Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Содержание

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

У многих людей дома, в школе или на работе есть настольный компьютер. Кто-то ведёт на нём бухучёт, кто-то играет в игры, а кто-то даже сам собирает и ремонтирует их. Но хорошо ли вы знаете, из чего состоит компьютер? Взять к примеру скромную материнскую плату – она сидит себе там тихонечко, спокойно выполняет свою работу, и редко удостаивается такого же внимания, как процессор или видеокарта.

Однако значимость материнских плат, напичканных поистине впечатляющими технологиями, переоценить невозможно. Итак, сейчас мы, как студенты-медики, займёмся изучением анатомии материнской платы. Рассмотрим, какие функции выполняют все её части и чем занимается каждый бит!

Для начала небольшое введение…

Давайте начнем с основной роли материнской платы. По сути, она служит для:

  • Обеспечения всех компонентов питанием;
  • Обеспечения связи между компонентами.

Также, с помощью материнской платы осуществляется монтаж элементов, реализуется система обратной связи для их тестирования и прочее. Однако основополагающими функциями являются две вышеупомянутых, поскольку почти каждая часть на плате так или иначе зависит от них.

Практически все современные материнские платы для стандартных ПК имеют разъёмы для центрального процессора (CPU socket), модулей памяти (как правило, типа DRAM) дополнительных карт расширения (таких как видеокарта), накопителей, различных входов/выходов и связи с другими компьютерами и устройствами.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Существуют отраслевые стандарты размеров материнских плат, которых стараются придерживаться производители. Основные размеры, которые вы можете встретить, следующие:

  • Standard ATX – 12 × 9.6 дюйма (305 × 244 мм);
  • Micro ATX – 9.6 × 9.6 дюйма (244 × 244 мм);
  • Mini ITX – 6.7 × 6.7 дюйма (170 × 170 мм) /

Но что же это всё-таки такое – материнская плата?

Материнская плата – это просто большая печатная плата с множеством контактов и сотнями, если не тысячами, проводников, соединяющих все узлы и компоненты. Теоретически жесткая плата не нужна: можно соединить всё с помощью кучи проводов. Однако производительность у этого клуба проводов будет ужасной, так как сигналы будут мешать друг другу, а сопротивление проводов приведет к существенным потерям мощности. Наше препарирование мы начнем с типичной материнской платы ATX. На фото вы видите Asus Z97-Pro Gamer, и ее внешний вид и функционал схож с десятками подобных плат.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Единственная проблема с этим фото (помимо того, что материнская плата на нём довольно. скажем так, потрёпана) состоит в том, что множество всевозможных мелких деталей усложняет нам понимание работы узлов платы в целом.

Поэтому для начала давайте взглянем на упрощенную схему этой материнской платы.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Так-то лучше, но мы всё ещё видим множество непонятных контактов и разъёмов. Давайте начнём сверху, с самой важной части.

Подключение мозга к компьютеру

В центральной части схемы мы видим компонент, имеющий обозначение LGA1150. Так называется сокет, предназначенный для подключения многих процессоров Intel. Буквы LGA обозначают Land Grid Array – это популярная технология корпусировки процессоров и других чипов.

Системы LGA имеют множество маленьких выводов на материнской плате или в сокете для обеспечения питания процессора и его контакта с другими узлами компьютера. На фото ниже хорошо виден этот массив контактных выводов (пинов).

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Металлическая рамка служит для равномерного прижимания процессора, но сейчас она нам мешает рассматривать пины, так что мы её пока уберём.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Желающие могут подсчитать количество пинов и убедиться, что их 1150. Цифровое значение в маркировке сокета LGA1150 означает именно количество выводов. В другой статье мы подробно рассмотрим разъёмы для процессоров, а пока просто отметим, что материнские платы оснащаются разными сокетами, с разным количеством пинов – для разных корпусов процессоров.

В целом, чем производительнее процессор (с точки зрения количества ядер, объема кэш-памяти и т.д.), тем больше потребуется контактных выводов. Бо́льшая часть этих пинов используется для обмена данными со следующей важнейшей частью материнской платы.

Большим мозгам – большая память

Ближе всех к процессору всегда размещаются слоты модулей оперативной памяти DRAM. Они подключены непосредственно к процессору и только к нему. Количество слотов DIMM в основном зависит от процессора, так как контроллер памяти встроен в него.

В нашем примере процессор, который совместим с нашей материнской платой, имеет 2 контроллера памяти, каждый из которых оперирует 2-я модулями – следовательно, 4 слота DRAM поддерживает материнская плата. Вы можете видеть, что слоты памяти на ней окрашены таким образом, чтобы вы знали, какие из них управляются каким контроллером памяти (т.н. каналом памяти). Канал №1 управляет двумя черными слотами, а канал №2 – серыми.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Однако, в данном конкретном случае цветовая маркировка слотов на плате немного сбивает с толку (меня в том числе). Как выяснилось, каналу 1 на ней соответствует ближайшая к процессору пара разноокрашенных слотов, а каналу 2 – дальняя от процессора пара.

Подобная маркировка призвана стимулировать использование материнской платы в так называемом двухканальном режиме – при одновременном использовании обоих контроллеров общая производительность памяти повышается. Допустим, у вас есть два модуля памяти по 8 Гб каждый. Независимо от того, в какую пару слотов вы их вставите – серую или черную, – у вас всегда будет 16 Гб доступной памяти.

Если вы вставите оба модуля в оба черных (или оба серых) слота, процессор будет по сути иметь два пути для доступа к этой памяти. Но стоит только переставить модули в слоты разного цвета, и система будет вынуждена обращаться к памяти только с помощью одного контроллера. Учитывая, что он может управлять только одним каналом, нетрудно понять, что это не идёт на пользу производительности.

Наш пример материнской платы и ЦП использует чипы DDR3 SDRAM (Double Data Rate version 3, Synchronous Dynamic Random Access Memory – «синхронная динамическая память с произвольным доступом и с версией 3 двойной скорости передачи данных»), и каждый слот предназначен для одного SIMM или DIMM. «IMM» обозначает «In-line Memory Module» («рядный модуль памяти»); буквы S и D (Single и Dual) указывают, одна сторона заполнена чипами, или обе (односторонний или двухсторонний модуль памяти).

Вдоль нижнего края модуля памяти располагаются позолоченные контакты, обеспечивающие питание и обмен данными. У данного типа памяти этих контактов 240 (по 120 с каждой стороны).

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?
Одинарный модуль DIMM DDR3 SDRAM. Фото: Crucial

Бо́льшие модули могли бы дать вам больше памяти, но конфигурация устанавливает ограничения контактами на процессоре (почти половина из тех 1150 контактов в нашем примере выделена для обмена данными с модулями памяти) и физическим местом для прокладки всех проводников на материнской плате.

В 2004 году компьютерная индустрия остановилась на использовании 240 контактов в модулях памяти и с тех пор не показывает никаких признаков изменения этого стандарта в ближайшее время. Чтобы улучшить производительность памяти, с каждой новой версией просто ускоряется работа чипов. В нашем примере контроллеры памяти ЦП могут отправлять и получать по 64 бита данных за такт. А поскольку контроллеров у нас два, было бы логично увидеть на планках памяти 128 контактов для обмена данными. Так почему же их 240?

Каждый чип на модуле DIMM (всего их 16, по 8 на каждую сторону) передаёт 8 бит за такт. Это означает, что каждому чипу для обмена данными требуется 8 контактов; однако чипы работают парно, используя одни и те же выводы, поэтому только 64 контакта из 240 являются контактами для данных. Остальные 176 выводов необходимы для контроля и синхронизации, а также для передачи адресов данных (места расположения данных на модуле), управления микросхемами и обеспечения электроэнергией.

Так что, как видите, наличие более 240 контактов не обязательно должно улучшить ситуацию!

Память – не единственное, что подключено к процессору

Системная память подключается напрямую к центральному процессору с целью повысить производительность, но на материнской плате есть и другие разъемы, которые подключены примерно так же (и по той же причине). Это слоты стандарта PCI Express (для краткости PCIe), и все современные процессоры имеют встроенный контроллер PCIe.

Эти контроллеры могут обрабатывать несколько соединений (обычно называемых линиями или лэйнами – lane), несмотря на то, что это система «точка-точка», то есть линии в сокете не используются совместно с любым другим устройством. В нашем примере контроллер PCI Express в процессоре имеет 16 линий.

На фото ниже показаны 3 слота: два верхних – это слоты PCI Express, а нижний – слот гораздо более старого стандарта PCI (родственный PCIe, но намного медленнее). Маленький слот вверху, маркированный как PCIEX1_1, является однолинейным слотом, а под ним – 16-ти линейный слот PCIEX16_1.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Если вы вернетесь в начало статьи и снова взглянете на полную фотографию нашей материнской платы, вы легко найдёте там:

  • 2 слота PCI Express (1 lane);
  • слота PCI Express (16 lane);
  • 2 слота PCI.

Но если контроллер процессора имеет только 16 линий, то что происходит? Во-первых, к центральному процессору подключены только первые два 16-линейных слота: PCIEX16_1 и PCIEX16_2. А третий, и два 1-линейных, подключены к другому процессору на материнской плате (подробнее об этом чуть позже). Во-вторых, если задействованы оба первых слота PCIEX16, то ЦП выделит только по 8 линий для каждого.

Это справедливо для всех современных процессоров. Поскольку число линий у них ограничено, устройствам приходится делить их между собой, и чем больше устройств подключается к ЦП, тем меньше линий выделяется каждому устройству.

Различные конфигурации процессора и материнской платы по-разному реализуют это ограничение. Например, материнская плата Gigabyte B450M Gaming имеет один слот PCIe на 16 линий, один слот PCIe на 4 линии и один разъем стандарта M.2, использующий 4 линии PCIe. При наличии всего 16 линий у ЦП, одновременное использование любых двух слотов приведет к тому, что самый большой, 16-линейный слот будет урезан до 8 линий.

Так какие же устройства используют такие слоты? Наиболее распространенные варианты:

  • 16 линий = видеокарта;
  • 4 линии = накопители SSD;
  • 1 линия = звуковые карты и сетевые адаптеры.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

На фото выше легко заметить разницу в разъёмах: видеокарта имеет длинную контактную полосу на 16-линейный слот, в то время как звуковая карта обходится короткой полосой контактов для 1-линейного слота, ведь у ней гораздо меньше данных для обмена, поэтому ей не нужны все эти дополнительные линии.

Наша изучаемая материнская плата, как и любые другие, имеет гораздо больше всевозможных разъёмов и подключений, всеми которыми необходимо управлять, и на помощь центральному процессору приходит другой процессор.

Повернёмся на юг и пройдёмся по мосту

Если взглянуть на материнские платы 15-летней давности, мы увидим на них два дополнительных чипа для поддержки процессора. Вместе они назывались chip set – «набор микросхем» (позже это словосочетание стало одним словом – chipset), а по отдельности они именовались микросхемами Северного моста (Northbridge, NB) и Южного моста (Southbridge, SB).

Северный мост работал с памятью и видеокартой, а Южный обрабатывал данные и инструкции для всего остального.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

На фото выше – старенькая материнская плата ASRock 939SLI32, где отчетливо видны микросхемы NB и SB – они обе прячутся под одинаковыми алюминиевыми радиаторами, но Северный мост находится ближе к процессору, почти в середине платы. Пройдёт ещё пару лет после выхода этой платы, и производители откажутся от Северного моста – Intel и AMD выпустят процессоры с интегрированным NB.

А вот Южный мост остаётся отдельным и, вероятно, будет таковым в обозримом будущем. Интересно, что оба производителя процессоров перестали называть его SB и часто называют его чипсетом (собственное название Intel – PCH, Platform Controller Hub – «блок контроллеров платформы»), хотя это всего лишь один чип!

На нашем более современном примере от Asus, SB также оснащен радиатором. Давайте снимем его и взглянем на этот вспомогательный процессор.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Этот чип представляет собой мощный контроллер, управляющий периферией. В нашем случае, мы имеем чипсет Intel Z97, выполняющий следующие функции:

  • 8 линий PCI Express (PCIe версии 2.0);
  • 14 портов USB (6 для версии 3.0 и 8 для версии 2.0);
  • 6 портов Serial ATA (версии 3.0)

Кроме того, в него встроены сетевой адаптер, звуковой контроллер, адаптер VGA и целый ряд других систем синхронизации и управления. Другие материнские платы могут иметь более

упрощенный функционал чипсета или наоборот – усложненный (например, обеспечивающий большее количество линий PCIe), но в целом их функционал мало чем отличается друг от друга.

Конкретно у рассматриваемой нами материнской платы – это процессор, который управляет всеми 1-линейными слотами PCIe, третьим 16-линейным слотом PCIe и разъемом M.2. Как и многие новые чипсеты, он обрабатывает все эти различные соединения, используя набор высокоскоростных портов, которые можно переключать на PCI Express, USB, SATA или сеть, в зависимости от того, что подключено в данный момент. Это, к сожалению, накладывает ограничение на количество устройств, подключенных к материнской плате, несмотря на все эти разъемы.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

В случае нашей материнской платы Asus, порты SATA (используемые для подключения жестких дисков, DVD-приводов и т.д.) из-за этого ограничения сгруппированы, как показано выше. Блок из 4 портов использует стандартные USB-соединения чипсета, тогда как отдельно стоящие от него порты слева используют некоторые из этих высокоскоростных соединений.

Так что если вы используете те, что слева, то у чипсета будет меньше соединений для других слотов. Это верно и для портов USB 3.0. Из поддерживаемых 6 устройств на USB 3.0, 2 будут подключены к высокоскоростным соединениям.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Разъем M.2, используемый для подключения SSD накопителя, также высокоскоростной (вместе с третьим 16-линейным слотом PCI Express на этой материнской плате); однако в некоторых комбинациях ЦП и материнской платы разъемы M.2 подключаются непосредственно к ЦП, поскольку многие новые продукты имеют более 16 линий PCIe.

Вдоль левого края нашей материнской платы есть ряд разъемов, обычно называемых «Блок ввода/вывода» (I/O set), и в нашем случае Южный мост (чипсет) управляет лишь некоторыми из них:

  • Разъём PS/2 – для клавиатуры или мыши (вверху слева)
  • Разъём VGA – для бюджетных или старых мониторов (верхний в центре)
  • Порты USB 2.0 – черные (внизу слева)
  • Порты USB 3.0 – синие (внизу в центре)

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Встроенный в ЦП графический процессор управляет разъёмами HDMI и DVI-D (внизу в центре), а все остальные управляются дополнительными чипами. Большинство материнских плат имеют множество маленьких процессоров для управления всеми видами устройств, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.

Вспомогательные микросхемы

ЦП и чипсеты ограничены в возможности подключаемых или поддерживаемых устройств, поэтому большинство производителей материнских плат предлагают продукты с дополнительными функциями благодаря использованию других интегральных микросхем. Например, это могут быть дополнительные порты SATA или разъемы для подключения старых устройств.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Наша материнская плата Asus не исключение. Например, микросхема Nuvoton NCT6791D управляет всеми маленькими разъемами, ведущими к вентиляторам, а также датчиками температуры на плате. Процессор Asmedia ASM1083, расположенный рядом с ним, обеспечивает поддержку двух устаревших разъемов PCI, поскольку у чипа Intel Z97 такой возможности нет.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Хоть в чипсете Intel и предусмотрен сетевой адаптер, Asus посчитала практичным добавить на плату независимый сетевой контроллер от той же Intel (I218V), чтобы разгрузить ценные высокоскоростные соединения чипсета. Этот малюсенький квадратик (6мм) управляет тем красным разъёмом Ethernet, который мы видели в блоке ввода/вывода.

Овальная металлическая штука рядом с ним – это кварцевый генератор частоты. Он вырабатывает низкочастотные синхронизирующие сигналы для сетевого контроллера.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

По тем же причинам на плату добавлен и независимый звуковой контроллер, в обход имеющемуся в чипсете Intel. Как и в случае, когда пользователь предпочитает дискретную видеокарту взамен встроенного в ЦП видеоконтроллера, резон ещё и в том, что независимый контроллер попросту лучше встроенного в чипсет.

Но не все дополнительные чипы на материнской плате призваны лишь заменить некоторые функции основных процессоров. Многие предназначены для обеспечения работоспособности платы в целом.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Эти маленькие микросхемы – свитчи PCI Express, помогающие процессору и Южному мосту управлять 16-лэйновыми слотами PCIe, распределяя линии по устройствам.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Материнские платы с возможностью разгона процессоров, чипсетов и памяти стали обычным явлением, и многие теперь поставляются с дополнительными микросхемами для управления разгоном. В нашем примере платы, красным прямоугольником выделен собственный чип Asus под названием TPU («процессор TurboV»), который настраивает тактовые частоты и вольтажи наилучшим образом.

