Назначение и основные характеристики материнская плата. Системная плата: структура, функции, разновидности, размеры. Форм-факторы современных системных плат

Материнская или системная плата – это многослойная печатная плата, являющаяся основой ЭВМ, определяющая ее архитектуру, производительность и осуществляющая связь между всеми подключенными к ней элементами и координацию их работы.

1. Введение 2. Печатная плата 3. Чипсет 3.1. Основные функции северного моста 3.1.1. Интерфейсы связи с процессором 3.1.2. Интерфейсы связи с графическим адаптером 3.1.3. Интерфейсы связи с южным мостом 3.2. Основные функции Южного моста 3.2.1. Интерфейсы связи с платами расширения 3.2.2. Интерфейсы связи с периферийными устройствами и другими ЭВМ 3.2.3. Интерфейсы шин связи южного моста с жесткими дисками 3.2.4. Интерфейсы связи с медленными компонентами материнской платы 4. BIOS (Basic Input-Output System) 5. Другие элементы материнской платы

1. Введение.

Материнская плата – это один из важнейших элементов ЭВМ, определяющий ее облик и обеспечивающий взаимодействие всех подключаемых к материнской плате устройств.

На материнской плате размещаются все основные элементы ЭВМ, такие как:

Набор системной логики или чипсет – основной компонент материнской платы, определяющий какой тип процессора, тип ОЗУ, тип системной шины можно использовать;

Слот для установки процессора. Определяет, какой именно тип процессоров можно подсоединить к материнской плате. В процессорах могут использоваться различные интерфейсы системной шины (например, FSB, DMI, QPI и т.д.), какие то процессоры могут иметь встроенную графическую систему или контроллер памяти, может отличаться количество "ножек" и так далее. Соответственно для каждого типа процессора необходимо использовать свой слот для установки. Зачастую производители процессоров и материнских плат злоупотребляют этим, гонясь за дополнительной выгодой, и создают новые процессоры не совместимые с существующими типами слотов, даже если этого можно было избежать. В результате приходится при обновлении компьютера менять не только процессор, но и материнскую плату со всеми вытекающими из этого последствиями.

- центральный процессор – основное устройство ЭВМ, выполняющее математические, логические операции и операции управления всеми остальными элементами ЭВМ;

Контроллер ОЗУ (оперативно запоминающее устройство). Раньше контроллер ОЗУ встраивали в чипсет, но сейчас большинство процессоров имеют встроенный контроллер ОЗУ, что позволяет увеличить общую производительность и разгрузить чипсет.

ОЗУ – набор микросхем для временного хранения данных. В современных материнских платах имеется возможность подключения одновременно нескольких микросхем ОЗУ, обычно четырех или более.

ППЗУ (БИОС), содержащие программное обеспечение, осуществляющее тестирование основных компонентов ЭВМ и настройку материнской платы. И память CMOS хранящая настройки работы BIOS. Часто устанавливают несколько микросхем памяти CMOS для возможности быстрого восстановления работоспособности ЭВМ в экстренном случае, например, неудачной попытки разгона;

Аккумулятор или батарейка, питающая память CMOS;

Контроллеры каналов ввода-вывода: USB, COM, LPT, ATA, SATA, SCSI, FireWire, Ethernet и др. Какие именно каналы ввода-вывода будут поддерживаться, определяется типом используемой материнской платы. В случае необходимости, дополнительные контроллеры ввода-вывода можно устанавливать в виде плат расширения;

Кварцевый генератор, вырабатывающий сигналы, по которым синхронизируется работа всех элементов ЭВМ;

Таймеры;

Контроллер прерываний. Сигналы прерываний от различных устройств поступают не напрямую в процессор, а в контроллер прерываний, который устанавливает сигнал прерывания с соответствующим приоритетом в активное состояние;

Разъемы для установки плат расширения: видеокарт, звуковой карты и т.д.;

Регуляторы напряжения, преобразующие исходное напряжение в требуемое для питания компонентов установленных на материнской плате;

