Из чего состоит материнская плата

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.

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.

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.

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).

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

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.

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).

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.

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.

Читать статью  Что такое материнская плата или системная плата и для чего она нужна?

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.

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.

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.

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.

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.

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)

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.

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.

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.

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.

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

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.).

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.

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.

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.

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:

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.

Читать статью  Что чаще всего сгорает в материнской плате

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.

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.

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:

  • 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.

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.

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

Из чего состоит материнская плата

Из чего состоит материнская плата

При перечислении характеристик компьютера в первую очередь указывается центральный процессор, оперативная память, видеокарта и накопители. Именно они определяют его мощность в конкретных задачах. Но главная деталь, которая всех их связывает, часто упоминается лишь мельком, хотя роль в работе ПК она играет такую же важную. Это — материнская плата. Из чего она состоит? Расскажем в этом материале.

Материнская плата, от английского «motherboard» — печатная плата, представляющая собой основу построения любого модульного электронного устройства. Именно посредством нее соединяются и «общаются» между собой другие компоненты электронной системы.

Визуально материнская плата домашнего компьютера — это достаточно сложное устройство с большим количеством электронных компонентов и различных разъемов. Из каких же частей она состоит, и за что отвечает каждая из них?

Чипсет

Чипсет — от английского «chipset», дословно «набор микросхем». Это «мозг» материнской платы, благодаря которому осуществляются коммуникации между всеми компонентами системы: такими, как процессор, оперативная память, видеокарта и накопители. На ранних материнских платах чипсетом действительно был набор нескольких различных микросхем, чуть позже их стали объединять в две — северный и южный мост.

Северный мост отвечает за коммуникации основных компонентов системы с центральным процессором — в первую очередь видеокарт и оперативной памяти.

Южный мост соединяется по специальному каналу с северным мостом и отвечает за подключение менее требовательных к скорости «общения» компонентов системы и периферии: таких, как накопители, слоты расширения, звуковой кодек и порты USB.

В 2009 году компания Intel представила первую платформу, где все функции северного моста полностью переехали в центральный процессор. Процессоры первого поколения Core i7 и Core i5 под кодовым названием Lynnfield работали с новыми материнскими платами на базе чипсета P55. Вместо двух микросхем на материнских платах нового поколения осталась одна. И если в более старых платформах чипсетом называли северный мост, то с того времени и до сих пор под чипсетом материнской платы подразумевается именно микросхема южного моста. На данный момент это касается всех современных платформ как Intel, так и AMD. Последняя пришла к такой компоновке с выходом первого поколения процессоров Ryzen.

Дополнительные микросхемы

Чипсет включает в себя львиную долю управляющей электроники материнской платы, но далеко не всю. Помимо него на плате имеются еще несколько микросхем, которые обеспечивают работу встроенных устройств:

Звуковой кодек. Чип, отвечающий за воспроизведение и запись звука. Часто рядом с ним распаяны специальные звуковые конденсаторы, отличающиеся от других на плате. На топовых платах в помощь звуковому кодеку распаивается чип звукового усилителя.

Чип сетевой карты. Отвечает за сетевые функции и работу встроенного разъема RJ-45.

Мультиконтроллер. Микросхема, отвечающая за мониторинг напряжений, температур и работу с периферийными устройствами.

Контроллер VRM. Отвечает за управление подсистемой питания, подробнее о которой далее по тексту.

Микросхемы BIOS. Флеш-память, содержащая в себе базовую систему ввода-вывода. На плате может быть распаян как один такой чип, так и два. В последнем случае второй чип используется в качестве резервного на случай неисправности или неудачного обновления первой микросхемы BIOS.

На некоторых платах для обеспечения дополнительных функций применяются и другие разновидности чипов:

Контроллер USB. Используется для обеспечения работы дополнительных высокоскоростных портов USB помимо тех, что реализованы самим чипсетом. Подключается к PCI-E линиям чипсета.

Контроллер SATA. Аналогично предыдущему используется для увеличения количества доступных SATA-портов и тоже подключается к чипсету по PCI-E.

Свитчи и мосты PCI-Express. Используются для более гибкого управления периферическими возможностями и реализации большего количества скоростных слотов: например, PCI-E или M2. Данные микросхемы умеют «разделять» линии PCI-E, идущие от чипсета или процессора. Как пример, на современных платах это дает возможность разделить линии одного слота видеокарты x16 на два слота x8. Или вместо трех полноскоростных слотов NVME, поддерживаемых чипсетом, реализовать четыре или пять.

Также на плате присутствует еще один дополнительный элемент — батарея CMOS формата 2032. Благодаря ей после обесточивания питания сохраняются пользовательские настройки BIOS. На продвинутых моделях, предназначенных для разгона, могут быть и кнопки включения, перезагрузки и сброса настроек BIOS, а также индикатор пост-кодов.

Читать статью  Ширина шины материнской платы: понимание и важность для работы компьютера

Подсистема питания

VRM — сокращение от английского Voltage Regulator Module, в переводе «модуль управления напряжением». Компьютерный блок питания формирует напряжения 12, 5 и 3.3 В. Любого из них слишком много для процессора и оперативной памяти, которые обычно работают от напряжения чуть больше 1 В. И тут в дело вступает VRM. Он преобразовывает поступающие на него 12 В в более низкое напряжение для процессора, встроенной графики и оперативной памяти.