Рядом с этим чипом находится маленькая микросхема флэш-памяти Pm25LD512, выделенная синим цветом. Она сохраняет все ваши настройки разгона при выключении компьютера.

На любой материнской плате есть как минимум одна микросхема флэш-памяти, и она предназначена для хранения BIOS (Basic Input/Output System – «базовая система ввода-вывода», операционная система инициализации оборудования, которая запускает все перед загрузкой Windows, Linux, macOS и т.д.).

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Объём памяти у этой микросхемы Winbond всего 8 Мб, но этого более чем достаточно, чтобы вместить весь необходимый софт. Этот вид флэш-памяти потребляет очень мало энергии и надёжно хранит данные в течение десятилетий.

При включении компьютера, для максимальной производительности содержимое флэш-памяти копируется непосредственно в кэш ЦП или системную память, а затем запускается оттуда. Однако единственное, с чем такой трюк не пройдёт – это время.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Эта материнская плата, как и любая другая, использует батарейку CR2032 для питания простой схемы часов. Конечно, батарейка не вечная, и однажды она придёт в негодность, и тогда материнская плата установит умолчания даты/времени, находящиеся во флэш-памяти.

И раз речь зашла о питании, то тут тоже есть о чём рассказать!

Питание

Для обеспечения материнской платы и многих подключенных к ней устройств необходимыми напряжениями, блок питания (PSU, Power Supply Unit) имеет несколько стандартных разъёмов. Главным из них является 24-пиновый разъём ATX12V версии 2.4.

Выдаваемые напряжения зависят от блока питания, но промышленными стандартами являются напряжения +3,3, +5 и +12 вольт.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Центральный процессор основную часть питания берёт с 12-вольтных контактов, но для современных мощных систем этого недостаточно. Чтобы эту проблему решить, предусмотрен дополнительный 8-пиновый разъем питания, несущий ещё четыре 12-вольтных линии.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Цветная маркировка проводов от блока питания позволяет определить, где какой провод. Но на разъёме материнской платы никаких маркировок нет. Ниже приведена распиновка обоих разъёмов на плате:

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Линии +3,3, +5 и +12В обеспечивают питанием различные компоненты самой материнской платы, а также процессор, DRAM и любые устройства, подключенные к разъемам расширения, таким как порты USB или слоты PCI Express. Все, что использует порты SATA, требует электропитания непосредственно от блока питания, а слоты PCI Express не могут предоставить своим устройствам более 75 Вт. Если какому-то устройству недостаточно этой мощности (например, многим видеокартам), то его тоже следует запитать напрямую с блока питания.

Но есть более серьезная проблема, чем наличие достаточного количества линий 12В: процессоры на этом напряжении не работают.

К примеру, процессоры Intel, совместимые с нашей материнской платой Asus Z97, имеют рабочее напряжение от 0,7 до 1,4 вольт. Это не фиксированное напряжение, потому что для экономии энергии и уменьшения нагрева современные процессоры умеют регулировать входное напряжение в зависимости от своей нагрузки. При простое процессор может отключиться,

потребляя при этом менее 0,8 вольт. А затем, при полной нагрузке всех ядер, потребление возрастет до 1,4 или более вольт.

Блок питания предназначен для преобразования переменного тока сети (110 или 220 В, в зависимости от страны) в фиксированные напряжения постоянного тока, поэтому нужны дополнительные элементы цепи для регулировки этих фиксированных напряжений. Они так и называются – модули регулирования напряжения (VRM, Voltage Regulation Modules) и их легко можно найти на любой материнской плате.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Каждый VRM (выделен красным) обычно состоит из 4 деталей:

  • 2 мощных управляющих MOSFET-транзистора (синим);
  • 1 дроссель (фиолетовым);
  • 1 конденсатор (жёлтым). Глубже познакомиться с их работой можно на Wikichip, мы лишь кратко рассмотрим несколько моментов. Каждую VRM принято называют фазой, и чтобы обеспечить достаточное питание современному процессору, таких фаз необходимо несколько. К примеру, наша материнская плата имеет 8 VRM, называемых 8-фазной системой.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

VRM обычно управляются специальной микросхемой, которая переключает модули в соответствии с требуемым напряжением того или иного устройства. Такая микросхема называется многофазным ШИМ-контроллером; Asus называет ее EPU (Energy Processing Unit). Транзисторы и чип довольно сильно нагреваются при работе, поэтому часто оснащаются общим радиатором для отвода тепла. Даже стандартный процессор, такой как Intel i7-9700K, может потреблять ток более 100А при полной загрузке. VRM очень эффективны, но они не могут изменять напряжение без некоторых потерь. Нетрудно догадаться, куда лучше всего положить тост, если у вас сломался тостер.

Снова взглянув на полную фотографию нашей платы, можно увидеть и пару модулей VRM для DRAM, но так как там нет таких напряжений, как на ЦП, эти VRM греются не сильно и в радиаторе не нуждаются.

Эти ненавистные перемычки!

Последние разъемы, о которых мы поговорим, – это те, которые управляют основной работой материнской платы и подключают дополнительные устройства. На рисунке ниже показан основной блок разъёмов для выключателей, индикаторов и системных динамиков:

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

  • 1 разъём кнопки мягкого выключения
  • 1 разъём кнопки ресета
  • 2 разъёма LED-индикации
  • 1 разъём системных динамиков

«Мягким» выключение питания называется потому, что при нем не происходит простого включения и отключение всей материнской платы. Вместо этого, при замыкании контактов этого разъёма, специальные «недремлющие» узлы платы включают или отключают основное питание платы в зависимости от текущего состояния. То же относится и к кнопке ресета, только в этом случае материнская плата будет всегда выключаться и тут же снова включаться.

