети»).

В основі управління фазами живлення на материнській платі комп'ютера, як правило, знаходиться PWM-контролер. У абревіатури PWM теж є своє значення і це «Pulse Wide Modulation» - широтно-імпульсна модуляція, по російськи ШІМ. Тому подібні компоненти часто називають ШІМ-контролерами.

Ось як він може виглядати:

Про необхідному для процесора в даний момент харчуванні ШІМ-контролер «дізнається» за допомогою спеціального 8-ми бітного сигналу, який і «говорить» йому про те, яка напруга потрібно подати на ЦП в той чи інший момент часу.

У дуже старих комп'ютерах все схеми регуляторів напруги були однофазними, проте з часом (з ростом споживаної процесорами потужності) вони стали неефективними і виробникам довелося використовувати кілька фаз для регулювання напруги, що подається на ЦП. Звідси й з'явилося поняття «багатофазності». Чотирьохфазна харчування восьміфазное і т.д ... Зараз є, начебто, навіть 24-х фазну! :)

Що ж стоїть за цим поняттям? Спробуємо розібратися! У чому основна обмеження однофазного регулятора? Перш за все, в максимальному струмі, який можна пропустити через ті елементи, які його формують: мосфети, котушки індуктивності (дроселі), конденсатори. Їх обмеження становить близько тридцяти ампер, в той час, як сучасні CPU можуть споживати струм понад ста ампер! Зрозуміло, що при таких «запитах» одна фаза «закипить» дуже швидко :) Ось саме для компенсації цього обмеження, на материнських платах і почали використовувати багатофазних харчування.

При використанні багатофазного регулятора загальний струм навантаження можна розподілити по N-ному кількості окремих фаз, які в сумі видаватимуть потрібну (номінальну) потужність! Наприклад: при шестифазний харчуванні на кожну з шести фаз припадатиме по 30 Ампер (пам'ятаємо про обмеження по максимальному струму), в той час, як сумарно всі наші фази можуть при піковому навантаженні «пропустити» через себе целих180 Ампер!

Примітка: для процесорів Intel покоління Core i7 з енергоспоживанням понад 130-ти Ватт (навіть з огляду на можливість розгону), цілком достатньо шестифазний харчування! Все що більше - від лукавого маркетолога :)

Також потрібно мати на увазі, що елементна база не стоїть на місці і замість звичайних електролітичних конденсаторів зараз широко використовуються, так звані, твердотільні полімерні, термін служби яких перевищує 50 000 годин, дроселі з феритовим сердечником і т.д. Все це вкупі, дозволяє пропускати через них максимальний струм вже не 30, а 40 Ампер. Тому така шестифазний схема (ланцюг) живлення процесора цілком зможе забезпечити струм на процесор близько 240 Ампер (енергоспоживання більше 200 Ватт)! Який домашній CPU таке споживає, крім AMD?! :)

Останнє що хотілося б додати, зараз на материнських платах комп'ютерів часто застосовується така річ, як динамічне перемикання фаз живлення. Це означає, що в міру необхідності (споживанні процесором більшого струму) в роботу включається все більша кількість фаз, а при зниженні навантаження деякі з них відключаються. За ідеєю, слабенький ЦП можна запустити тільки при одній робочій фазі. Інша справа, чи довго він так протягне? Але для старту в режимі тестування цей метод може цілком згодитися!

Отже, повертаємося до нашого основного матеріалу! Якщо спробувати схематично зобразити розташування всіх основних елементів і роз'ємів на материнській платі комп'ютера, то вийде приблизно ось така картина:

Як бачите, все починається з CPU і далі (через системну шину) - дані передаються на всі вузли комп'ютера.

Ось ще одне (графічне) втілення цієї ідеї:

Схема материнської плати

Давайте кілька слів скажемо про системної шини плати - FSB (Front Side Bus - фронтальна системна шина). Це швидкісний інтерфейс взаємодії між процесором і північним «мостом» чіпсета материнської плати. Чим більше її частота, тим вище швидкість передачі даних і швидкість всієї системи в цілому. Частота FSB вимірюється в мегагерцах.

Примітка: що таке частота, які значення може приймати і в чому вимірюється ми з Вами розбирали ось в цій статті.

Безпосередньо до самої системної шини підключений тільки ЦПУ, інші пристрої підключаються до неї через спеціалізовані контролери, які інтегровані в мікросхему північного «моста».

Справедливості заради варто відзначити, що зараз спостерігається тенденція до високої інтеграції основних контролерів і навіть цілих пристроїв (графічний прискорювач) безпосередньо в ядро ​​центрального процесора.

Одним з перших з чіпсета був перенесений контролер оперативної пам'яті, що дозволило скоротити часові затримки, неминучі при передачі даних і команд системною шиною. Наприклад, в процесор на базі «Intel LGA1156» були перенесені практично всі основні контролери, до цього розташовувалися на материнській платі. В результаті, FSB в ній, фактично, відсутній!

Розробники компанії «AMD» використовують свою фірмову технологію для заміни системної шини. Вона називається «Hyper Transport». Дана розробка пережила вже кілька ревізій і успішно використовується не тільки в персональних комп'ютерах, але і в таких високопродуктивних пристроях, як мережеві маршрутизатори фірми «Cisco».

Ще одним з «кандидатів» на перенесення безпосередньо в ядро ​​CPU виявилося вбудоване відео, яке раніше досить комфортно «відчувала» себе в північному мосту чіпсета материнської плати. І, здавалося, куди воно звідти може подітися ?! А минув певний час і - будь ласка: відеоядро на одному кристалі з процесором. Фантастика! :)

Як подібне стало можливим? Перш за все, в силу того, що постійно зменшується техпроцес виготовлення всіх основних елементів комп'ютера. Наприклад, процесор сімейства Intel Core i7 зроблений з використанням 22-х нанометрового техпроцесу, що дозволило розмістити на тій же площі кристала приблизно 1,4 мільярда транзисторів!

Примітка: 22 нанометра відповідають, в даному випадку, лінійному вирішенню літографічного обладнання, яке використовується при виготовленні кінцевого пристрою. А «нанометр» (нм або nm) - це одна мільярдна частина метра (миллимикрон)!

Що у нас виходить? Зі зменшенням техпроцесу зменшується і розмір основних елементів (транзисторів), які ми можемо розмістити на кристалі. Отже, цих самих транзисторів на тій же площі ми можемо розмістити більше! І, як результат, - побудувати на їх базі вбудоване в ЦП графічне ядро ​​або будь-який інший елемент. Власне, цим активно і користуються розробники, намагаючись постійно зменшувати технологічний процес виробництва.

Згодом, це призвело до того, що всі основні високошвидкісні інтерфейси і контролери «перекочували» під кришку процесора, а багато материнських плат сучасних комп'ютерів втратили не тільки південного, але іноді і північного моста! Так як всі контролери периферії перемістилися в північний міст, то південний просто відпав через непотрібність. Сьогодні ще можна зустріти материнські плати з класичним розташуванням елементів системної логіки (чіпсета), але це відбувається все рідше.

Отже, продовжимо! Для більш дешевих материнських плат характерна ситуація, коли виробники набирають все її елементи на вже укороченою (знизу або - збоку) пластині текстоліту. В результаті, всі елементи материнської плати розташовані дуже близько один до одного і про якихось додаткових роз'ємах або виходах доводиться забути (тут би основне все вмістилося!).

Запам'ятайте: співвідношення сторін у хорошій материнської плати має бути таким же, як на фото (вона не повинна бути маленькою квадратної або прямоугольно-витягнутої) і місця на ній повинно бути багато! До сих пір - це моє ІМХО, не дивлячись на 2015-й рік :) Добре зарекомендували себе виробниками материнських плат для десктопних комп'ютерів є компанії: «Msi», «Asus» «Gigabyte» і «Intel».

Наприклад, фірма «Gigabyte» додатково «прокладає» між шарами друкованої плати кілька тонких шарів міді. Ця фірмова технологія навіть отримала власну назву: «Ultra Durable» (фото на початку статті). Мідь виступає додатковим радіатором, що відводить тепло від найгарячіших зон материнської плати: процесора з його ланцюгами харчування і мікросхем чіпсета.

Також різні виробники плат щоб виділити свою продукцію додають до неї всякі поліпшення: зразок подвійного биоса (щоб в разі збою не використовувати програматор), датчика пост-кодів, кнопок включення і перезавантаження на самій платі і т.д.

Ось - один із прикладів того, як на якісні материнські плати встановлюють додаткові поліпшення.

Внизу червоним обведено датчик POST кодів, про який ми згадували вище. Він може «сказати» нам про проблему в роботі комп'ютера за допомогою цифрових комбінацій на табло. Їх розшифровка, як правило, додається до самої материнської плати у вигляді маленької книжки.

А ось які ще бувають материнські плати. Фото нижче - форм фактор «micro ATX» з процесором «Atom 550» на пасивному охолодженні.

На завершення статті, хочу показати Вам своє робоче місце і, як тестується на ньому чергова материнська плата:

Зараз я встановлюю Windows. Подібний варіант підключення дозволяє виключити випадки короткого замикання плати на корпус комп'ютера, так і візуальний огляд і загальний контроль за процесом набагато зручніше.

Бувають і серверні материнські плати. Чим відрізняються серверні рішення від звичайних (десктопних)? Перш за все, підвищеною надійністю! Адже серверів доводиться працювати в режимі 24/7 (як супермаркету) :) Сервера зазвичай комплектуються дорого реєстрової оперативної пам'яті з контролем парності (ECC), також вони можуть підтримувати декілька фізичних процесорів. На фото нижче ми бачимо плату, в яку може бути встановлено чотири фізичні ЦПУ.

Це вже продукція ніяк не належить до сегменту SOHO (Small Office / Home Office - малий офіс / домашній офіс), а серйозні корпоративні рішення. Природно, тут теж є свої Lov-End (дешеві) і Hi-End (дорогі) продукти, але це вже інша історія. Також на серверах, як правило, встановлюються апаратні рейд (RAID) контролери, виконані у вигляді окремої друкованої плати, на десктопах подібний функціонал можна отримати тільки програмним способом.

Примітка: RAID (Redundant Array of Independent Disks - надлишковий масив незалежних дисків). Технологія надійного зберігання даних заснована на надмірності інформації, що зберігається. Коли кілька жорстких дисків об'єднуються в один віртуальний логічний елемент для забезпечення надійності та підвищення продуктивності.

Окремо можна виділити геймерський сегмент материнських плат. Як правило, подібні рішення коштують на порядок дорожче і мають купу додаткових опцій: у вигляді просунутих можливостей по розгону, розширеного управління живленням і охолодженням, різних датчиків індикації соcтояній, посиленою елементної бази і т.д. Одним з таких прикладів являетcя виріб від фірми Asus (Asus Maximus 7):

Геймерська материнська плата

Крута «іграшка», правда? Наостанок, - думка статті, сформована на основі особистого досвіду: хороша (якісна) річ не може коштувати 30-50 доларів. Ну, от не може і все тут! :)