Средства мониторинга, измеряющие скорость вращения вентиляторов, температуру основных элементов ЭВМ, питающее напряжение и т.д.;

Звуковая карта. Практически все материнские платы содержат встроенные звуковые карты, позволяющие получить приличное качество звука. При необходимости можно установить дополнительную дискретную звуковую карту, обеспечивающую лучшее звучание, но в большинстве случаев это не требуется;

Встроенный динамик. Главным образом используется для диагностики работоспособности системы. Так по длительности и последовательности звуковых сигналов при включении ЭВМ можно определить большинство неисправностей аппаратуры;

Шины – проводники для обмена сигналами между компонентами ЭВМ.

Материнская плата - основной компонент каж­дого ПК. Называется главной, или системной , платой. Это самостоятельный элемент, который управляет внутренними связями и взаимодействует с внешними устройствами. Материн­ская плата является основным элементом внутри ПК, влияющим на производительность компьютера в целом.

Конструктивно материнская плата является главной платой ПК, на которой размещены все его основные элементы, линии соеди­нения и разъемы для подключения внешних устройств.

Тип установленной материнской платы определяет общую про­изводительность системы, а также возможности модернизации ПК и подключения дополнительных устройств.

Наиболее известными среди фирм - производителей материн­ских плат в настоящее время являются Intel, FICO, LackyStar, ASUStec.

Структура типовой материнской платы:

процессор, установленный в специальный разъем и охлажда­емый радиатором с вентилятором;

микросхемы кэш-памяти второго уровня (внешней). В современных процессорах эти микросхемы устанавливаются на плату картриджа центрального процессора;

слоты для установки модулей оперативной памяти;

слоты для установки карт расширения. Как правило, на мате­ринских платах имеются разъемы для карт стандарта ISA и PCI. Современные модели материнских плат оборудованы дополнительно слотом АGР. Наличие слотов и возможность установки в них любых карт расширения (видеоадаптера, звуковой карты, мо­дема, карты АЦП и других) определяет открытую архитектуру ПК;

микросхема перепрограммируемой памяти, в которой хра­нятся программы ВIOS, программы тестирования ПК, загрузки операционной системы, драйверы устройств, начальные установки;

разъемы для подключения накопителей HDD, FDD.

Все компоненты материнской платы связаны между собой си­стемой проводников (линий), по которым происходит обмен ин­формацией. Эту совокупность линий называют информаци­онной ш и н о й, или просто шиной.

Взаимодействие между компонентами и устройствами ПК, под­ключенными к разным шинам, осуществляется с помощью так называемых мостов, реализованных на одной из микросхем Chipset.

Размеры материнской платы, а также отверстия внутри платы, которые соединяют ее с дном корпуса, стандартизованы.

При выборе материнской платы необходимо согласовать ее раз­меры с типом корпуса ПК, а при ее установке следует исключить контакт с дном и боковыми металлическими панелями корпуса во избежание короткого замыкания.

Формфактор материнской платы - общая стратегия рас­положения на ней основных микросхем, слотов, ее форма и размер.

Формат материнских плат типоразмера ВаЬу-АТ появился в 1982 г. Материнские платы данного формата могут быть установ­лены практически в любой корпус, за исключением корпусов уменьшенной высоты. Именно поэтому они получили наибольшее распространение. В настоящее время корпорация Intel сняла с производства материнские платы ВаЬу-АТ и перешла на выпуск материнских плат спецификации АТХ.

В 1995 г. корпорация Intel предложила новую спецификацию АТХ для материнской платы и корпуса ПК.

В 1997 г. Корпорацией Intel был предложен новый стандарт NLX, который стал дальнейшим развитием стандарта АТХ. Согласно стандарту, в ПК устанавливается так называемая ризер-карта , имеющая стандартные слоты PCI и ISA, в которые уста­навливаются все необходимые карты расширения. Основное отли­чие ризер-карты состоит в том, что материнская плата устанавли­вается в специальный слот, называемый NLX. Этот разъем содержит не только информационную шину, но и шину питания. Таким образом, после установки материнская плата ав­томатически оказывается подключенной к шине питания. На ризер-карте располагаются различные разъемы, которые раньше располагались на материнской плате, - IDE, FDD, USB, блока питания и др. Преимущества стандарта NLX:

гарантированная возможность замены материнской платы;

удобный доступ к кабелям, картам расширения, модулям па­мяти;

существенное сокращение длины кабелей;

возможность замены CPU;

возможность применения двухпроцессорных систем.