VRM состоит из полевых транзисторов, дросселей, драйверов и конденсаторов. Так как одна сборка вышеперечисленных компонентов не способна обеспечить процессор нужной мощностью, их устанавливается несколько. Называют их фазами питания. Управляет ими специальный контроллер, который отвечает за распределение нагрузки между сборками.

Мощность подсистемы питания зависит от ценовой категории материнской платы. У бюджетных плат обычно 3-4 такие сборки, каждая из которых рассчитана на относительно малый ток 35-45 А. У плат среднего ценового диапазона встречаются 6-8 фаз питания процессора на 50-60 А. У топовых их количество может достигать и двух десятков с максимальным током до 90-120 А. Это только процессорные фазы. Помимо них, VRM также включает фазы питания, формирующие напряжение для оперативной памяти и встроенной графики процессора. Их количество чаще всего не превышает одной-двух для каждого из этих компонентов.

Поверх сборок для лучшего рассеивания выделяемого тепла часто устанавливается радиатор. Чем мощнее VRM, тем массивнее и монструознее выглядит радиатор. На современных игровых платах его часто снабжают разнообразной подсветкой и надписями. У редких плат радиатор VRM даже оснащается собственными миниатюрными вентиляторами для лучшего охлаждения.

Питание VRM получает от специального разъема ATX 12V. На бюджетных платах он может быть четырехконтактным, но на подавляющем большинстве плат контактов у него восемь. Встречаются и комбинированные варианты с обоими разновидностями разъемов. На материнских платах, предназначенных для разгона, восьмиконтактных разъемов может быть несколько, вплоть до трех — это позволяет обеспечить больше мощности для стабильного питания ЦП.

Помимо разъема ATX 12V, к материнской плате подключается еще один — главный ATX. Он состоит из 24 контактов и питает оставшиеся части материнской платы. Кроме напряжения 12 В, через него передаются и более низкие 5 и 3.3 В. У устаревших плат можно встретить разновидность разъема с 20 контактами.

Процессорный сокет

Процессорный сокет — разъем для установки центрального процессора. Обладает наибольшим количеством контактов среди всех разъемов материнской платы. Имеет квадратную или прямоугольную форму.

Сокеты современных процессоров бывают двух видов — LGA и PGA. LGA состоит из так называемых «ножек» — упругих контактов. Процессоры, предназначаемые для сокета типа LGA, обладают плоской контактной поверхностью. Таким типом сокетов с 2004-2005 годов оснащаются все платы для процессоров Intel. AMD тоже использует LGA в серверном и высокопроизводительном сегменте. В сегменте массовых компьютеров LGA у них появится уже в этом году — в сокете AM5 для новых платформ под процессоры архитектуры Zen 4.

С сокетом LGA нужно обращаться осторожно: контактные «ножки» очень мягкие и могут быть помяты от любого, даже легкого физического воздействия. В противовес этому, сокеты типа PGA внешних воздействий не боятся. Секрет прост: такие сокеты имеют пластиковый корпус и большое количество контактных отверстий для процессорных ножек. А вот с процессорами в PGA упаковке наоборот нужно быть осторожными, так как велика вероятность эти самые ножки погнуть. Таким типом сокета оснащались процессоры Intel до 2004 года. Cреди современных представителей им пользуются представители семейства AMD Ryzen, а также все более ранние модели AMD.

Внутренние слоты и разъемы

Помимо сокета, куда вставляется процессор, материнская плата оснащена большим количеством разъемов для внутренних устройств, которые находятся в системном блоке, и, собственно, формируют собой персональный компьютер.

Длинные продолговатые слоты — это слоты для оперативной памяти. Чаще всего они расположены вертикально, с правой стороны от процессорного сокета, но бывают и исключения. В зависимости от модели и поколения материнской платы, их может быть два, четыре, шесть и даже восемь. Большее количество слотов тоже встречается, но только в серверных моделях. Современные платы оснащены слотами для ОЗУ поколения DDR4 или DDR5, более старые — слотами под предыдущие поколения DDR.

Ниже процессорного сокета находятся слоты расширения. В современных платах все они относятся к типу PCI-Express, в более старых платах можно встретить и классический PCI, в совсем старых — предшествующий PCI-E разъем AGP. Слоты PCI-E отличаются как по физической длине, так и по ширине используемого внутри них электрического интерфейса. Самый большой слот — полноразмерный PCI-E x16. Он предназначен в первую очередь для видеокарты, но может быть использован и для другого оборудования. Любая материнская плата имеет в своем составе хотя бы один такой слот.

Платы среднего и высокого ценового диапазона имеют несколько физических слотов PCI-E x16. Однако электрическая разводка в них часто не на все линии, так как у чипсетов плат есть на них ограничение. В подавляющем большинстве случаев самый верхний слот PCI-E x16 имеет полные 16 линий, остальные могут иметь как 8, так и 4 линии. Это касается плат на массовых чипсетах. В HEDT-сегменте число поддерживаемых чипсетом линий больше, поэтому на таких платах можно встретить несколько полноскоростных слотов PCI-E.

Кроме полноразмерных слотов PCI-E, на платах также имеются и более мелкие. Это разъемы PCI-E x1, предназначенные для карт расширения, не требующих высокоскоростного обмена информацией. К ним относятся сетевые платы, звуковые карты, платы с дополнительными портами USB и SATA, ТВ-тюнеры, карты захвата и прочее. Иногда встречаются и более крупные PCI-E x4 и PCI-E x8, но на современных платах это скорее исключение, чем правило.

Через протокол PCI-E работают и другие слоты — M2. Они предназначены для SSD-накопителей этого формата. Такие слоты могут быть и переключаемыми, поддерживая параллельно режиму PCI-E дополнительный режим SATA для соответствующих SSD. В зависимости от модели и ценовой категории платы, количество таких разъемов может достигать 4-5 штук. Однако в самых бюджетных моделях их может и не быть вовсе.

Для классических накопителей формата 2.5 и 3.5 дюйма, таких как соответствующие SSD и жесткие диски, на любой современной материнской плате присутствуют SATA-разъемы. Также к ним можно подключить внутренние DVD-приводы. Обычно количество таких разъемов составляет не менее 4, но на некоторых моделях встречается и до 10-12 штук.

В старых платах можно встретить предшествующие SATA порты IDE, тоже предназначенные для подключения жестких дисков и оптических приводов. А также похожий разъем поменьше — он используется для подключения устаревших Floppy-дисководов.

В самой нижней части платы расположены разъемы для подключения передней панели компьютерного корпуса. В их число входят кнопки включения и перезагрузки, индикаторы питания и активности накопителей, разъемы для вывода USB 2.0 / 3.0 и передних аудиоджеков. А также дополнительные разъемы — например, для COM-порта или модуля TPM. На современных моделях также присутствуют коннекторы для подключения RGB-лент подсветки. В некоторых моделях часть этих разъемов переносится с нижней стороны платы на правый край.

Помимо этого, на любой материнской плате есть еще одна категория внутренних разъемов — для вентиляторов охлаждения. Обычно их бывает несколько, но в редких случаях может быть и один. Такие разъемы могут быть расположены практически в любой точке текстолита без привязки к конкретному месту, в зависимости от модели платы. В современных платах эти разъемы имеют четыре контакта и могут управлять скоростью подключаемых вентиляторов. В старых моделях иногда встречаются и трехконтактные разъемы без такой возможности.

Один из разъемов в обязательном порядке предназначен для процессорного кулера, остальные — для корпусных вентиляторов. Бывает и специальный разъем для подключения помпы водяного охлаждения, рассчитанный на более высокий максимальный ток. Однако и в него при желании можно подключить обычный вентилятор, физически коннектор такой же.

Внешние разъемы задней панели

Чтобы подключать компьютер к внешней периферии, все нужные разъемы выводятся на заднюю панель материнской платы.

При наличии дискретной видеокарты монитор непосредственно к материнской плате не подключается. Но при использовании встроенного видео, для вывода изображения используются именно порты самой платы. В зависимости от модели, их может быть от одного до четырех, и все разного стандарта — VGA, DVI, HDMI и DisplayPort.

Аудиоджеки формата 3.5 мм используются для подключения акустики, микрофона или для подачи звука на линейный вход. Иногда встречается и альтернативный оптический аудиовыход. Разъем сетевой карты RJ-45 нужен для подключения сетевого кабеля от роутера или свитча. Порты PS/2 устарели, но часто до сих пор встречаются на современных моделях. Их задача — подключение к компьютеру клавиатуры и мыши с соответствующим разъемом.

Впрочем, на сегодня куда более актуальны порты USB, в том числе и для клавиатуры с мышью. Принтеры, внешние жесткие диски, флешки, а также огромное количество другой периферии тоже подключаются именно к ним. Поэтому на задних панелях современных плат основное пространство отдано как раз под USB-порты. В основном, это классические порты типа USB-A, но иногда встречаются и универсальные типа USB-C.

У плат со встроенным беспроводным адаптером на заднюю панель выводятся и коннекторы для его внешней антенны. На топовых платах, помимо вышеперечисленного, там можно встретить разъемы Thundebolt, а также кнопки перезагрузки и сброса CMOS.

Итоги

Материнская плата — это сложное электронное устройство. На платах очень много различной электроники и разъемов, благодаря которым компьютер является по-настоящему модульным устройством, с возможностью собрать конфигурацию от тихого офисного системника до ультимативной геймерской машины или мощной рабочей станции.

Именно материнские платы составляют основу персонального компьютера. Подбирать процессор, оперативную память и накопители при сборке нужно обязательно с учетом их совместимости с платой. Помните об этом при выборе и покупке данного вида электронных изделий.

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

Источник https://club.dns-shop.ru/blog/t-102-materinskie-platyi/75573-iz-chego-sostoit-materinskaya-plata/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *