Материнська плата комп'ютера

Рекламний блок


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

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

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

Графічно внутрішньо будова вироби можна приблизно зобразити так:


Многослойная печатная плата

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

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

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


Материнская плата компьютера


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


  • сокет CPU (роз'єм, куди встановлюється процесор комп'ютера)
  • позначено два слота під PCI Express відеокарти (в дорогих материнських платах можна встановлювати дві дискретні відеокарти одночасно)
  • чотири слоти під оперативну пам'ять стандарту DDR2
  • північний міст чіпсета материнської плати комп'ютера
  • південний міст чіпсета материнської плати
  • радіатори системи охолодження для ланцюгів живлення (фаз живлення) процесора
  • чотири USB виходу (виводяться на задню стінку корпусу комп'ютера)
  • виходи вбудованої звукової карти
  • інтерфейс флоппі диск 3,5 (дисковода) FDC controller
  • чотири виходи SATA для підключення жорстких дисків
  • три PCI слота для підключення додаткових плат розширення (ТБ тюнера, мережний або звукової карти, плати відеозахоплення і т.д)
  • батарейка «BIOS»
  • чотирьох-контактний 12-ти вольтовий роз'єм живлення процесору
  • 24-контактний роз'єм для підключення блоку живлення і подачі напруги на материнську плату
  • два роз'єми для підключення жорстких дисків (CD-DVD-ROM старого зразка «IDE»
  • сама мікросхема «BIOS»

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

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

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

    Застосовно до комп'ютерів, класичний чіпсет материнської плати складається з двох великих мікросхем:

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

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

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


    Набор системной логики - чипсет


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

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

    На фото нижче представлена типова багатофазна схема живлення сучасного процесора:


    Фазы питания центрального процессора

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

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

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

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

    Ось як він може виглядати:


    PWM или ШИМ контроллер материнской платы

    Про необхідному для процесора в даний момент харчуванні ШІМ-контролер "дізнається" з допомогою спеціального 8-ми бітного сигналу, який "говорить" про те, яку напругу потрібно подати на ЦП в той чи інший момент часу.

    У дуже старих комп'ютерах всі схеми регуляторів напруги були однофазними, однак з часом (з зростанням споживаної процесорами потужності) вони стали неефективними і виробникам довелося використовувати кілька фаз для регулювання напруги, що подається на ЦП. Звідси й з'явилося поняття "многофазности". Четырехфазное харчування восьмифазное і т. д.. Зараз є, начебто, навіть 24-х фазне! :)

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

    При використанні багатофазного регулятора загальний струм навантаження можна розподілити по N-ного кількості окремих фаз, які в сумі будуть видавати потрібну (номінальну) потужність! Наприклад: при шестифазном харчуванні на кожну з шести фаз буде доводитися по 30 Ампер (пам'ятаємо про обмеження по максимальному струму), в той час, як сумарно всі наші фази можуть при піковому навантаженні "пропустити" через себе целых180 Ампер!

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

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

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

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


    Схема материнской платы компьютера

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

    Ось ще одне (графічне) втілення цієї ідеї:


    Схема материнки

    Давайте кілька слів скажемо про системній шині плати - FSB (Front Side Bus - фронтальна системна шина). Це швидкісний інтерфейс взаємодії між процесором і північним мостом чіпсета материнської плати. Чим більша частота, тим вища швидкість передачі даних і швидкість всієї системи в цілому. Частота FSB вимірюється в мегагерцах.

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

    Безпосередньо до системної шини підключений тільки ЦПУ, інші пристрої підключаються до неї через спеціалізовані контролери, які інтегровані в мікросхему північного мосту".

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

    Одним з перших з чіпсету був перенесений контролер оперативної пам'яті, що дозволило скоротити тимчасові затримки, неминучі при передачі даних і команд по системній шині. Наприклад, процесор на базі «Intel LGA1156» були перенесені практично всі основні контролери, до цього розташовані на материнській платі. В результаті, FSB в ній, фактично, відсутня!

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

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

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

    Примітка: 22 нанометра відповідають, в даному випадку, лінійного дозволу литографического обладнання, яке використовується при виготовленні кінцевого пристрою. А "нанометр" (нм або nm) - це одна мільярдна частина метра (міллімікрон)!

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

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

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

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

    Наприклад, фірма «Gigabyte» додатково "прокладає" між шарами друкованої плати декілька тонких шарів міді. Ця фірмова технологія навіть отримала власну назву: «Ultra Durable» (фото на початку статті). Мідь виступає додатковим радіатором, відводять тепло від самих гарячих зон материнської плати: процесора з його ланцюгами живлення та мікросхем чіпсету.

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

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


    Расширение функционала платы

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

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


    Материнская плата micro ATX

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


    Тестирование материнской платы

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

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


    Серверная материнская плата

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

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

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


    Геймерская материнская плата

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

    Пізнавальне відео про те, як збирають материнські плати на одному з заводів «Gigabyte».





    Рекламний блок