Системная (материнская) плата - основа электронной составляющей компьютера. Она крепится к корпусу. Затем на материнскую плату устанавливается процессор, память, и многое другое. Т.е. она как бы соединительный элемент, база, к которой подключаются все остальные устройства. На материнской плате обычно установлены микросхемы, отвечающие за работу с процессором, памятью и другими устройствами (т.н. чипсет). Вот почему выбор материнской платы очень важен и с точки зрения производительности компьютера, и с точки зрения его надежности.

Из производителей материнских плат самыми качественными я бы назвала Intel и ASUSTeC. Но даже и у них не без недостатков. Например, у Intel были проблемы с совместимостью, а у ASUS последнее время (возможно, в связи с переносом части производства в Китай) начали появляться проблемы с надежностью.

А вообще мамки от Intel или ASUS можно покупать, не задумываясь - любая модель будет работать. С гарантией лучше у Intel.

Второй эшелон производителей материнских плат - Gigabyte, Abit, MSI, ECS, FoxConn. Они тоже вполне качественные, но отличаются от первого эшелона тем, что есть модели удачные, а есть не очень, удачная же модель по качеству может «дать фору» любой другой.

Материнские (системные) платы характеризуются:

• - форм-фактором (конструктив для установки в корпус - ATX, microATX, Baby AT, BTX и т.п.)
• - чипсетом (производителем и типом микросхем чипсета, на котором сделана материнская плата).
• - типом поддерживаемых процессоров и разъемом под проц (LGA775, Socket 478 и т.п.)
• - типом поддерживаемой памяти и разъемами под оперативную память
• - типом и кол-вом стандартных составляющих (контроллеры IDE, порты USB и т.п.)
• - наличием дополнительно установленных элементов - звук, графика, сеть и т.п.
• - и, конечно же, фирмой-производителем и качеством изготовления

БАЗОВАЯ СИСТЕМА ВВОДА - ВЫВОДА - BIOS

BIOS (англ. Basic Input-Output System -- базовая система ввода-вывода, БСВВ) -- небольшая программа, находящаяся на ПЗУ и отвечающая за самые базовые функции интерфейса и настройки оборудования, на котором она установлена. Наиболее широко среди пользователей компьютеров известна BIOS материнской платы, но BIOS присутствуют почти у всех компонентов компьютера: у видеоадаптеров, сетевых адаптеров, модемов, дисковых контроллеров, принтеров.

Главная функция BIOS материнской платы -- инициализация устройств, подключенных к материнской плате, прямо после включения питания компьютера. BIOS проверяет работоспособность устройств (т. н. самотестирование, англ. POST - Power-On Self Test), задает низкоуровневые параметры их работы (например, частоту шины центрального микропроцессора), и после этого ищет загрузчик операционной системы (англ. Boot Loader) на доступных носителях информации и передает управление операционной системе. Операционная система по ходу работы может изменять большинство настроек, изначально заданных в BIOS. Многие старые персональные компьютеры, которые не имели полноценной операционной системы, либо её загрузка не была необходимой пользователю, вызывали встроенный интерпретатор языка Бейсик. В некоторых реализациях BIOS позволяет производить загрузку операционной системы через интерфейсы, изначально для этого не предназначенные, в том числе USB и IEEE 1394. Также возможна загрузка по сети (применяется, например, в т. н. «тонких клиентах»).

Также BIOS содержит минимальный набор сервисных функций (например, для вывода сообщений на экран или приёма символов с клавиатуры), что и обусловливает расшифровку её названия: Basic Input-Output System -- Базовая система ввода-вывода.

В некоторых BIOS"ах реализуется дополнительная функциональность (например, воспроизведение аудио-CD или DVD-дисков), поддержка встроенной рабочей среды (например, интерпретатор языка Basic) и др.

Обойтись без материнской платы не получится. Кроме этого, от того, какая у вашего компьютера материнская плата, зависит дальнейшая его модернизация. Если материнская плата позволяет, то со временем может быть расширена оперативная память и установлена видеокарта, с более высокими показателями. Но любой апгрейд возможен, если есть неиспользуемые до сих пор слоты и разъемы.

В первую очередь поговорим о такой материнской плате, которая позволяет расширять систему во всех направлениях. Это полноразмерная плата и рекомендуемая фирма «Asus». Здесь имеется достаточное количество слотов и элементов, благодаря которым дальнейший апгрейд дает радужные перспективы. Так же нужно отметить хорошую разводку. Все элементы хорошо пропаяны и производитель гарантирует, что прослужит плата долго.

Как обычно, рассмотрим все по пунктам

На рисунке есть обозначения и давайте с ними разберемся. Это основные элементы материнской платы:

• разъем или сокет для подключения процессора;
• слоты для подключения видеокарты, иногда в продвинутых моделях плат одновременно могут быть установлены две видеокарты;
• в эти слоты подключается оперативная память, в данном случае стандарт DDR2;
• чип материнской платы и его «северный мост»;
• теперь южный мост;
• система, охлаждающая фазы для питания процессора;
• всем знакомые USB разъемы, их четыре, которые выводятся на заднюю стенку системного блока;
• звуковая карта встроенная и ее выходы;
• интерфейс дисковода FDC controller;
• это выходы, их тоже четыре, в которые подключаются нового стандарта жесткие диски;
• в эти три слота PCI можно при расширении подключить дополнительные платы, например, платы видео-захвата, ТВ тюнер и другие;
• BIOS батарейка;
• разъем в 12 V четырехконтактный для процессора;
• бок питания подключается в этот разъем из 24-х контактов, отсюда на материнскую плату подается напряжение;
• здесь подключаются устаревшие жесткие IDE диски для DVD, CD Rom;
• BIOS или микросхема.

Теперь еще подробнее

Комментарии могут потребоваться для таких элементов как система охлаждения. Отлично видно, что на рисунке она находится в самой середине и от нее идут медные трубки. Микросхема чипсета с северной стороны закрывается центральным радиатором. Конечно, он перекликается с микросхемой с южной стороны. Кроме того, здесь же находится контролер системной шины, оперативной памяти, встроенное видео.

Наверное, понятно, что когда говорится о северном и южном мосте, то в первую очередь имеется в виду их месторасположение. Северный мост находится выше слотов PCI, а южный, соответственно, ниже. Радиатор частично закрывает и южный мост, в котором находится контролер сетевой карты, встроенной в компьютер, USB шины, встроенный звук, и прочее.

Микросхемы, которые объединяются для выполнения каких-либо задач и называют чипсетами. По-английски это chipset. Северный и южный мост это две большие микросхемы на материнской плате компьютера.
Задача «Северного моста» соединять высокопроизводительные устройства и ЦПУ. Эти устройства находятся на материнской плате: видеоадаптер и память.

В отличие от него, «Южный мост» заведует жесткими дисками, платами расширения, картами сетевой и звуковой, USB и так далее. То есть в его ведении переферийные устройства.

Ниже пример, как выглядит два чипсета «Северный» и «Южный». Северный мост всегда больше, а южный меньше. Эти чипсеты от фирмы «VIA».

То, что на рисунке выше мы отметили цифрой «6» - это радиаторы. Они на материнской плате и их задача охлаждать фазы, питающие процессор. Транзисторы и конденсаторы находятся ниже этих радиаторов. Они не дают напряжению питания испытывать перепады, когда вдруг нагрузка возрастает. Если на материнской плате эти устройства есть, тогда не сомневайтесь, она качественная. При некачественной материнской плате процессор может работать нестабильно. Это уже нехорошо.

Фазы питания или цепи состоят из преобразователей напряжения, резисторов, транзисторов, дросселей, ШИМ-контролеров, конденсаторов и прочего. Все это входит в элементную базу питания процессора.

Чем занимаются преобразователи напряжения?

Они контролируют напряжение и подают его таким, каким оно необходимо для нормальной работы каждого элемента. Мы уже знаем, что питание приходит в 12 вольт. Однако не для всех элементов нужно именно такое напряжение. Поэтому его требуется понизить, что и делает преобразователь и потом перенаправляет к микросхеме или элементу, который в нем нуждается.

Вообще, это важная тема и здесь нужно остановиться подробнее. Есть модуль регулирования напряжения или Voltage Regulation Module. Сокращенно его называют VRM. Он и понижает напряжение. Но чаще этим занимается другой модуль VRD или Voltage Regulator Down. Обычному пользователю информации достаточно. Глубже вникать нет необходимости. Просто знайте, аббревиатуры и понимайте для чего они.

Преобразователь напряжения, обычно в своей схеме имеет еще и полевые МОП-транзисторы. Полевые от различных электрических полей. Этими полями они и управляются. Что значит МОП? По-английски это звучит как metal-oxide-semiconductor field effect transistor, а по-русски металл-оксид-полупроводник. Можно еще встретить сокращенную английскую версию MOSFET или мосфеты.

Основной контроль и управление фазами питания сосредоточено на материнской плате на PWM-контролере. Расшифровывается аббревиатура как Pulse Wide Modulation , переводится «широтно-импульсная модуляция» или ШИМ. Проще, это ШИМ-контролеры.

Как ШИМ-контролер понимает, какое напряжение необходимо подавать в центральный процессор? Ему об этом сигнализирует восьмибитный знак. В разные моменты напряжение должно быть разным и поэтому такой сигнал необходим.

Сейчас все компьютеры многофазные. Они имеют до 24 фаз. Но обычно можно увидеть и четырехфазные и восьмифазные компьютеры. А вот однофазные теперь редкость. Но когда-то только они и были на службе у человека. Теперь они признаны неэффективными.

Но, что такое однофазный регулятор?

Он имеет ограничение в максимальном напряжении, которое проходит через дроссели, мосфеты, конденсаторы или через основные элементы, формирующие его. Напряжение может быть не более тридцати ампер. Для сравнения, современные процессоры способны принимать электричество до ста и выше ампер. Если в современный компьютер установить одну фазу, то при таких «требованиях» она просто расплавится. Чтобы ограничения снять и стали производить питание процессора многофазное.

Если регулятор многофазный, тогда нагрузку электричества можно распределить или направить по отдельным фазам, их количество может быть самым разным. Но при этом все вместе эти фазы дадут именно ту мощность, которая необходима. Допустим, что установлено шесть фаз. Каждая фаза пропускает тридцать ампер. Это цифра ограничения, помните? Итак, каждая фаза подает по тридцать ампер и в сумме это будет все сто восемьдесят ампер.

Есть один нюанс, который нужно учитывать при покупке компьютера. Если его процессор Intel поколения Core i7, то энергию он потребляет в пределах 130 Ватт. Таким образом, для его питания хватит и шести фаз. Если вам говорят, что фаз больше, не верьте, привирают. Да сами элементы сейчас создаются полимерные твердотельные. Раньше элементная база состояла из электролитических конденсаторов. Теперь полимерные конденсаторы могут работать не менее пятидесяти тысяч часов. Даже дроссели другие, сердечко у них ферритовое. Поэтому и ток они пропускают не тридцать, как было когда-то, а все сорок ампер. И если питание шестифазное, тогда процессор получит 240 ампер. Энергии при этом он будет потреблять больше двухсот Ватт.

Современные материнские платы оснащены таким устройством, которое обеспечивает динамическое переключение между цепями питания. Все не так сложно, как может показаться на первый взгляд. Просто компьютер обычно энергии потребляет не так много, но иногда возникает необходимость и тогда уже во время работы фазы подключаются одна за другой. Если нагрузка уменьшается, тогда фазы отключаются. В принципе, как мы уже говорили, для работы процессора достаточно и одной фазы. Но это для слабого процессора. Иногда такой режим используют в процессе тестирования.

От фаз питания к материнской плате

Давайте вернемся к теме разговора. Чуть ниже, расположена картинка, где схематично изображены на материнской плате все основные разъемы и элементы:

Во главе стоит центральный процессор. С него-то все и начинается. То есть, буквально на каждый узел от центрального процессора передача данных производится через центральную шину.

На следующей картинке эта ситуация так же проиллюстрирована:

Что же это за шина такая, о которой мы так часто вспоминаем?

Это процессорная шина платы и ее название Front Side Bus. Если сказать коротко, то FSB. Через эту шину, взаимодействуют северный мост материнской платы и процессор. Можно сравнить с магистралью, с какой скоростью мчатся данные с такой скоростью, и работает вся система. Работа шины, ее частота, измеряется в мегагерцах, и чем показатель выше, тем работа идет активнее.

Когда-то мы уже подробно описывали, что такое частота и как ее измеряют. Об этом отдельно можно почитать в специальной статье.

У центрального процессора есть привилегия, только он подключается непосредственно к этой шине. Все остальные элементы передают и получают данные, через установленные контролеры. Все они встроены в микросхему «северного моста».

Иногда контролеры интегрируют в ядро CPU, и сейчас это происходит все чаще и чаще.

Что дает перенос контролеров? Когда контролер оперативной памяти перенесли из чипсета в ядро процессора, то сильно уменьшились задержки передачи данных. В принципе эти задержки неизбежны, когда они передаются через системную шину. Но здесь они оказались минимальны.

Интересно привести в пример процессор «Intel LGA1156». Там практически уже нет FSB. Почему? Просто все необходимые контролеры перенесены с материнской платы в процессор.

Идея компании «AMD» оказалась плодотворной. Теперь у этой технологии есть имя и называется она «Hyper Transport». Сначала она была исключительно для компьютеров, а сейчас по этому принципу оснащены сетевые маршрутизаторы компании «Cisco». Как уже понятно, устройства эти высокопроизводительные.

Постепенно ядро процессора все усложняется. Туда переносятся уже практически все устройства, включая видео. Сначала его место было на материнской плате в северном мосту. Место казалось идеальным. Но когда оно было перенесено в ядро процессора, оказалось, что это намного эффективнее.

Почему этот процесс стал вообще возможен?

Дело в том, что техпроцесс производства процессоров сокращается. Для примера посмотрим на процессоры серии. Там техпроцесс используется в 22 нанометра. И благодаря этому, появилась возможность размещать транзисторы в количестве 1,4 миллиарда. И это все на одной и той же площади.

Чтобы было понятнее, нанометром называют одну миллиардную часть метра. Соответственно, 22 нанометра это линейное разрешение литографического оснащения. Оно входит в состав центрального процессора.

Как видно, эволюция идет по пути уменьшения всего, транзисторов и других элементов. И появляется возможность размещать их на одном кристалле. И количество транзисторов постоянно растет это закономерно. Таким образом, на их базе можно создать любой элемент и встроить его графическое ядро ЦП. Сейчас разработчики именно этим и занимаются. Они постоянно уменьшают техпроцесс.

Процесс этот привел к тому, что под одной крышей в центральном процессоре оказались практически все контролеры и интерфейсы. Во многих современных материнских платах южный мост оказался овсе ненужным. И от него просто отказались. Зато в северный мост попали некоторые из них. Классический вариант описанной нами ранее материнской платы можно увидеть теперь редко.

Если материнская плата дешевая, то можно увидеть такую картину: она укорочена, а все элементы все равно не на ней размещены. Только вот находятся они и сбоку и снизу текстолитовой пластины. Понятно, что ни о разъемах, ни о выходах говорить не приходится. Куда уж тут, элементы бы разместить!