Материнская плата - Motherboard

Материнская плата (также называемая материнская плата , основная плата , или Мобо ) является основной печатной платы (ПП) в компьютерах общего назначения и других расширяемых систем. Он поддерживает и обеспечивает связь между многими важными электронными компонентами системы, такими как центральный процессор (ЦП) и память , а также предоставляет разъемы для других периферийных устройств . В отличие от объединительной платы , материнская плата обычно содержит важные подсистемы, такие как центральный процессор, контроллеры ввода / вывода и памяти набора микросхем , интерфейсные разъемы и другие компоненты, интегрированные для общего использования.

Материнская плата означает, в частности, печатную плату с возможностью расширения. Как следует из названия, эта плата часто называют «матерью» всех компонентов , прикрепленных к нему, которые часто включают в себя периферийные устройства, интерфейсные карты и дочерние платы : звуковые карты , видеокарты , сетевые карты , адаптеры шины , ТВ - тюнеров , Карты IEEE 1394 ; и множество других пользовательских компонентов.

Системная плата Dell Precision T3600, используемая в профессиональных рабочих станциях САПР. Год выпуска 2012 г.

Точно так же термин материнская плата описывает устройство с одной платой и без дополнительных расширений или возможностей, таких как платы управления в лазерных принтерах, телевизорах, стиральных машинах, мобильных телефонах и других встроенных системах с ограниченными возможностями расширения.

Материнская плата для персонального настольного компьютера; показаны типичные компоненты и интерфейсы, имеющиеся на материнской плате. Эта модель соответствует форм-фактору Baby AT , который используется во многих настольных ПК.

История

Материнская плата компьютера NeXTcube (1990 г.) с микропроцессором Motorola 68040 работала на частоте 25 МГц и цифровым сигнальным процессором Motorola 56001 на частоте 25 МГц, доступ к которому имелся напрямую через разъем на задней стороне корпуса.

До изобретения микропроцессора цифровой компьютер состоял из множества печатных плат в каркасе для карт с компонентами, соединенными объединительной платой , набором соединенных между собой разъемов. В очень старых конструкциях медные провода были дискретными соединениями между контактами разъема карты, но вскоре печатные платы стали стандартной практикой. Центральный процессор (ЦП), память и периферийные устройства были размещены на индивидуальном печатные платы, которые были подключены к объединительной плате. Вездесущая шина S-100 1970-х годов является примером системы объединительной платы этого типа.

Самые популярные компьютеры 1980-х годов, такие как Apple II и IBM PC, публиковали схематические диаграммы и другую документацию, которая позволяла быстро производить обратное проектирование и заменять материнские платы сторонними производителями. Обычно предназначенные для создания новых компьютеров, совместимых с образцами, многие материнские платы предлагали дополнительную производительность или другие функции и использовались для обновления оригинального оборудования производителя.

В конце 1980-х - начале 1990-х годов стало экономичным переносить на материнскую плату все большее количество периферийных функций. В конце 1980-х материнские платы персональных компьютеров стали включать одиночные микросхемы (также называемые микросхемами Super I / O ), способные поддерживать набор низкоскоростных периферийных устройств: клавиатуру и мышь PS / 2 , дисковод для гибких дисков , последовательные порты и параллельные порты. . К концу 1990-х многие материнские платы персональных компьютеров включали в себя встроенные аудио-, видео-, хранилища и сетевые функции потребительского уровня без необходимости использования каких-либо карт расширения ; В высокопроизводительных системах для трехмерных игр и компьютерной графики обычно в качестве отдельного компонента использовалась только видеокарта. ПК, рабочие станции и серверы для бизнеса с большей вероятностью потребуются карты расширения либо для более надежных функций, либо для более высоких скоростей; в этих системах часто было меньше встроенных компонентов.

Ноутбуки и портативные компьютеры, которые были разработаны в 1990-х годах, были интегрированы с наиболее распространенными периферийными устройствами. Это включало даже материнские платы без обновляемых компонентов - тенденция, которая будет продолжаться по мере появления систем меньшего размера на рубеже веков (таких как планшетный компьютер и нетбук ). Память, процессоры, сетевые контроллеры, источник питания и хранилище будут интегрированы в некоторые системы.

Дизайн

Материнская плата Octek Jaguar V 1993 года выпуска. На этой плате мало встроенных периферийных устройств, о чем свидетельствуют 6 слотов для карт ISA и отсутствие других встроенных разъемов внешнего интерфейса. Обратите внимание, что большой разъем для клавиатуры AT сзади справа - это единственный периферийный интерфейс.
Материнская плата Samsung Galaxy SII ; почти все функции устройства объединены на очень маленькой плате

Материнская плата обеспечивает электрические соединения, с помощью которых обмениваются данными другие компоненты системы. В отличие от объединительной платы, он также содержит центральный процессор и другие подсистемы и устройства.

Типичный настольный компьютер имеет микропроцессор , основную память и другие важные компоненты, подключенные к материнской плате. Другие компоненты, такие как внешнее хранилище , контроллеры для отображения видео и звука , а также периферийные устройства, могут быть подключены к материнской плате в виде сменных карт или с помощью кабелей; В современных микрокомпьютерах все чаще интегрируются некоторые из этих периферийных устройств в саму материнскую плату.

Важным компонентом материнской платы является набор микросхем микропроцессора , который обеспечивает вспомогательные интерфейсы между процессором и различными шинами и внешними компонентами. Этот набор микросхем в некоторой степени определяет особенности и возможности материнской платы.

Современные материнские платы включают в себя:

  • Разъемы ЦП (или разъемы ЦП), в которых могут быть установлены один или несколько микропроцессоров . В случае ЦП в корпусах с массивом шариковой сетки , таких как VIA Nano и Goldmont Plus , ЦП напрямую припаян к материнской плате.
  • Слоты памяти, в которые должна быть установлена ​​основная память системы, обычно в виде модулей DIMM, содержащих микросхемы DRAM, могут быть DDR3 , DDR4 или DDR5.
  • Набор микросхем, который образует интерфейс между процессором , основной памятью и периферийными шинами.
  • Микросхемы энергонезависимой памяти (обычно Flash ROM на современных материнских платах), содержащие микропрограмму системы или BIOS.
  • Тактовый генератор , который вырабатывает систему тактового сигнала для синхронизации различных компонентов
  • Слоты для карт расширения (интерфейс с системой через шины, поддерживаемые чипсетом)
  • Разъемы питания, которые получают электроэнергию от блока питания компьютера и распределяют ее на ЦП, набор микросхем, основную память и карты расширения. По состоянию на 2007 год некоторым видеокартам (например, GeForce 8 и Radeon R600 ) требуется больше энергии, чем может обеспечить материнская плата, поэтому были введены специальные разъемы для подключения их непосредственно к источнику питания.
  • Разъемы для жестких дисков, дисководов оптических дисков или твердотельных накопителей, сейчас обычно SATA и NVMe .

Кроме того, почти все материнские платы включают логику и разъемы для поддержки часто используемых устройств ввода, таких как USB для мыши и клавиатуры . Ранние персональные компьютеры, такие как Apple II или IBM PC, имели на материнской плате только минимальную поддержку периферийных устройств. Иногда оборудование видеоинтерфейса также интегрируется в материнскую плату; например, на Apple II и редко на IBM-совместимых компьютеров , таких как IBM PC - младший . Дополнительные периферийные устройства, такие как контроллеры дисков и последовательные порты, были предоставлены как карты расширения.

Учитывая высокую тепловую мощность процессоров и компонентов высокоскоростных компьютеров, современные материнские платы почти всегда имеют радиаторы и точки крепления вентиляторов для отвода избыточного тепла.

Фактор формы

Материнские платы производятся в различных размерах и формах, называемых компьютерным форм-фактором , некоторые из которых являются специфическими для отдельных производителей компьютеров. Однако материнские платы, используемые в IBM-совместимых системах, рассчитаны на различные размеры корпусов . По состоянию на 2005 год большинство материнских плат настольных компьютеров используют стандартный форм-фактор ATX - даже те, которые используются в компьютерах Macintosh и Sun , которые не были построены из обычных компонентов. Форм-фактор материнской платы и блока питания (БП) корпуса должен совпадать, хотя некоторые материнские платы меньшего форм-фактора того же семейства подходят для более крупных корпусов. Например, корпус ATX обычно вмещает материнскую плату microATX . В портативных компьютерах обычно используются высокоинтегрированные, миниатюрные и индивидуализированные материнские платы. Это одна из причин того, что портативные компьютеры сложно модернизировать и дорого ремонтировать. Часто выход из строя одного компонента ноутбука требует замены всей материнской платы, что обычно дороже, чем материнская плата для настольного компьютера.

Сокеты процессора

Разъем ЦП (центральный процессор) или слот - это электрический компонент, который подключается к печатной плате (PCB) и предназначен для размещения ЦП (также называемого микропроцессором). Это специальный тип гнезда для интегральных схем, предназначенный для очень большого количества выводов. Разъем ЦП обеспечивает множество функций, включая физическую структуру для поддержки ЦП, поддержку радиатора, облегчение замены (а также снижение затрат) и, что наиболее важно, формирование электрического интерфейса как с ЦП, так и с печатной платой. Разъемы ЦП на материнской плате чаще всего можно найти на большинстве настольных и серверных компьютеров (в ноутбуках обычно используются ЦП для поверхностного монтажа), особенно на тех, которые основаны на архитектуре Intel x86 . Тип сокета ЦП и набор микросхем материнской платы должны поддерживать серию и скорость ЦП.

Интегрированная периферия

Блок-схема материнской платы начала 2000-х годов, которая поддерживает множество встроенных периферийных функций, а также несколько слотов расширения

В связи с неуклонным снижением стоимости и размеров интегральных схем теперь можно включить поддержку многих периферийных устройств на материнскую плату. Комбинируя множество функций на одной печатной плате , можно уменьшить физический размер и общую стоимость системы; Таким образом, высокоинтегрированные материнские платы особенно популярны в компьютерах малого форм-фактора и бюджетных компьютерах.

Слоты для периферийных карт

Типичная материнская плата будет иметь разное количество подключений в зависимости от ее стандарта и форм-фактора .

Стандартная современная материнская плата ATX обычно имеет два или три разъема PCI-Express x16 для видеокарты, один или два старых разъема PCI для различных карт расширения и один или два разъема PCI-E x1 (который заменил PCI ). Стандартная материнская плата EATX будет иметь от двух до четырех разъемов PCI-E x16 для видеокарт и различное количество разъемов PCI и PCI-E x1. Иногда он также может иметь слот PCI-E x4 (зависит от марки и модели).

Некоторые материнские платы имеют два или более слота PCI-E x16, что позволяет использовать более 2 мониторов без специального оборудования или использовать специальную графическую технологию под названием SLI (для Nvidia ) и Crossfire (для AMD ). Они позволяют соединять от 2 до 4 видеокарт вместе, чтобы обеспечить лучшую производительность в ресурсоемких задачах графических вычислений, таких как игры, редактирование видео и т. Д.

В более новых материнских платах слоты M.2 предназначены для SSD и / или контроллера беспроводного сетевого интерфейса .

Температура и надежность

Материнская плата ноутбука серии Vaio E (справа)
Материнская плата microATX с неисправными конденсаторами

Материнские платы обычно имеют воздушное охлаждение с радиаторами, которые часто устанавливаются на более крупных микросхемах современных материнских плат. Недостаточное или неправильное охлаждение может вызвать повреждение внутренних компонентов компьютера или привести к его сбою . Пассивного охлаждения или одного вентилятора, установленного на блоке питания , было достаточно для процессоров многих настольных компьютеров до конца 1990-х годов; с тех пор большинству из них потребовались установленные на ЦП вентиляторы и радиаторы из-за повышения тактовой частоты и энергопотребления. Большинство материнских плат имеют разъемы для дополнительных компьютерных вентиляторов и встроенные датчики температуры для определения температуры материнской платы и процессора, а также разъемы для управляемых вентиляторов, которые BIOS или операционная система могут использовать для регулирования скорости вращения вентилятора. В качестве альтернативы компьютеры могут использовать систему водяного охлаждения вместо множества вентиляторов.