Строго говоря, кнопка ресета, индикация и системный динамик не являются критически важными, но они традиционно обеспечивают самое базовое управление и информацию о состоянии системы.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Большинство материнских плат имеют подобный дополнительный блок разъемов, как показано выше. Тут мы имеем следующее (слева направо):

  • Разъем аудиопанели – если корпус компьютера оснащен дополнительной фронтальной панелью с разъёмами для наушников и микрофона, то с помощью данных разъёмов на плате они подключаются к встроенному аудиоконтроллеру. § Разъем цифрового аудио – то же, что и обычный аудиоразъём, только в стандарте S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface), обеспечивающем строго цифровую передачу аудиосигналов без промежуточной аналоговизации.
  • Перемычка (джампер) сброса BIOS – она позволяет сбросить все настройки BIOS к заводским. За ней также спрятан разъем термозонда. § Разъем криптопроцессора TPM (Trusted Platform Module) – он используется для повышения безопасности материнской платы и системы. § Разъем последовательного порта (COM) – древний интерфейс. Интересно, его кто-нибудь использует вообще? Хоть кто-нибудь?

Остальные подобные разъёмы на этой плате предназначены для подключения кулеров и дополнительных USB портов. Не обязательно каждая материнская плата должна поддерживать все это, но на большинстве из них они есть, как и есть на некоторых платах дополнительные разъёмы, которых на нашей рассматриваемой плате нет – скажем, разъём для RGB-подсветки (VDG).

Соединение соединений

Прежде чем мы закончим наше «вскрытие» материнской платы, кратко поговорим о том, как все эти устройства и разъемы соединены воедино. Мы уже упоминали о проводниках на плате, но что они из себя представляют?

Простым языком, это тонкие медные полоски. На фото ниже они окрашены для красоты в черный цвет со всей платой. Но это лишь маленький фрагмент проводников из тысяч подобных. Видимые нам проводники – лишь проводники на внешнем слое печатной платы, а плата состоит из нескольких слоёв и каждый из них испещрён такими кружевами проводников.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Простые, дешевые или старые материнские платы могут иметь только 4 слоя, но большинство современных плат имеют 6 или 8. Увеличение количества слоев не обязательно автоматически должно означать улучшение. Суть лишь в том, чтобы грамотно расположить все необходимые проводники на достаточном расстоянии друг от д

Разработчики материнских плат используют специальные программы для проектирования монтажа и, соответственно, оптимального вытравливания проводников. Опытные инженеры затем вручную корректируют компьютерный результат, основываясь на имеющейся практике. Это видео наглядно демонстрирует процесс проектирования сети проводников между элементами на печатной плате.

Поскольку материнские платы – это просто большие печатные платы, можно создать свою собственную, и если вы хотите получить представление о том, как это делается, прочитайте это превосходное руководство по изготовлению печатных плат.

Конечно, производство материнских плат в промышленных масштабах – это совсем другая история, поэтому, чтобы представить весь объём этого сложного процесса, посмотрите два видео ниже. Первое – в общих чертах о том, как проектируются и производятся печатные платы; на втором показан основной процесс сборки типичной материнской платы.

Заключение

Итак, мы произвели «вскрытие» современной материнской платы для настольных ПК. Это большие, сложные печатные платы, напичканные процессорами, свитчами, разъемами и микросхемами памяти. Там так много всевозможных интересных технологий, но мы часто забываем о них, когда они сидят в наших системных блоках.

Но, надеюсь, вы смогли ближе познакомиться с некоторыми из тех, что населяют ваш системный блок и, что более важно, у вас есть куча вопросов о них! Пишите нам, и мы попробуем разобраться

Материнская плата — что это такое и как работает

Материнская плата является основным компонентом компьютера, без которого другие просто-напросто не будут работать и взаимодействовать между собой.

Приобретая новый компьютер или собирая его вручную — первое, о чем нужно позаботиться, так это о выборе правильной материнки. Но перед этим лучше узнать, что это вообще такое и как работает.

Материнская плата - что это такое и как работает

О том, что такое оперативная память мы рассмотрели в предыдущем материале, сегодня же разберем, что такое материнка, ее функции и назначение.

Что такое материнская плата

Материнская плата (системная плата, материнка) — это основная системная плата, на которой строится модульное устройство: компьютер, ноутбук, смартфон, планшет и т.д. Т.е. это плата, на которую устанавливаются различные компоненты-модули: процессор, оперативная память, видеочип и другие. Она обеспечивает их взаимодействие и работу. На английском пишется, как — motherboard, mainboard.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Не зря ее назвали — материнская плата, ведь она по сути и является матерью для всех других компонентов системы. Важно понимать, что системные платы могут быть не только у компьютеров и ноутбуков, но и других устройств. Это общее название плат, для устройств, которые собираются из модулей-компонентов.

Что делает материнская плата

Как я писал уже выше, материнка объединяет между собой другие компоненты, установленные на нее, позволяя им общаться между собой. Выделим основные моменты:

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

1. Обеспечивает взаимодействие между собой компонентам, подключаемым к ней. Это может быть: процессор, оперативная память, видеокарта и т.д.

2. От нее зависит с какой скоростью будут обмениваться между собой устройства, к примеру, видеокарта и процессор.

3. Отвечает за звук. В большинство современных материнок по умолчанию встроена звуковая карта.

4. Отвечает за видео. Во множество системных плат есть уже интегрированные видеокарты.

5. Ответственная за сетевую составляющую, т.к. имеет интегрированный сетевой адаптер.

Материнская плата — устройство, из чего состоит

Состав материнской платы довольно обширен, рассмотрим основное, что на ней есть.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

1. Сокет для установки процессора. Гнездо куда устанавливается центральный процессор.

2. Сокеты PCI и PCI Express. К ним подключаются видеокарта и ТВ тюнеры.

3. Слоты для подключения оперативной памяти.

4. Разъемы SATA и IDE. Нужны для подключения SSD и жестких дисков.

5. Чипсет системной платы. Южный и северный мост. Северный мост ответственен за скорость с которой будут общаться между собой опереточная память, процессор и видеокарта. Южный отвечает за контроль работы энергосбережения, BIOS. часами и интерфейсами USB, SATA, LAN, ISE и Embed Audio.

6. Микросхема BIOS и питание CMOS. В CMOS хранится память всего БИОС, питает ее проста батарейка.

7. Аудио-адаптер и видеоадаптер. В некоторых моделях интегрированной видеокарты нет.

7. Разъемы USB, LAN, Ethernet, Audio и т.д.

8. Разъем для подключения питания.

Материнская плата — виды

Системные платы выпускаются для компьютеров в нескольких разных видах. Главным отличием является форм-фактор — размер. Производителей же таких плат довольно много. Основными и самыми известными являются: ASUS, Gigabyte, MSI, AS rock.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Standard ATX — 30,5х24,4 см. Стандарт, самая распространенная модель и популярная. На ней собирается большинство игровых машин, офисных ПК.

mATX — 24,4х24,4 см. Довольно интересное решение, чтобы собрать небольшой ПК. На данный момент есть множество видеокарт и других компонентов, которые выпускаются для таких материнок.

Mini-ITX — 17,0х17,0 см. Очень популярный на данный момент формат для сборки мини ПК. Можно собрать себе мини игровую консоль под телевизор. Видеокарт и других устройств для такого форм-фактор выпускается масса.

Есть еще XT, E-ATX, FlexATX, Mini-STX и другие. Их уже чаще используют для специфических задач. Например, E-ATX, конечно отличная штука, имеет размер 30,5×27,2 см. В нее можно установить пару видеокарт — отлично для геймеров. Но цены на такие материнки просто заоблачные.

Как выбрать материнскую плату — характеристики

К выбору материнской платы стоит подходить ответственно, от нее будет зависеть, как будут работать другие компоненты системы. Вот список характеристик, которые нужно изучить в первую очередь.

Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?

Форм-фактор. размер материнской платы. Все зависит, какой ПК вы хотите себе собрать — стандартный или мини, определитесь: ATX, mATX или Mini-ITX. С выбором комплектующих на данный момент проблем не возникнет. Но многие ITX версии видеокарт стоят больше, чем их обычные версии — учитывайте это. Стоит отметить, что в корпус mATX вполне себе устанавливаются материнки формата Mini-ITX.

Разъем для процессора. От него будет зависеть, какой процессор можно установить на плату. Более новые модели поддерживают новые процессоры, но они естественно будут дороже.

Частота системной шины. От нее зависит с какой скоростью между собой будут взаимодействовать установленные компоненты системы. Чем выше частота — тем лучше. Смотрите, чтобы она не была меньше, чем у других модулей вашего ПК.

Количество слотов PCI-E x1, PCI-E x16. Если, например, необходимо установить пару видеокарт, стороннюю аудио-плату и т.д. Количество слотов должно соответствовать вашим нуждам.

Количество слотов ОЗУ. Сколько Гб оперативной памяти вы хотите установить. 16 или 32? В планках по 8Гб или пару по 16Гб?

Чипсет. От него зависит, какой процессор поддерживается. Но, обычно сразу пишется какие поддерживаются ЦП, проблем не возникнет с этим пунктом.

Количество гнезд SATA. Сколько накопителей данных вы хотите подключить? Один SSD и жесткий диск?

Количество гнезд USB. Важный параметр, сейчас к ПК подключается множество устройств, лучше выбрать модель с большим кол-ом.

Версия USB. Если у вас есть устройства USB 3.0 то выбирайте модель, который поддерживает ее.

Интегрированная видео-карта и аудио. Зависит от того, будете ли вы подсоединять внешние, например, в офис для простой печати документов — можно взять модель уже со встроенным видеоадаптером и сэкономить. Если вы не меломан, то встроенная звуковая карта, вполне отлично подойдет, звук у неё отличный.

В заключение

Вот и все основные моменты, которые следует знать о материнских платах. Линейка статей об аппаратном обеспечении еще будет продолжена, и мы рассмотри другие компоненты наших компьютеров.

Что такое материнская плата компьютера

Персональный компьютер (ПК) состоит из множества узлов, передающих друг другу информацию, обрабатывающих её и обменивающихся ею с пользователем. Каждый узел выполняет свою узкоспециализированную функцию. Большинство этих узлов расположены в одном конструктивно законченном элементе – материнской плате. Постараемся разобраться, зачем нужна материнская плата.

Что такое материнская плата в компьютере

Эта плата, также называемая системной, «материнкой» и т.д. является основой любого ПК. Её иногда называют MB – английской аббревиатурой, произошедшей от слова «motherboard», материнская плата.

Другая расшифровка аббревиатуры MB – «mainboard», главная плата. И она действительно главная, поскольку все элементы ПК подключены к ней либо непосредственно, либо через стандартные кабели.

В большинстве системных блоков плата располагается вертикально. Её прикручивают к одной из его стенок.

Что такое материнская

Понятие материнской платы ее функции

С точки зрения обычного пользователя материнская плата представляет собой прямоугольное изделие из стеклотекстолита. На ней размещаются множество деталей и разъёмов, соединённых проводящими элементами.

Основных функций у материнской платы несколько:

  • передача управляющих сигналов от центрального процессора (ЦП) к различным устройствам;
  • обмен данными между процессором и памятью (постоянной и оперативной);
  • организация устройств долгосрочного хранения информации (жестких дисков и других внешних носителей) и обеспечение доступа к ним;
  • подключение внешних устройств (видеокарт, средств обработки звука, внешней памяти, сетевых адаптеров, принтеров и т.д.);
  • обеспечение ввода информации от пользователя или другого компьютера.

Важно! Отдельно следует отметить ещё одну важную функцию, не касающуюся обработки информацией напрямую, но обеспечивающую функционирование процессора и некоторых внешних устройств: обеспечение их дополнительным электропитанием.

Для чего нужна системная плата

Ответ на вопрос, что такое материнская плата компьютера, следует из описания её функций. Системная плата является тем самым связующим звеном (точнее, целым комплексом связующих звеньев), без которого работа ПК в целом будет невозможной.

Непосредственно в разъёмы на материнской плате вставляются следующие устройства:

  1. процессор;
  2. модули памяти;
  3. видеокарта;
  4. звуковая карта;
  5. любые другие устройства со стандартными интерфейсами материнки (сетевые адаптеры, устройства обработки видео и т.д.)

Устройства хранения информации (жёсткие диски, BlueRay и прочие) подключаются к материнке не непосредственно, а при помощи стандартных кабелей. В настоящее время для таких устройств используется интерфейс SATA. Кроме того, существуют такие же разъёмы для подключения резервных хранилищ информации, располагающихся вне системного блока.

Различные периферийные устройства (клавиатура, мышь, принтер, флешки и пр.) могут быть подключены к плате при помощи интерфейса USB. Разъёмы USB могут находиться как непосредственно на плате, так и подключены к ней при помощи кабелей.

Иногда на материнках для обеспечения совместимости с некоторыми моделями клавиатур и мышей может использоваться интерфейс PS/2, разъём которого также расположен на ней.

Платы со встроенными видеоадаптерами имеют разъём видеоадаптера, предназначенный для подключения к монитору.

Для чего нужна

Составляющие компоненты

Все компоненты, входящие в состав материнки жестко закреплены на ней при помощи пайки, клея или какого-либо другого способа соединения, а иногда и их комбинации. Теоретически для обычного пользователя материнка является неразборной.

К её главным составляющим относят:

  • разъём для подключения ЦП, т.н. «сокет»;
  • специальные крепёжные элементы для подключения системы охлаждения ЦП;
  • несколько разъёмов для подключения оперативной памяти;
  • микросхемы постоянной памяти;
  • микросхемы чипсета;
  • формирователи стандартных интерфейсов т.н. «шин» для работы с внешними устройствами;
  • разъёмы для подключения внешних устройств к шинам (т.н. слоты расширения);
  • контроллеры и разъёмы для подключения периферийных устройств;
  • разъёмы для подключения основного и дополнительного электропитания;
  • формирователи питающих напряжений для процессора, памяти и шин;
  • простые звуковые адаптеры (на большинстве современных материнок);
  • разъёмы для подключения кнопки включения и сброса ПК и индикаторов передней панели;
  • другие устройства индикации и отладки (опционально);

Обычно, компоненты на плате группируются по своим функциям. Например, чипсет, модули памяти и систему электропитания располагают поближе к ЦП. Под слоты расширения отводят большую часть свободной поверхности материнки, чтобы крупногабаритные устройства (например, видеокарты) разместились там без проблем.

Разъёмы для подключения периферии располагаются по периметру материнской платы, считается, что такое расположение упрощает подключение устройств к ним.

Часть разъёмов специально располагается в отдельном месте материнской платы, на так называемой задней панели разъёмов. Под заднюю панель в любом системном блоке сделано отверстие размерами 6,25 на 1,75 дюйма с допусками 0,08 дюйма (в среднем 159 на 45 мм).

Внимание! Все стандарты на размеры материнских плат, и вообще, всех комплектующих идут в дюймах. Поэтому не стоит удивляться «некруглым» цифрам в размерах тех или иных деталей, выраженных в миллиметрах.

На задней панели обязательно есть такие разъёмы:

  1. PS/2 для подключения мыши и клавиатуры;
  2. 4-8 разъёмов интерфейса USB;
  3. 3-6 разъёмов mini-jack для подключения звуковых устройств;
  4. RJ45 для подключения локальной сети.

Перечисленный набор присутствует практически у всех плат, но иногда к нему добавляются дополнительные разъёмы.

Составляющие

Разъёмы электропитания

Подключать материнскую плату к источнику питания можно через стандартный 24-контактный разъём питания. Иногда к нему добавляется один или несколько 4, 8 или 12 контактных разъёмов дополнительного питания +12В.

Импульсные стабилизаторы напряжения

Блок питания выдаёт напряжение +3.3 В, а также напряжения 5 В и 12 В обеих полярностей. Их использует большинство устройств внутри ПК. Однако ЦП требует других напряжений питания – от 1 до 2 В. Связано это с оптимизацией распределения потребляемой мощности.

Для того чтобы обеспечить питание процессора, на системной плате размещают преобразователи напряжения. Они представляют собой небольшие микросхемы, расположенные в непосредственной близости от ЦП. Помимо функций преобразования напряжения, эти микросхемы обеспечивают его стабилизацию – то есть постоянство во времени, в не зависимости от степени загруженности процессора. Каждый стабилизатор является миниатюрным импульсным источником питания, для работы которого нужны конденсаторы. Эти элементы устанавливаются рядом со стабилизаторами.

Внимание! Импульсные стабилизаторы потребляют столько же мощности, сколько и процессор. Поэтому радом с ними не должно быть никаких препятствий, мешающих циркуляции воздуха, обеспечивающего их охлаждение.

Чипсет

Главная деталь любой системной платы. Именно благодаря ему ЦП может выполнять программы и обрабатывать данные. В настоящее время со всеми устройствами, кроме оперативной памяти и основных шин, процессор «общается» только через чипсет.

До 2011 года чипсет физически разделялся на две микросхемы – северный и южный мосты. Северный мост использовался для связи с быстрыми устройствами, сопоставимых по быстродействию с процессором. Южный мост – с более медленными, быстродействие которых было в десятки, а то и в тысячи раз меньше, чем быстродействие процессора.

Но впоследствии, практически все составляющие компоненты северного моста были перенесены с материнской платы в процессор, что позволило примерно на треть увеличить общее быстродействие системы. Поэтому в настоящее время чипсет используется для обмена данными с медленными шинами и другими периферийными устройствами.

Чипсет мат

BIOS и CMOS

На каждой материнской плате располагается микросхема постоянной памяти, содержащая набор процедур, обеспечивающих запуск компьютера и подготовку его к загрузке операционной системы. Набор этих процедур называется BIOS. Это также аббревиатура от английского «basic input/output system» — базовая система ввода/вывода.

Кроме этих функций BIOS позволяет проводить более тонкую настройку параметров как материнской платы, так всего ПК. С её помощью можно ускорить/замедлить процессор, выбрать способ загрузки операционной системы, поменять системное время и так далее.

Хранение этих настроек частично возложено на устройство CMOS – небольшой объём энергонезависимой памяти, питающейся от сменной батарейки. При выключении питания ПК эти настройки сохраняются и используются при следующем включении. Срок службы батарейки составляет от 3 до 10 лет.

Внимание! По окончании ресурса батарейки система выдаст соответствующее сообщение. При его появлении батарейку рекомендуется заменить.

На всех без исключения материнках предусмотрено «обнуление» CMOS. Делается это для тех случаев, когда выбранные настройки приводят к неработоспособности компьютера. Обнуление может быть сделано при помощи специальной кнопки или джампера.

Разновидности плат

Материнские платы, подходящие для одних и тех же процессоров и имеющие одинаковые чипсеты могут быть произведены в различных конструктивных вариантах исполнения. В первую очередь это касается их размеров. Существует понятие форм-фактора или типоразмера материнской платы; разберемся, что это такое.

Геометрические размеры платы имеют стандартные значения для унификации используемых системных блоков и различных периферийных устройств. Рассмотрим их подробнее:

Размер: 12 на 13 дюймов (305 на 300 мм).

Преимущественно применяется для серверного, т.н. «стоечного» исполнения. Однако, могут применяться и для ПК, в случае, если необходимо подключить несколько крупных устройств, например, видеокарт. Обладают максимальным набором периферийных устройств, однако их стоимость может на порядок превышать стоимость обычных материнок. Число больших слотов расширения, поддерживающих шину PCIE-16 – до 4.

Standard ATX

Размер: 12 на 9,6 дюймов (305 на 244 мм).

Обычные платы, использующиеся в большинстве современных ПК. Подходят для любых корпусов типа Tower. Число слотов расширения – до 3.

microATX

Размер: 9,6 на 9,6 дюймов (244 на 244 мм).

Урезанная версия ATX. Используют один слот расширения, имеют ограничение на количество портов USB. При этом они дешевле стандартных и потребляют меньше электроэнергии.

Mini-ITX

Размер: 6,7 на 6,7 дюймов (170 на 170 мм).

Специализированные платы для небольших системных блоков, преимущественно используемых для офисных решений. Слот расширения либо отсутствует, либо имеется его урезанная версия. Процессор встроен в материнку и не подлежит замене. Обладают очень низким энергопотреблением. Блок питания ограничивается мощностью в 100 Вт. Для сравнения, питание самой «лёгкой» платы microATX требует источника питания минимум 300 Вт.

Mini-STX

Размер: 5,7 на 5,5 дюймов (147 на 140 мм).

Также специализированные платы для микрокомпьютеров. Слотов расширения нет, однако, процессор может быть заменен. Видеосистема встроенная. Применяется преимущественно для офисных и мобильных решений.

Разновидности

Как определить, какая материка установлена

Существует три способа определения типа системной платы, установленной в ПК:

  • При помощи программ диагностики. Таковыми могут быть CPU-Z, AIDA, PC Wizard и прочее.
  • При помощи DMI. Этот способ, скорее, применим для программистов. Частично он реализован в «Свойствах системы» ОС Windows, но тип материнской платы там отображается не всегда.
  • Визуальный. Разобрать системный блок и посмотреть надпись на плате. Традиционно, она находится между слотами расширения.

Первый способ самый простой и предпочтительный. Кроме того, он абсолютно безопасен и может применяться, когда вскрыть системный блок невозможно. Например, если ПК находится на гарантии.

Как выбрать хорошую материнскую плату

Выбор хорошей материнской платы должен производиться по следующим критериям:

Источник https://i2hard.ru/publications/24509/

Источник https://anisim.org/articles/materinskaya-plata-chto-eto/

Источник https://wi-tech.ru/materinskie-platy/chto-takoe-materinskaya-plata-v-kompyutere/

Источник

Leave a Comment

Ваш адрес email не будет опубликован.