Некоторые компьютеры с малым форм-фактором и домашние кинотеатры, предназначенные для бесшумной и энергоэффективной работы, имеют конструкцию без вентилятора. Обычно это требует использования ЦП с низким энергопотреблением, а также тщательной компоновки материнской платы и других компонентов, позволяющих разместить радиатор.

Исследование 2003 года показало, что некоторые ложные сбои компьютера и общие проблемы с надежностью, начиная от искажения изображения на экране и заканчивая ошибками чтения / записи ввода-вывода , могут быть связаны не с программным обеспечением или периферийным оборудованием, а со старением конденсаторов на материнских платах ПК. В конечном итоге было показано, что это результат неправильного состава электролита, проблема, названная чумой конденсаторов .

Современные материнские платы используют электролитические конденсаторы для фильтрации постоянного тока, распределяемого по плате. Эти конденсаторы стареют с зависящей от температуры скоростью, поскольку их водные электролиты медленно испаряются. Это может привести к потере емкости и последующим сбоям в работе материнской платы из-за нестабильности напряжения . Хотя большинство конденсаторов рассчитаны на 2000 часов работы при 105 ° C (221 ° F), их ожидаемый расчетный срок службы примерно удваивается на каждые 10 ° C (18 ° F) ниже этого значения. При температуре 65 ° C (149 ° F) срок службы может составлять от 3 до 4 лет. Однако многие производители поставляют некачественные конденсаторы, которые значительно сокращают срок службы. Недостаточное охлаждение корпуса и повышенная температура вокруг разъема процессора усугубляют эту проблему. С помощью верхних вентиляторов компоненты материнской платы можно поддерживать при температуре ниже 95 ° C (203 ° F), что фактически удваивает срок службы материнской платы.

С другой стороны, материнские платы среднего и высокого класса используют исключительно твердотельные конденсаторы. На каждые 10 ° C меньше их средний срок службы увеличивается примерно в три раза, что приводит к увеличению ожидаемого срока службы в 6 раз при 65 ° C (149 ° F). Эти конденсаторы могут быть рассчитаны на 5000, 10000 или 12000 часов работы при 105 ° C (221 ° F), что увеличивает прогнозируемый срок службы по сравнению со стандартными твердотельными конденсаторами.

В настольных ПК и ноутбуках решения по охлаждению и мониторингу материнской платы обычно основаны на Super I / O или встроенном контроллере .

Начальная загрузка с использованием базовой системы ввода / вывода

Материнские платы содержат ROM (а позже EPROM , EEPROM , NOR flash ) для инициализации аппаратных устройств и загрузки операционной системы с периферийного устройства . Микрокомпьютеры, такие как Apple II и IBM PC, использовали микросхемы ПЗУ, установленные в гнездах на материнской плате. При включении питания центральный процессор загружает в свой программный счетчик адрес загрузочного ПЗУ и начинает выполнение инструкций из загрузочного ПЗУ. Эти инструкции инициализировали и тестировали оборудование системы, отображали системную информацию на экране, выполняли проверки ОЗУ , а затем загружали операционную систему с периферийного устройства. Если ничего не было доступно, компьютер будет выполнять задачи из других хранилищ ПЗУ или отображать сообщение об ошибке, в зависимости от модели и конструкции компьютера. Например, и Apple II, и оригинальный IBM PC имели Cassette BASIC (ROM BASIC) и запустили бы его, если бы операционная система не могла быть загружена с дискеты или жесткого диска.

В большинстве современных конструкций материнских плат для загрузки операционной системы используется BIOS , хранящийся в микросхеме EEPROM или флэш-памяти NOR , припаянной к материнской плате или вставленной в нее . Когда компьютер включен, микропрограмма BIOS проверяет и настраивает память, схемы и периферийные устройства. Это Power-On Self Test (POST) может включать в себя тестирование некоторых из следующих вещей:

Многие материнские платы теперь используют преемник BIOS под названием UEFI . Он стал популярным после того, как Microsoft начала требовать, чтобы система была сертифицирована для работы с Windows 8 .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки