Как выглядит материнская плата

Компьютер новичкам. Разбор на составляющие. Материнская плата — часть 1

Материнская плата — важнейшая часть компьютера. Её главное назначение — соединение всех
узлов компьютера в единое целое. По сути — это «конструктор», а материнская плата — его
основная и главная деталь. Вся информация, которую обрабатывает компьютер с момента
включения и до его выключения, проходит через материнскую плату. К ней физически подключены
все устройства компьютера, хотя по большому счёту — материнка является переходником между
процессором, модулями памяти и остальными комплектующими. Соответственно и особенности
разных видов материнских плат состоят в том, что и как к ним можно подключить. Конструктивно
материнская плата изготовлена из многослойного фольгированного текстолита. Число слоёв
обычно в диапазоне от 6 до 8.

Форм-фактор

Главным параметром всех материнских плат является форм-фактор. Форм-фактор определяет
физические параметры платы и тип корпуса, в который её можно будет установить.
Понтие форм-фактора появилось на заре развития персональных компьютеров, когда в 1981 году компания IBM заложила фундамент для развития IBM PC-совместимых компьютеров, выпустив первый персональный компьютер. Напомню, что все IBM PC-совместимые компьютеры имеют открытую архитектуру, т.е. предполагают использование комплектующих различных производителей с полной гарантией их совместимости.
Но для обеспечения такой совместимости необходимо, чтобы все производители следовали одним
правилам при разработке комплектующих. Именно эти правила и формируют понятие форм-фактора
материнской платы. Так что же сегодня понимается под словом «форм-фактор»? Если быть
кратким, то под этим понятием сегодня подразумевается совокупность принятых стандартов для
построения компьютеров.

Первый форм-фактор как стандарт был разработан в 1983 году компанией IBM получил название
XT (eXtended Technology). В 1984 году на его смену пришёл AT (Advanced Technology), где
определялись размеры материнок (30,5×33 см), которые устанавливались в корпуса типа Desktop
и Tower.
Продолжение AT стал стандарт Baby AT, принятый в 1990 году. Этот форм-фактор предусматривал уменьшение размеров плат (22,5х33 см) и обладал совместьимостью с AT. Существовала ещё одна разработка — LPX (Low Profile eXtended), но она относилась к стандарту оригинальных конструкций, хотя и довольно распространённый в своё время. В компьютерах для корпуса Slimline (тонкий корпус) используется материнская плата особой конструкции стандарта LPX. Разьёмы расширения смонтированы на отдельной плате, которая вертикально вставляется в разъём материнской платы. Благодаря этому удалось уменьшить высоту корпуса.
Следует отметить, что хотя форм-фактор AT в настоящее время морально устарел, компьютеры,
собранные по этому стандарту служат до сих пор в качестве «печатных машинок» для набора и
правки текста, принт-серверов в компьютерных классах. Некоторые материнские платы AT
переходного периода имели два разъёма для подключения питания согласно стандартам AT и ATX.
В середине 1995 года компания Intel предложила новый форм-фактор — ATX
(Advanced Technology eXtended) В новом стандарте, в частности, определялось, что все разъемы
портов ввода-вывода должны быть расположены в левом верхнем углу платы. Изменилось и
расположение процессорного гнезда и слотов памяти. Кроме того, в платах ATX изменился разъём
для подключения блока питания.

Существует несколько вариантов ATX:

Последний вариант форм-фактора рассматривать не будем, поскольку разрабатывался он для серверов и интереса для простого
пользователя не представляет. Основная разница между указанными вариантами — количество слотов расширения и конфигурация
разъёмов интерфейса. Крепление платы к корпусу, расположение слотов во всех вариантах ATX одинаковое.
Как мы уже отмечали, впервые о конструкции ATX компания Intel заявила в середине 1995 года. Но первые материнские платы ATX появились на год позже. В начале 1997 года появилась первая версия спецификации 2.01 стандарта ATX. В мае 2000 года появилась спецификация 2.03, которая просуществовала до 2004 года без изменений.
Блоки питания, соответствующие новой спецификации ATX 2.03, которая учитывала потребности высокопроизводительных процессов,
имеют выходную мощность более 400 Вт. БП обеспечивают следующие выходные напряжения: +3,3В, +/- 5В, +/- 12В. Кроме того, БП
стандарта ATX 2.03, помимо основного 20-контактного разъёма питания для плат ATX, имеют дополнительный 4-контактный разъём
для 5 и 12 В питания, поскольку основной разъём не способен обеспечить повышенные требования к электропитанию системной
платы. В БП системы ATX используются управляющие сигналы Power_on и 5v_StandBy. Первый из них обеспечивает включение системы
программным путём, а второй — предоставляет возможность поддерживать систему в «спящем» режиме вместо её полного отключения.
Различные версии отличаются ещё и компоновкой элементов на материнской плате, что определяет особенности конструкции
корпуса. Это выражается во взаимном расположении узлов корпуса по отношению к узлам материнской платы. В последних
модификациях 4-контактный и 20-контактный разъёмы питания предоставляют собой единую 24-контактную конструкцию.
Двухпроцессорные материнские платы выпускаются в форм-факторе, называмом Extendet ATX. Как правило, в таких случаях
присутствует ещё и дополнительный 8-контактный разъём для питания процессоров.
Летом 2004 года был представлен новый форм-фактор BTX, который раньше имел рабочее название Big Water. Фактически новый стандарт сменил стандарт ATX. Необходимость появления нового стандарта стала очевидной с 2000 года. Нужда перехода к
новому форм-фактору была вызвана, прежде всего, появлением новых шин (USB 2.0, SATA, PCI Express), а также изменившимися требованиями к энергопотреблению ПК (соответственно, и к теплоотводу) и к акустическим характеристикам ПК. Подмечу, что BTX
обратно совместим с ATX, т.е. плату со стандартом BTX можно установить и в старый корпус стандарта ATX, а вот обратное невозможно.

Стандарт BTX существует в трёх вариантах —

Платы стандарта BTX, micro-BTX, pico-BTX имеют иное, по сравнению с платами стандарта ATX, расположение основных компонентов — слотов для установки модулей памяти, процессорного сокета, Северного и Южного мостов чипсета (о них я расскажу позже) и т.д. Такое глобальное изменение дизайна было необходимо для создания нормального термобаланса.
С помощью всего одного вентилятора удаётся осуществить теплоотвод и от процессора, и от видеокарты, и от модулей памяти. Такая конструкция носит название Thermal Module или Модуль термического баланса, представляющего собой систему охлаждения из кулера и пласмассовой трубы-кожуха, направляющего воздушные потоки внутри корпуса компьютера.
Кроме того, платы указанных стандартов иначе (по сравнению с ATX) крепятся к корпусу. Во-первых, если ATX предусматривал минимальное расстояние между шасси корпуса и материнской платой 0.25 дюйма, то в BTX это расстояние увеличено до 0.4 дюйма.
Крепление плат стандарта BTX к шасси в последнее время производится с помощью модуля SRM вместо шестигранных винтов-стоек. Сам SRM обеспечивает поддержку оптимального охлаждения компонентов системы, особенно, а кроме того, предотвращает возможный изгиб материнской платы.

Состав материнской платы

Как мы видим, материнская плата объединяет в единую систему все компоненты компьютера — без неё они бы оставались просто набором не связанных друг с другом комплектующих. Остановимся на двух основных электрических параметрах материнской платы.
Поскольку микросхемы рассчитаны на работу в строго оговорённых режимах, для обеспечения их надёжности и долговечности необходимо качественное питание. Ключевую роль играет здесь блок питания, к которому подключается плата. Однако различным компонентам необходима разная мощность. К тому же энергопотребление отдельных комплектующих, например процессора,
непостоянно. Все эти факторы вынуждены прибегать к дополнительным ухищрениям. Для подачи необходимого напряжения на различные комплектующие во всех современных материнских платах используется стабилизатор напряжения, который устанавливается непосредственно на плате. Иногда он выполняется в виде отдельной небольшой платы и размещается в непосредственной близости от блока питания, чтобы циркулирующий воздух охлаждал и его. Стабилизатор напряжения работает в автоматическом режиме.
Иными словами, независимо от того, на какие компоненты подаётся нагрузка, к какому разъёму подключено то или иное устройство, напряжение на всех элементах материнской платы всегда стабильно.
Для того, чтобы бороться со скачками напряжения, которые могут вывести многие комплектующие, на плате устанавливают конденсаторы, способные накапливать, а затем плавно отдавать заряд. Именно поэтому конденсаторов так много на материнских
платах, особенно вокруг центрального процессора, для которого характерны резкие скачки энергопотребления, в зависимости от нагрузки. Конденсаторы снижают со временем надёжность работы материнской платы: они стареют быстрее прочих компонентов, в частности, из-за воздействия высоких температур. В результате емкость конденсаторов падает, и они теряют способность выравнивать напряжение в схеме, что негативно сказывается на прочих компонентах, а в худшем случае выводи их из строя.
Кроме того, очень важно, чтобы мощность блока питания соответствовала потребляемой мощности системы в целом. Например, часто при сборке компьютера для экономии приобретается не очень мощный блок питания. По расчёту мощность его подходит под желаемую
сборку. В дальнейшем приобретается дополнительная линейка памяти, TV-тюнер, затем производится апгрейд видеокарты на более производительную. Всё это увеличивает потребляемую мощность настолько, что старый БП не справляется с нагрузкой. Увеличиваются пульсации, стабилизатор на материнской плате уже не спасает ситуацию, и в один момент компьютер перестаёт запускаться. Открыв корпус, вашему вниманию представляется печальная картина: большинство конденсаторов стоят со вздувшимися донышками, а некоторые вообще потекли. Когда количество конденсаторов не больше двух, то можно попытаться аккуратно их выпаять и заменить. Чаще всего это помогает и системная плата оживает. Но когда негодных конденсаторов — десяток, тут материнскую плату уже не спасти.
Поэтому, улучшая и совершенствуя свой компьютер, не забываете о блоке питания. И рекомендации к смене компьютера каждые три года порождены не только маркетинговыми соображениями морального старения, но и вполне объективными причинами — электролитические конденсаторы со временем высыхают и перестают выполнять свои функции.

На рисунке 1 представлена упрощённая структурная схема типичной материнской платы для процессора Intel 6-го поколения. Комплект микорсхем системной логики основан на двух микросхемах. Им дали названия северный мост и южный мост. Эти названия
выбраны исходя из следующих соображений: архитектуру чипсета можно представить в виде карты. На этой карте процессор будет располагаться на вершине карты, точно на севере. Он будет соединён с чипсетом через быстрый северный мост. А северный мост, в свою очередь, будет соединён с остальной частью чипсета через медленный южный мост. На блок-схемах материнских плат так теперь и рисуют: верх — это север, а низ — это юг. Северный мост — один из основных элементов чипсета компьютера, отвечающий за работу процессора, памяти и видеокарты. Северный мост определяет чистоту системной шины, тип оперативной памяти, её
максимальный объём и максимальную скорость обмена данными между процессором и памятью. Кроме того, от северного моста зависит тип шины видеоадаптера (PCI-Express или AGP) и её быстродействие. Частота работы этой микросхемы равна тактовой частоте
материнской платы. Современные микросхеы North Bridge работают на высоких тактовых частотах, поэтому дополнительно оборудованы устройствами охлаждения (радиаторы, а иногда и вентиляторы).

Для компьютера среднего и нижнего ценового диапазона в северный мост часто встраивают графическое ядро. Другими словами, речь
идёт об интегрированной видеокарте. Южный мост также известен как контроллер-концентратор ввода/вывода. Эта микросхема,
которая реализует относительно медленные взаимодействия на материнской плате и её компонентах. В южный мост входит контролер
прерываний, контроллеры шин IDE и USB. Эта микросхема также реализует функции памяти CMOS, часов и т.д.
Следует отметить, что один и тот же тип микросхемы южный мост может использоваться, как правило, в нескольких наборах системной логики, т.е. может работать с несколькими типами микросхем северный мост. Как показано на структурной схеме южный
мост не подключен напрямую к процессору в отличие от северного моста, т.е. связь всех устройств, подключенных к южному мосту, с процессором связываются только через северный мост.

Опционально южный мост также может включать в себя поддержку Ethernet, Wlan, Raid контроллера, контроллера USB, контроллера Fire Wire. Реже южный мост содержит в себе поддержку клавиатуры, мыши, последовательных портов. Обычно эти устройства
подключаются с помощью другого устройства — Super I/O (контроллер ввода/вывода). Поддержка шины PCI включает в себя традиционную спецификацию PCI, но может также обеспечивать поддержку усовершенствованных шин PCI-X и PCI-Express. Хотя шина
ISA в настоящее время не используется, она осталась неотъемлемой частью современного южного моста. Функции южного порта постоянно расширяются и в него регулярно добавляются новые контроллеры, разрабатываемые по новым технологиям.
Системная память CMOS, поддерживаемая питанием от батареи, позволяет создать ограниченную по объему область памяти для сохранения системных настроек (настроек BIOS).
Третья основная микросхема в большинстве материнских плат называется Super I/O (контроллер ввода/вывода). Эта микросхема обычно реализует функции устройств, которые раньше размещались на отдельных платах расширения. Большинство микросхем

Контроллеры гибких дисков в большинстве микросхем Super I/O поддерживают два дисковода, но некоторые, более современные микросхемы, могут поддерживать только один. Фактически все микросхемы Super I/O содержат быстродействующий параллельный порт.

Последний режим — самый мощный и наиболее быстрый. Микросхема Super I/O может содержать также другие компоненты — контроллер клавиатуры и мыши. В последнее время роль микросхемы Super I/O уменьшилась. Это произошло из-за того, что фирма Intel реализовала функции микросхемы Super I/O непосредственно в компоненте южный мост набора системной логики, что позволило присоединить все устройства ввода/вывода к шине PCI, а не к устаревшей шине ISA.
Рассмотрим компоновку узлов на конкретном примере. На рисунке [номер] изображена типичная современная материнская плата
производства известной компании ASUS, хорошо зарекомендовавшей себя на российском рынке. Эта плата, основанная на основе набора
системной логики Intel 915G, расчитанна на процессоры Intel Pentium 4 в корпусе LGA 775 и поддерживает почти все технологии,
встречающиеся в современных настольных компьютерах.

Рассмотрим подробно, где на плате расположены указанные компоненты. Разъём для процессора (рис. 2), на котором наклеена защитная наклейка (как правило жёлтого цвета), призывающая к осторожности при установке чипа, на материнской плате находится справа. Левее процессорного разъёма расположен радиатор с надписью ASUS — это радиатор охлаждения микросхемы северный мост.
Напомним, что эта микросхема прежде всего отвечает за связь процессора с оперативной памятью. Кроме того, в данном случае в неё встроен графический контроллер Intel Graphics Media Accelerator 900. Таким образом, собранный на основе этой платы компьютер
можно не комплектовать с видеокартой. Впрочем, поставить более мощную видеокарту не составит проблем — соответствующий слот на плате тоже имеется. Ещё левее и чуть ниже расположен ещё один радиатор с логотипом и надписью Proactive (рис. 3).
Под этим радиатором находится микросхема южный мост, отвечающая за системы ввода/вывода и включающий в себя контроллер USB 2.0, а также (в данном случае) RAID-контроллер.
Ниже северного моста и гнезда процессора расположены разъёмы для оперативной памяти. Модель этой платы отличается от подобных тем, что в ней могут использоваться как модули памяти DDR, так и более совершенные (и более производительные) модули памяти
DDR2. В данном случае пользователю предоставлен выбор, поскольку модули DDR2 всё-таки дороже обычных модулей DDR. На рисунке 4 видно, что на системной плате установлены шесть слотов и они выделены цветом в пары. Это означает, что плата расчитанна на оперативную память, работающую в двухканальном режиме, т.е. в данном случае модули памяти одинакового типа и объёма должны устанавливаться попарно в слоты одного цвета.
При этом в плату можно установить либо четыре модуля памяти DDR, либо два модуля типа DDR2. Одновременная работа пяти различных типов не поддерживается (как, впрочем, и в любых других подобных материнских платах). Непосредственно под слотами
для оперативной памяти размещены разъём IDE для накопителей и разъём для подключения блока питания ATX к материнской плате. Дополнительный 4-контактный разъём для 5 и 12 В питания расположен в правом верхнем углу материнской платы.
Ниже южного моста находятся четыре разъёма Serial ATA, к которым подключаются жёсткие диски. Тут же, слева от южного моста, расположен ещё один разъём IDE для подключения винчестеров или оптических накопителей к стандартной параллельной шине ATA. По центру левого края материнской платы расположен разъём для подключения флоппи-дисковода.
В левой верхней части материнской платы расположены два слота с интерфейсом PCI-Express х1. Далее следуют три слота стандартного PCI — на плате они белого цвета, а чёрным цветом выделен слот PCI-Express x16 для установки видеокарты. Слева от
первого разъёма PCI расположен контроллер IEEE 1394, а ниже, под ним, расположена батарейка питания BIOS, отвечающий за хранение программ базовой системы ввода/вывода. Микросхема BIOS расположена чуть ниже и левее.
Вверху, над разъёмом PCI Express х16 (чёрного цвета) находится контроллер для подключения к скоростным проводным локальным сетям (рис. 7), а в самом верхнем углу — восьмиканальный звуковой кодек производства компании C-Media (рис. 8). В правой верхней части материнской платы распаяны различные разъёмы, которые после установки в системный блок будут выведены
на его заднюю стенку.

На основе одного чипсета можно выпускать самые разнообразные системные платы, которые будут отличаться функциональными возможностями и надёжностью работы. Но все они, независимо от производителя, придерживаются описанной конструкции — ATX (или BTX). Поскольку производителей системных плат очень много, то привести их технические характеристики в одном топике практически невозможно. Даже однотипные материнские платы для конкретного типа процессора на определённом чипсте, но от разных производителей могут иметь разные возможности. Поэтому при выборе платформы необходимо руководствоваться информацией
на сайтах производителей, перечень которых приведена в следующей части. Следует также учесть, что малоизвестный производителей может разработать и выпустить материнскую плату, которая по техническим возможностям может превосходить платы известных
компаний. Поэтому полезно учесть отзывы пользователей о работе и особенностях той или иной материнской платы (надеюсь, вы догадаетесь, где их искать).

Заключение

Надеюсь, что из этого туториала вы хоть что-то узнали. В следующей части я расскажу про слоты расширения, чипсеты,
производителей чипсетов и производителей материнских плат.

Материнская плата компьютера, для чего она предназначена и как выглядит

Материнская плата компьютера это тот фундамент, на котором выстроены все компоненты системного блока.

Роль материнской платы компьютера нельзя переоценить. Ведь только от нее зависит сможете ли Вы в будущем расширить функциональность Вашего ПК или нет? Увеличить количество оперативной памяти, поставить более производительную видеокарту? Будет ли позволять дальнейшее расширение («upgrade» — апгрейд) всей системы наличие дополнительных, первоначально не используемых, слотов и разъемов? Это как фундамент дома: сделаете его не качественно и, со временем, конструкция может обрушиться.

Материнская плата представляет собой многослойный «пирог» из однослойных (односторонних или двусторонних) печатных плат. Каждый из слоев и представляет собой такую отдельную плату. Многослойность, прежде всего, нужна для борьбы с перекрестными наводками и помехами, создаваемыми сигнальными линиями (дорожками) платы, близко друг к другу расположенными. Чтобы увеличить это расстояние и изолировать сигнальные линии одного слоя от другого и придумывался весь этот «бутерброд». Каждый слой отделяется друг от друга специальными прокладками из стеклоткани (адгезивом) и после все это дело запрессовывается в специальной печи.

Графически внутренне строение изделия можно изобразить примерно так:

Как бонус, дополнительно возрастает и общая механическая прочность подобной конструкции. Количество отдельных слоев в современных брендовых продуктах может доходить до десяти, а то и больше! После чего уже почти готовую материнскую плату с обеих сторон покрывают диэлектрическим защитным лаком нужного цвета, просушивают, насверливают в ней необходимые отверстия под крепеж, установку разъемов и других компонентов, металлизируют отверстия по краям и изделие практически готово! Конечно, после этого нужно установить сами разъемы и всю элементную базу радиоэлектронных компонентов, осуществить их пайку, контроль качества, произвести всеобъемлющее тестирование под нагрузкой, но этот процесс наглядно показан в видео под статьей, поэтому не вижу смысла лишний раз его описывать.

Примечание: печатная плата или PCP (Printed Circuit Board) — пластина из диэлектрика на которой химическим или механическим способом сформированы электропроводящие дорожки. Они могут формироваться как классическим методом их травления на плате, так и с применением технологии лазерной гравировки.

Поскольку нас, в первую очередь, интересуют именно качественные материнские платы компьютера, давайте обратим свое внимание на полноразмерную плату от фирмы-производителя «Asus». Большое количество расположенных на ней элементов и слотов расширений позволяет нам надеяться на хорошую перспективу апгрейда, а качественная элементная база компонентов и разводка платы, — на длительный срок ее эксплуатации.

Давайте, как обычно, пройдемся по порядку по всем обозначениям и выясним, из каких компонентов состоит материнская плата компьютера:

1. сокет CPU (разъем, куда устанавливается процессор компьютера)
2. обозначены два слота под PCI Express видеокарты (в дорогих материнских платах можно устанавливать две дискретные видеокарты одновременно)
3. четыре слота под оперативную память стандарта DDR2
4. северный мост чипсета материнской платы компьютера
5. южный мост чипсета материнской платы
6. радиаторы системы охлаждения для цепей питания (фаз питания) процессора
7. четыре USB выхода (выводятся на заднюю стенку корпуса компьютера)
8. выходы встроенной звуковой карты
9. интерфейс флоппи диска 3,5 (дисковода) FDC controller
10. четыре выхода SATA для подключения жестких дисков
11. три PCI слота для подключения дополнительных плат расширения (ТВ тюнера, сетевой или звуковой карты, платы видеозахвата и т.д)
12. батарейка «BIOS»
13. четырех-контактный 12-ти вольтовый разъем питания процессора
14. 24-х контактный разъем для подключения блока питания и подачи напряжения на материнскую плату
15. два разъема для подключения жестких дисков или CD-DVD-ROM старого образца «IDE»
16. сама микросхема «BIOS»

Давайте остановимся с Вами на наиболее важных моментах, требующих отдельных комментариев. На изображении мы четко видим систему охлаждения в центре, с расходящимися от него медными трубками. Центральный радиатор прикрывает собой «северную» микросхему чипсета платы. Она включает в себя такие немаловажные компоненты как встроенная видеокарта, контроллер оперативной памяти и контроллер системной шины (сейчас эти элементы активно переносятся в ЦПУ) и, естественно, поддерживает интерфейс взаимодействия с «южной» микросхемой.

Названия «северный» и «южный» мост обозначают лишь географическое расположение этих элементов относительно слотов PCI (севернее — выше или южнее — ниже). Микросхема южного «моста» также прикрыта радиатором. Она, как правило, содержит в себе контроллер встроенной сетевой карты компьютера, шины USB, интегрированный звук, отвечает за работу шины PCI, различных датчиков на плате и т.д.

Примечание: чипсет (chipset) — набор микросхем, спроектированных для совместной работы по выполнению каких-либо задач. Второе название — набор системной логики.

Применимо к компьютерам, классический чипсет на материнской плате состоит из двух больших микросхем:

• северный мост (Northbridge)
• южный мост (Southbridge)

Северный «мост» связывает (посредством интегрированных в него контроллеров) ЦПУ с высокопроизводительными устройствами, расположенными на материнской плате компьютера (память, видеоадаптер). Южный «мост» отвечает за поддержку более «медленных» периферийных устройств (USB, звуковая и сетевая карта, жесткие диски, различные платы расширения и т.д.)

Вот, к примеру, как выглядит набор системной логики («северный» — больший и «южный» — меньший мост) производства компании «VIA».

Двигаемся дальше. Под номерами «6» (см. первое фото статьи) на материнской плате у нас — два радиатора, которые охлаждают цепи питания процессора. Элементы, расположенные под радиаторами (конденсаторы и транзисторы) предотвращают сильные перепады напряжения питания CPU при изменении его нагрузки. Качественное их исполнение — один из показателей хорошей материнской платы. Согласитесь, если работа компьютера окажется нестабильной просто по причине некачественного электропитания — будет обидно!

Отдельно отметим, что элементная база цепей питания на современных материнских платах достаточно разнообразна: в нее входят ШИМ-контроллер, преобразователи напряжения, транзисторы, резисторы, дроссели, конденсаторы и т.д.

На фото ниже представлена типовая многофазная схема питания современного процессора:

Например, преобразователи напряжения нужны для того, чтобы подавать на тот или иной элемент строго нужное для его штатной работы питание. Одно дело, что на входе преобразователя от блока питания «приходит» 12 вольт, но не всем элементам именно двенадцать нужно! Вот преобразователи и понижают его до нужного значения и «отдают» конечному «потребителю» (конкретной микросхеме, или другому элементу).

Предлагаю более подробно поговорить о том, для чего все эти фазы нужны и как они работают? Считаю, что это нужно знать! В роли понижающего преобразователя может выступать VRM (Voltage Regulation Module — модуль регулирования напряжения) или VRD (Voltage Regulator Down — модуль понижения напряжения). Особо не зацикливайтесь на этом, достаточно будет, если запомните эти аббревиатуры и будете знать, к чему они относятся.

Как правило, в схему преобразователя также включены несколько полевых МОП-транзисторов. Они управляются электрическим полем, поэтому их называют «полевыми» (полевиками). Аббревиатура МОП происходит от «металл-оксид-полупроводник», в английском варианте: «metal-oxide-semiconductor field effect transistor» или сокращенно — MOSFET. Поэтому можно встретить название, как mosfet-транзисторы (в народе — «мосфеты»).

В основе управления фазами питания на материнской плате компьютера, как правило, находится PWM-контроллер. У аббревиатуры PWM тоже есть свое значение и это «Pulse Wide Modulation» — широтно-импульсная модуляция, по русски ШИМ. Поэтому подобные компоненты часто называют ШИМ-контроллерами.

Вот как он может выглядеть:

О требуемом для процессора в данный момент питании ШИМ-контроллер «узнает» с помощью специального 8-ми битного сигнала, который и «говорит» ему о том, какое напряжение нужно подать на ЦП в тот или иной момент времени.

В очень старых компьютерах все схемы регуляторов напряжения были однофазными, однако со временем (с ростом потребляемой процессорами мощности) они стали неэффективными и производителям пришлось использовать несколько фаз для регулировки напряжения, подаваемого на ЦП. Отсюда и появилось понятие «многофазности». Четырехфазное питание восьмифазное и т.д.. Сейчас есть, вроде бы, даже 24-х фазное! 🙂

Что же стоит за этим понятием? Попробуем разобраться! В чем основное ограничение однофазного регулятора? Прежде всего, в максимальном токе, который можно пропустить через те элементы, которые его формируют: мосфеты, катушки индуктивности (дроссели), конденсаторы. Их ограничение составляет около тридцати ампер, в то время, как современные CPU могут потреблять ток свыше ста ампер! Понятно, что при таких «запросах» одна фаза «закипит» очень быстро 🙂 Вот именно для компенсации этого ограничения, на материнских платах и начали использовать многофазное питание.

При использовании многофазного регулятора общий ток нагрузки можно распределить по N-ному количеству отдельных фаз, которые в сумме будут выдавать нужную (номинальную) мощность! Например: при шестифазном питании на каждую из шести фаз будет приходиться по 30 Ампер (помним про ограничение по максимальному току), в то время, как суммарно все наши фазы могут при пиковой нагрузке «пропустить» через себя целых180 Ампер!

Примечание: для процессоров Intel поколения Core i7 с энергопотреблением свыше 130-ти Ватт (даже учитывая возможность разгона), вполне достаточно шестифазного питания! Все что больше — от лукавого маркетолога 🙂

Также нужно иметь в виду, что элементная база не стоит на месте и вместо обычных электролитических конденсаторов сейчас широко используются, так называемые, твердотельные полимерные, срок службы которых превышает 50 000 часов, дроссели с ферритовым сердечником и т.д. Все это вкупе, позволяет пропускать через них максимальный ток уже не 30, а 40 Ампер. Поэтому такая шестифазная схема (цепь) питания процессора вполне сможет обеспечить ток на процессор около 240 Ампер (энергопотребление более 200 Ватт)! Какой домашний CPU такое потребляет, кроме AMD ?! 🙂

Последнее что хотелось бы добавить, сейчас на материнских платах компьютеров часто применяется такая вещь, как динамическое переключение фаз питания. Это значит, что по мере необходимости (потреблении процессором большего тока) в работу включается все большее количество фаз, а при снижении нагрузки некоторые из них отключаются. По идее, слабенький ЦП можно запустить только при одной рабочей фазе. Другое дело, долго ли он так протянет? Но для старта в режиме тестирования этот метод может вполне сгодиться!

Итак, возвращаемся к нашему основному материалу! Если попытаться схематично изобразить расположение всех основных элементов и разъемов на материнской плате компьютера, то получится приблизительно вот такая картина:

Как видите, все начинается с CPU и дальше (через системную шину) — данные передаются на все узлы компьютера.

Вот еще одно (графическое) воплощение этой идеи:

Давайте несколько слов скажем о системной шине платы — FSB (Front Side Bus — фронтальная системная шина). Это скоростной интерфейс взаимодействия между процессором и северным «мостом» чипсета материнской платы. Чем больше ее частота, тем выше скорость передачи данных и скорость всей системы в целом. Частота FSB измеряется в мегагерцах.

Примечание: что такое частота, какие значения может принимать и в чем измеряется мы с Вами разбирали вот в этой статье.

Непосредственно к самой системной шине подключен только ЦПУ, остальные устройства подключаются к ней через специализированные контроллеры, которые интегрированы в микросхему северного «моста».

Справедливости ради стоит отметить, что сейчас наблюдается тенденция к высокой интеграции основных контроллеров и даже целых устройств (графический ускоритель) непосредственно в ядро центрального процессора.

Одним из первых из чипсета был перенесен контроллер оперативной памяти, что позволило сократить временные задержки, неизбежные при передаче данных и команд по системной шине. К примеру, в процессор на базе «Intel LGA1156» были перенесены практически все основные контроллеры, до этого располагавшиеся на материнской плате. В результате, FSB в ней, фактически, отсутствует!

Разработчики компании «AMD» используют свою фирменную технологию для замены системной шины. Она называется «Hyper Transport». Данная разработка пережила уже несколько ревизий и успешно используется не только в персональных компьютерах, но и в таких высокопроизводительных устройствах, как сетевые маршрутизаторы фирмы «Cisco».

Еще одним из «кандидатов» на перенос непосредственно в ядро CPU оказалось встроенное видео, которое раньше весьма комфортно «чувствовало» себя в северном мосту чипсета материнской платы. И, казалось, куда оно оттуда может деться?! А прошло некоторое время и — пожалуйста: видеоядро на одном кристалле с процессором. Фантастика! 🙂

Как подобное стало возможным? Прежде всего, в силу того, что постоянно уменьшается техпроцесс изготовления всех основных элементов компьютера. К примеру, процессор семейства Intel Core i7 сделан с использованием 22-х нанометрового техпроцесса, что позволило разместить на той же площади кристалла примерно 1,4 миллиарда транзисторов!

Примечание: 22 нанометра соответствуют, в данном случае, линейному разрешению литографического оборудования, которое используется при изготовлении конечного устройства. А «нанометр» (нм или nm) — это одна миллиардная часть метра (миллимикрон)!

Что у нас получается? С уменьшением техпроцесса уменьшается и размер основных элементов (транзисторов), которые мы можем разместить на кристалле. Следовательно, этих самых транзисторов на той же площади мы можем разместить больше! И, как результат, — построить на их базе встроенное в ЦП графическое ядро или любой другой элемент. Собственно, этим активно и пользуются разработчики, стараясь постоянно уменьшать технологический процесс производства.

Со временем, это привело к тому, что все основные высокоскоростные интерфейсы и контроллеры «перекочевали» под крышку процессора, а многие материнские платы современных компьютеров лишились не только южного, но иногда и северного моста! Так как все контроллеры периферии переместились в северный мост, то южный просто отпал за ненадобностью. Сегодня еще можно встретить материнские платы с классическим расположением элементов системной логики (чипсета), но это происходит все реже.

Итак, продолжим! Для более дешевых материнских плат характерна ситуация, когда производители набирают все ее элементы на уже укороченной (снизу или — сбоку) пластине текстолита. В результате, все элементы материнской платы расположены очень близко друг к другу и о каких-то дополнительных разъемах или выходах приходится забыть (тут бы основное все уместилось!).

Запомните: соотношение сторон у хорошей материнской платы должно быть таким же, как на фото (она не должна быть маленькой квадратной или прямоугольно-вытянутой) и места на ней должно быть много! До сих пор — это мое ИМХО, несмотря на 2015-й год 🙂 Хорошо зарекомендовавшими себя производителями материнских плат для десктопных компьютеров являются компании: «Msi», «Asus» «Gigabyte» и «Intel».

Например, фирма «Gigabyte» дополнительно «прокладывает» между слоями печатной платы несколько тонких слоев меди. Эта фирменная технология даже получила собственное название: «Ultra Durable» (фото в начале статьи). Медь выступает дополнительным радиатором, отводящим тепло от самых горячих зон материнской платы: процессора с его цепями питания и микросхем чипсета.

Также разные производители плат чтобы выделить свою продукцию добавляют к ней всякие улучшения: наподобие двойного биоса (чтобы в случае сбоя не использовать программатор), датчика пост-кодов, кнопок включения и перезагрузки на самой плате и т.д.

Вот — один из примеров того, как на качественные материнские платы устанавливают дополнительные улучшения.

Внизу красным обведен датчик POST кодов, о котором мы упоминали выше. Он может «сказать» нам о проблеме в работе компьютера посредством цифровых комбинаций на табло. Их расшифровка, как правило, прилагается к самой материнской плате в виде маленькой книжки.

А вот какие еще бывают материнские платы. Фото ниже — форм фактор «micro ATX» с процессором «Atom 550» на пассивном охлаждении.

В завершении статьи, хочу показать Вам свое рабочее место и, как тестируется на нем очередная материнская плата:

Сейчас я устанавливаю Windows. Подобный вариант подключения позволяет исключить случаи короткого замыкания платы на корпус компьютера, да и визуальный осмотр и общий контроль за процессом намного удобнее.

Бывают и серверные материнские платы. Чем отличаются серверные решения от обычных (десктопных)? Прежде всего, повышенной надежностью! Ведь серверам приходится работать в режиме 24/7 (как супермаркету) 🙂 Сервера обычно комплектуются дорого регистровой оперативной памяти с контролем четности (ECC), также они могут поддерживать несколько физических процессоров. На фото ниже мы видим плату, в которую может быть установлено четыре физических ЦПУ.

Это уже продукция никак не относящаяся к сегменту SOHO (Small Office/Home Office — малый офис/домашний офис), а серьезные корпоративные решения. Естественно, здесь тоже есть свои Lov-End (дешевые) и Hi-End (дорогие) продукты, но это уже другая история. Также на серверах, как правило, устанавливаются аппаратные рейд (RAID) контроллеры, выполненные в виде отдельной печатной платы, на десктопах подобный функционал можно получить только программным способом.

Примечание: RAID (Redundant Array of Independent Disks — избыточный массив независимых дисков). Технология надежного хранения данных основанная на избыточности хранимой информации. Когда несколько жестких дисков объединяются в один виртуальный логический элемент для обеспечения надежности и повышения производительности.

Отдельно можно выделить геймерский сегмент материнских плат. Как правило, подобные решения стоят на порядок дороже и имеют кучу дополнительных опций: в виде продвинутых возможностей по разгону, расширенного управления питанием и охлаждением, различных датчиков индикации соcтояний, усиленной элементной базы и т.д. Одним из таких примеров являетcя изделие от фирмы Asus (Asus Maximus 7):

Крутая «игрушка», правда? Напоследок, — мысль статьи, сформированная на основе личного опыта: хорошая (качественная) вещь не может стоить 30-50 долларов. Ну, вот не может и все тут! 🙂

Внутри материнской платы: анализ технологий, лежащих в основе компонентов ПК

Сейчас уже едва ли не у каждого дома, на работе или на учебе есть свой настольный ПК. Кто-то использует его для составления налоговых деклараций, кто-то для гейминга, а кто-то и сам собирает компьютеры. Но насколько хорошо вы знакомы с компонентами, что находятся внутри ПК? Возьмем, к примеру, скромную материнскую плату: она ​​сидит себе там, внутри, тихо поддерживает все в рабочем состоянии и редко получает столько же внимания, как, скажем, процессор или видеокарта.

Однако материнские платы не менее важны для работы компьютера — и имеют не менее впечатляющую начинку. Давайте же посмотрим, что находится у них внутри, изучим их, проанализируем, декомпозируем и узнаем, за что отвечает каждый бит.

Итак, начнем

А начнем мы с того, какую роль в ПК выполняет материнская плата. По сути, она служит для:

Обеспечения компонентов электропитанием;

Обеспечения маршрутов для связи компонентов между собой.

Есть у нее и другие функции — например, на нее монтируются элементы, а также обеспечивается обратная связь о работе всей системы, — но то, о чем мы говорили выше, имеет решающее значение для работы ПК, ведь почти любая часть, составляющая материнскую плату, так или иначе связана именно с этим.

Почти все материнские платы для стандартных ПК имеют разъемы для центрального процессора (ЦП), модулей памяти (обычно типа DRAM), дополнительных плат расширения (таких как видеокарта), устройств хранения, блоков ввода/вывода, а также средств связи с другими компьютерами и системами.

Существуют отраслевые стандарты по размерам материнских плат, которых придерживаются одни производители и не придерживаются другие (но их гораздо меньше). Вот основные из них:

Standard ATX — 12 × 9,6 дюйма (305 × 244 мм);

Micro ATX — 9,6 × 9,6 дюйма (244 × 244 мм);

Mini ATX — 5,9 × 5,9 дюйма (150 × 150 мм).

Более полный список можно найти в Википедии, но для простоты мы будем придерживаться Standard ATX, ведь различия чаще всего заключаются в количестве разъемов, доступных для питания и подключения, — материнская плата большего размера позволяет использовать больше разъемов.

Но что же такое материнская плата?

Материнская плата — это просто большая печатная плата с множеством разъемов для подключения устройств и сотнями, если не тысячами сантиметров электрических линий, их соединяющих. Теоретически, она не так уж и нужна: все это можно соединить при помощи множества проводов. Однако производительность в таком случае оставит желать лучшего, ведь сигналы будут мешать друг другу, и возникнут заметные потери мощности.

Начнем разбор с типичной материнской платы ATX. Ниже изображена плата Asus Z97-Pro Gamer, внешне и функционально не сильно отличающаяся от десятков ей подобных.

Проблема этого фото заключается в том (помимо того, что материнская плата… скажем так, не новая), что на нем слишком много деталей, и это мешает четкому пониманию, что есть что. Поэтому взглянем на упрощенную схему, изображенную ниже.

Гораздо лучше и понятнее, не так ли? По ней видно, сколько в материнской плате всяких коннекторов и разъемов, о которых стоит поговорить. И начнем мы по порядку, с самого важного, сверху вниз.

Подключаем мозг к ПК

На схеме выше мы видим структуру, имеющую обозначение LGA1150. Это обозначение используется в Intel для разъема, предназначенного для подключения различных процессоров. LGA здесь означает Land Grid Array — распространенный тип технологии упаковки центральных процессоров и других чипов.

Системы LGA имеют множество маленьких контактов на материнской плате или в разъеме для обеспечения питания и связи с процессором. Выглядят они так:

Металлический фиксатор помогает закрепить ЦП на месте, но мешает рассмотреть контакты, так что уберем его:

Помните, что это? LGA1150. 1150 здесь указывает на количество выводов в разъеме, и у других материнских плат оно может отличаться. Чем выше производительность ЦП (с точки зрения количества ядер, объема кэш-памяти и т. д.), тем больше контактов будет в разъеме. Большая их часть используется для обмена данными со следующей важной частью материнской планы.

Большому мозгу — большая память

Ближе всего к ЦП находятся те слоты, что содержат модули DRAM, или системную память. Они подключены напрямую к процессору и больше ни к чему. Количество слотов DRAM зависит в основном от ЦП, ведь контроллер памяти встроен именно в него.

В нашем примере ЦП в материнской плате имеет 2 контроллера памяти, каждый из которых оперирует 2 картами памяти, — всего 4 слота DRAM. На материнской плате они окрашены так, чтобы вы знали, какие из них каким контроллером управляются. Обычно их называют каналами памяти.

Впрочем, в случае этой материнской платы цветовая маркировка может сбивать с толку: два черных слота обрабатываются каждый своим контроллером, и то же самое для серых. Черному слоту, ближайшему к ЦП, соответствует первый канал, а другому черному слоту — второй. Это сделано для того, чтобы материнскую плату чаще использовали в так называемом двухканальном режиме: при одновременном использовании обоих контроллеров повышается общая производительность системы памяти.

Допустим, у вас есть два модуля ОЗУ по 8 ГБ каждый. Независимо от того, в какие слоты вы их вставите, у вас всегда будет в общей сложности 16 ГБ доступной памяти. Однако, если оба модуля поместить только в черные или только в серые слоты, ЦП будет иметь два пути доступа к этой памяти. Но если поступить иначе и использовать слоты разных цветов, система будет вынуждена обращаться к памяти только с помощью одного контроллера памяти. Учитывая, что он может управлять только одним маршрутом за раз, нетрудно понять, как при этом изменится производительность.

При такой комбинации ЦП и материнской платы используются микросхемы DDR3 SDRAM (синхронная динамическая память с произвольным доступом с версией 3 двойной скорости передачи данных), и каждый слот может содержать один SIMM или DIMM. «IMM» обозначает X—рядный модуль памяти (In-line Memory Module); S и D указывают на то, заполнена ли чипами одна или две стороны модуля (Single или Dual, соответственно).

Вдоль нижнего края модуля памяти располагаются позолоченные разъемы для питания и обмена данными. Всего их у этого типа памяти 240 — по 120 с каждой стороны.

Одинарный модуль DIMM DDR3 SDRAM

Модули большего размера располагают большей памятью, но конфигурация имеет ограничения по контактам на ЦП (почти половина из 1150 контактов в этом примере предназначена для обмена данными с модулями памяти) и пространству для электрических дорожек на материнской плате.

Обычно производители придерживаются 240 контактов в модулях памяти, и нет никаких признаков того, что в ближайшее время это изменится. Чтобы улучшить производительность памяти, с каждой новой версией просто увеличивается скорость чипов. В нашем примере каждый из контроллеров памяти ЦП может отправлять и получать 64 бита данных за такт. Таким образом, с двумя контроллерами карты памяти будут иметь 128 контактов, предназначенных для обмена данными. Так почему же их именно 240?

Каждый чип в DIMM (всего их 16 — по 8 на каждую сторону) может передавать 8 бит за такт. Это означает, что каждому чипу требуется 8 контактов только для передачи данных; однако пара чипов использует одни и те же выводы, поэтому только 64 из 240 отвечают за обмен данными. Остальные 176 контактов необходимы для синхронизации и передачи адресов данных (места расположения данных в модуле), управления микросхемами и обеспечения их электроэнергией. Так вы можете убедиться, что наличие более 240 контактов не обязательно улучшит ситуацию.

ОЗУ — не единственное, что подключено к процессору

Для повышения производительности системная память подключена напрямую к центральному процессору, но на материнской плате есть и другие разъемы, подключенные примерно так же и в тех же целях. Они используют технологию подключения PCI Express (сокращенно PCIe), и каждый современный ЦП имеет встроенный контроллер PCIe.

Эти контроллеры могут обрабатывать несколько соединений (обычно называемых линиями), даже несмотря на то, что это система «точка-точка» — что означает, что линии в разъеме не используются совместно с каким-либо другим устройством. В нашем примере контроллер PCI Express имеет 16 линий.

На изображении ниже показаны 3 разъема: два верхних — это PCI Express, нижний — гораздо более старая система под названием PCI (родственная PCIe, но намного медленнее). Маленький слот сверху, обозначенный как PCIEX1_1, имеет одну линию; тот, что ниже, — 16 линий.

Если вы проскроллите вверх и снова взглянете на материнскую плату целиком, вы увидите, что у нас есть:

2 разъема PCI Express на 1 линию;

3 разъема PCI Express на 16 линий;

Но если у контроллера ЦП всего 16 линий, то что тогда происходит? Прежде всего, к процессору подключены только PCIEX16_1 и PCIEX16_2, а третий и два однолинейных подключены к другому процессору на материнской плате (подробнее об этом чуть позже). Кроме того, если задействованы оба разъема на 16 линий PCIe, ЦП выделит каждому только по 8 линий. Это типично для всех современных процессоров: количество линий у них ограничено, и по мере того, как к ЦП подключается все больше устройств, на каждое выделяется все меньшее число линий.

Различные конфигурации процессора и материнской платы имеют собственные способы решения этой проблемы. Например, материнская плата Gigabyte B450M Gaming имеет один разъем PCIe на 16 линий, один PCIe на 4 линии и один M.2, использующий 4 линии PCIe. Поскольку ЦП имеет всего 16 линий, использование любых двух разъемов одновременно приведет к тому, что самый большой слот, 16-тилинейный, будет ограничен всего до 8 линий.

Так что же использует такие разъемы? Наиболее распространенные варианты:

16 линии — видеокарта;

4 линии — твердотельные накопители (SSD);

1 линия — звуковые карты и сетевые адаптеры.

На изображении выше четко видна разница в разъемах. Видеокарта имеет более длинную полосу на 16 линий по сравнению с небольшой однополосной звуковой картой. У последней гораздо меньше данных для передачи, чем у первой, поэтому ей не нужны все эти дополнительные линии.

В нашем примере с материнской платой гораздо больше разъемов и соединений, которыми нужно управлять, поэтому в помощь центральному процессору существует дополнительный процессор.

Теперь двинемся через мост на юг

Глядя на материнские платы 15-тилетней давности, можно заметить, что в них было встроено два дополнительных чипа для поддержки процессора. Вместе они назывались набором микросхем, а по отдельности — чипами северного (NB) и южного моста (SB). Первый обрабатывал системную память и видеокарту, второй — данные и инструкции для всего остального.

На фото выше показана материнская плата ASRock 939SLI32, где четко видны микросхемы NB и SB. Они обе скрыты под алюминиевыми радиаторами, но ближайшая к разъему ЦП в середине изображения — это и есть северный мост. Спустя несколько лет после выхода этой платы и Intel, и AMD откажутся от использования NB и выпустят продукты, в которых NB интегрирован в ЦП. Южный мост, однако, остается отдельным, и, скорее всего, это не изменится в обозримом будущем. Интересно, что оба производителя процессоров перестали называть его SB и теперь часто зовут его просто чипсетом (собственное название Intel — PCH, блок контроллеров платформы) несмотря на то, что это один чип.

В нашем более современном примере от Asus SB также покрыт радиатором, поэтому давайте снимем его и взглянем на дополнительный процессор.

Этот чип представляет собой усовершенствованный контроллер, поддерживающий разные типы и количество подключений. В частности, у нас есть Intel Z97, выполняющий следующие функции:

8 линий PCI Express (версия 2.0 PCIe);

14 портов USB (6 для версии 3.0, 8 для версии 2.0);

Также он имеет встроенный сетевой адаптер, звуковой чип, выход VGA и целый ряд других систем синхронизации и управления. В других материнских платах могут использоваться другие более простые или наоборот — расширенные наборы микросхем (например, с большим числом линий PCIe), но в целом обычно они аналогичны друг другу.

В данном случае это процессор, обрабатывающий слоты PCIe с одной линией, третий слот с 16 линиями и слот M.2. Как и многие новые чипсеты, он обрабатывает все эти различные соединения с помощью набора высокоскоростных портов, которые можно переключить на PCI Express, USB, SATA или сетевое соединение, в зависимости от того, что подключено в данный момент. Это, к сожалению, накладывает ограничение на количество устройств, подключенных к материнской плате, несмотря на наличие всех этих разъемов.

В случае нашей материнской платы Asus порты SATA (используемые для подключения жестких дисков, DVD-приводов и т. д.) из-за этого ограничения сгруппированы так, как показано выше. Блок из 4 портов посередине использует стандартные SATA-соединения чипсета, тогда как два слева используются некоторые из этих высокоскоростных соединений. Так что, если вы используете те, что слева, на чипсете будет меньше соединений для других разъемов. То же самое и с портами USB 3.0. В них есть поддержка до 6 устройств, но 2 порта обязательно будут подключены к высокоскоростным соединениям.

Разъем M.2, используемый для подключения SSD-накопителя, также использует быструю систему (вместе с третьим слотом PCI Express на 16 линий 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.

Слева на нашей материнской плате есть ряд разъемов, обычно называемых блоком ввода/вывода, и в данном случае микросхема южного моста обрабатывает только некоторые из них:

Разъем PS/2 — для клавиатур и мышей (сверху слева);

Разъем VGA — для недорогих и устаревших мониторов (сверху посередине);

Порты USB 2.0 — черные (снизу слева);

Порты USB 3.0 — синие (снизу посередине).

Встроенный графический процессор ЦП обрабатывает разъемы HDMI и DVI-D (внизу в центре), а остальные управляются дополнительными микросхемами. На большинстве материнских плат есть множество дополнительных маленьких процессоров для управления всевозможными разъемами, поэтому давайте взглянем на некоторые из них повнимательнее.

Дополнительные фишки для дополнительной помощи

У ЦП и чипсетов существуют свои ограничения по поддержке и подключению к тем или иным устройствам, поэтому большинство производителей материнских плат предлагают продукты с дополнительными функциями благодаря использованию других интегральных схем — например, для предоставления дополнительных портов SATA или для подключения старых устройств.

Рассматриваемая нами материнская плата Asus не исключение. Например, микросхема Nuvoton NCT6791D обрабатывает все маленькие разъемы для кулеров и датчики температуры на плате. Расположенный рядом процессор Asmedia ASM1083 управляет двумя устаревшими разъемами PCI, поскольку у чипа Intel Z97 такой возможности нет.

Хоть у чипсета Intel и есть встроенный сетевой адаптер, но он нагружает столь драгоценные высокоскоростные соединения, поэтому Asus добавила еще один чип Intel (I218V) для управления красным разъемом Ethernet, который мы видели в блоке ввода/вывода. На изображении выше не видно, насколько мал этот чип: его площадь составляет всего 0,24 дюйма (6 мм).

Серебряный металлический овал поблизости — это разновидность кварцевого генератора. Он нужен для создания низкочастотных сигналов для синхронизации сетевого чипа.

Кроме того, чипсет Intel имеет независимый звуковой процессор, появившийся по тем же причинам, по которым Asus добавила отдельный сетевой чип и почему большинство людей добавляют отдельную видеокарту для замены встроенного графического процессора в ЦП. Другими словами, дополнительный чип зачастую выступает решением лучшим, чем встроенный.

Но не все дополнительные микросхемы на материнской плате предназначены для замены интегрированных — многие их них нужны для управления или контроля за работой платы в целом.

Эти маленькие микросхемы представляют собой переключатели PCI Express и помогают процессору и южному мосту управлять 16-линейными разъемами PCIe, когда им необходимо распределить полосы между несколькими устройствами.

Материнские платы с возможностью разгона процессоров, чипсетов и системной памяти теперь стали обычным явлением, и многие из них поставляются с дополнительными интегральными схемами для управления этими функциями. В нашем примере платы, выделенной красным, Asus использует собственную конструкцию, называемую TPU (TurboV Processing Unit), которая регулирует тактовые частоты и напряжения.

Маленькое устройство Pm25LD512 рядом с ней, выделенное синим цветом, представляет собой микросхему флэш-памяти, которая хранит настройки тактирования и напряжения, когда материнская плата выключена, поэтому вам не нужно заново перенастраивать их каждый раз при включении ПК.

На каждой материнской плате есть по крайней мере одно устройство флэш-памяти, и оно предназначено для хранения BIOS (базовой операционной системы инициализации оборудования, которая запускает все перед загрузкой Windows, Linux, macOS и т. д.).

Этот чип Winbond имеет объем памяти всего 8 МБ, но этого более чем достаточно для хранения всего необходимого ПО. Этот вид флэш-памяти имеет очень малое энергопотребление при использовании и надежно хранит данные в течение десятилетий.

При включении ПК содержимое флэш-памяти копируется непосредственно в кэш ЦП или системную память, а затем запускается оттуда. Единственное, с чем это не сработает, — это время.

Эта материнская плата, как и любая другая, использует элемент CR2032 для питания простой схемы синхронизации, которая отслеживает данные и время. Конечно, заряд его не вечен, и как только он разрядится, материнская плата установит время/дату по умолчанию из данных во флэш-памяти.

Кстати о питании — для него тоже есть отдельные разъемы.

Игорь, принеси мне питание!

Чтобы обеспечить материнскую плату и подключенные к ней устройства необходимым напряжением, блок питания (PSU) имеет ряд стандартных разъемов. Основной из них — 24-контактный разъем ATX12V версии 2.4.

Величина тока зависит от блока питания, но промышленные стандарты напряжения составляют +3,3, +5 и +12 В.

Основная часть питания ЦП поступает от 12-вольтных контактов, но для современных высокопроизводительных систем этого недостаточно. Чтобы обойти эту проблему, существует дополнительный 8-контактный разъем питания, обеспечивающий еще четыре 12-вольтных линии.

Провода от блока питания имеют цветную маркировку, позволяющую определить, для чего предназначен каждый провод, но разъемы на материнской плате мало о чем вам говорят. Вот схема двух разъемов на плате:

Линии +3,3, +5 и +12 В подают питание на различные компоненты на самой материнской плате, а также ЦП, DRAM и любые устройства, подключенные к разъемам, таким как USB-порты или PCI Express. Однако все, что использует порты SATA, требует питания непосредственно от блока питания, а разъемы PCI Express могут обеспечить мощность только до 75 Вт. Если устройству требуется больше энергии, например, как многим видеокартам, то их также необходимо подключить напрямую к блоку питания.

Однако есть и более серьезная проблема, чем наличие достаточного количества выводов на 12 В: процессоры не работают от этого напряжения.

Например, процессоры Intel, совместимые в нашей материнской платой Asus Z97, работают с напряжением от 0,7 до 1,4 В. Это не фиксированное напряжение, поскольку современные процессоры меняют его для экономии энергии и уменьшения нагрева, и в спящем режиме процессор может потреблять менее 0,8 В. Затем, когда все ядра полностью загрузятся и начнут свою работу, оно возрастает до 1,4 В и более.

Блоки питания предназначены для преобразования сетевого переменного напряжения (110 или 230 В в зависимости от страны) в фиксированное постоянное, поэтому необходимы дополнительные цепи для его снижения. Такие схемы называются модулями регулирования напряжения (VRM), и их несложно найти на любой материнской плате.

Каждый VRM обычно состоит из 4 компонентов:

2 MOSFET — сильноточные управляющие транзисторы (синие);

1 дроссель (фиолетовый);

1 конденсатор (желтый).

Подробнее о том, как они работают, можно узнать на Wikichip, мы лишь кратко упомянем несколько моментов. Каждую VRM принято называть фазой, и требуется несколько фаз, чтобы обеспечить достаточный ток для современного процессора. Наша материнская плата имеет 8 VRM, называемых 8-фазной системой.

VRM обычно управляются отдельной микросхемой, которая контролирует устройство и переключает модули в соответствии с требуемым напряжением. Такие схемы называются многофазными контроллерами широтно-импульсных модуляторов; Asus именует их EPU. Такие вещи сильно нагреваются при работе, поэтому их часто накрывают металлическим радиатором, который помогает рассеивать ненужную энергию.

Даже стандартный настольный процессор, такой как Intel i7-9700K, может потреблять ток более 100 А при полной загрузке. VRM очень эффективны, но они не могут изменять напряжение без потерь. Принимая во внимание большой ток потребления, вы получаете отличное устройство для гриля.

Если снова взглянуть на фотографию нашей платы, можно увидеть пару VRM для модулей DRAM, но, поскольку напряжения там гораздо меньше, чем на ЦП, они не так сильно нагреваются (и поэтому радиатор не нужен).

И прочие назойливые мелочи

Последние разъемы, о которых стоит упомянуть, — это те, которые отвечают за основные функции материнской платы и подключение дополнительных устройств или расширений. На фото ниже показан основной блок элементов управления, индикаторов и контактов динамика:

Здесь у нас есть:

1 «мягкий» выключатель питания;

1 кнопка сброса;

2 светодиодных разъема;

1 разъем для динамика.

Переключатель питания называется «мягким», потому что он фактически не включает и не выключает материнскую плату — вместо этого схемы на плате контролируют напряжение на двух контактах переключателя, и когда они соединяются вместе (т. е. закорачиваются), материнская плата либо включается, либо выключается в зависимости от ее текущего состояния. То же самое относится и к кнопке сброса с той лишь разницей, что здесь материнская плата всегда отключается и сразу же снова включается.

Строго говоря, кнопка сброса, светодиодные индикаторы и разъемы динамиков не являются абсолютно необходимыми, но они помогают обеспечить базовое управление и информацию о плате.

Большинство материнских плат имеет аналогичный набор дополнительных разъемов, как показано выше — слева направо:

Разъем аудиопанели — если в корпус ПК встроены разъемы для наушников/микрофона, то их можно подключить к встроенному звуковому чипу;

Цифровой аудиоразъем — такой же, как и обычный аудиоразъем, но для S/PDIF;

Перемычка сброса BIOS — позволяет сбросить BIOS до заводских настроек. Также за ним спрятан разъем термозонда;

Разъем Trusted Platform Module — используется для повышения безопасности материнской платы и системы.

Разъем последовательного порта (COM) — древний интерфейс. Кто-нибудь вообще им пользуется? Кто-нибудь?

Также наклеены, но не показаны, разъемы для кулеров и дополнительных USB-портов. Не каждая материнская плата поддерживает все это, но многие.

Соединяя все вместе

Прежде чем мы закончим наш анализ, давайте кратко поговорим о том, как все эти устройства и разъемы связываются между собой.

Мы уже упоминали линии. Проще говоря, это небольшие медные полоски. Ниже они показаны окрашенными в черный цвет для лучшего вида. Однако это лишь небольшое количество видимых проводников — остальные зажаты между несколькими слоями, составляющими полную печатную плату.

Простые и дешевые материнские платы могут иметь только 4 слоя, но сегодня большинство из них имеет 6 или 8 — однако добавление большего количества слоев не улучшает ситуацию автоматически. Нужно уметь их правильно расположить, и важно держать их разделенными и изолированными, чтобы они не мешали друг другу.

Разработчики материнских плат используют для этого специальное ПО. Однако опытные инженеры часто вручную корректируют компоновку, основываясь на предыдущем опыте. Следующее видео наглядно показывает, как происходит трассировка линий на печатных платах.

Поскольку материнские платы — это же просто большие печатные платы, можно создать свои собственные, и, если вы хотите понять, как это сделать, этот отличный туториал по изготовлению печатной платы вам в помощь.

Разумеется, производство материнских плат в промышленных масштабах — это совсем другая история, и чтобы понять, насколько все это сложно, можно посмотреть два видео ниже. Первое — о том, как в целом проектируются и производятся печатные платы. Второе показывает основной процесс сборки типичной материнской платы. Наслаждайтесь!

В заключение

Вот и все: анализ материнской платы современного настольного ПК завершен. Это большие, сложные печатные платы со множеством процессоров, переключателей, разъемов и микросхем памяти. В них так много интересных технологий, но мы часто забываем о них, поскольку даже не обращаем внимания.

Материнская плата

Системная (материнская, главная) плата (motherboard) – сложная многослойная печатная плата, которая является основой ПК и обеспечивает связь между всеми элементами.

Рисунок 1. Схема работы ПК

Основными частями системной платы являются:

• разъём ЦП;
• разъёмы оперативной памяти (ОЗУ);
• микросхемы чипсета;
• загрузочное ПЗУ;
• контроллеры шин и их слоты расширения;
• контроллеры и интерфейсы периферийных устройств.

Системная плата вмонтирована в середине системного блока ПК.

Строение системной платы

Системная плата изготовлена из стекловолокна, состоит из нескольких листов, на которые наносятся контакты (печатная плата) и имеет многослойную структуру.

Системная плата крепится к стойке с помощью винтов.

Статья: Материнская плата

Основные элементы, которые располагаются на системной плате:

• процессор;
• оперативная память;
• набор управляющих микросхем (чипсет);
• BIOS;
• кэш-память;
• шины;
• слоты расширения;
• батарейка и др.

Кроме того, на плате расположены разъемы для параллельных, последовательных портов (для подключения клавиатуры и мыши), источника питания, встроенного динамика, индикаторов и кнопок, которые находятся на передней панели системного блока. Тип системной платы определяет производительность ПК и перечень тех устройств, которые можно подключить.

Рисунок 2. Вид системной платы

Для передачи данных между устройствами системной платы используются шины: шина главного процессора, на которой работает ЦП и кэш-память, системная шина. Взаимодействие происходит через специальные устройства – контроллеры.

Характеристики системной платы

Тип платы (форм-фактор). Форм-фактор системной платы – стандарт, который определяет ее размеры для ПК, места крепления, расположение на системной плате интерфейсов шин, портов ввода и вывода, разъёма ЦП, слотов для ОЗУ, тип разъема для подключения блока питания.

Современными форматами системных плат являются форматы ATX, Mini-ATX, microATX, Mini-ITX, BTX и др.

Питание зависит от разъема для блока питания.

Гнездо процессора определяет вид разъема, в который вставляется ЦП.

Количество слотов и их тип для оперативной памяти (от $2$ до $4$). Современные системны платы поддерживают память вид $DDR$, $DDR2$, $DDR3.$

Чипсет в современных ПК состоит из двух частей: северный мост и южный мост. Северный мост отвечает за связь с помощью шины с ЦП и оперативной памятью. Южный мост связывает северный мост с жестким диском, DVD-накопителем, картами расширения, USB и пр.

Дисковые контроллеры для дисковых накопителей (внутренних жестких дисков и DVD-накопителей:

• IDE – разъем для внутренних жестких дисков;
• FDD – разъем для гибких дисков;
• SATA –разъем для внутренних жестких дисков и DVD-накопителей. Скорость передачи данных через данный интерфейс $3$ Гб/с. Используется в современных системных платах.

Разъемы на задней панели:

• разъемы USB (версии $2.0$, иногда $3.0$);
• видео (VGA или DMI);
• PS/2 (для подключения мыши и клавиатуры);
• сетевой интерфейс Ethеrnet для подключения к локальной сети ($RJ-45$);
• аудио разъемы (для подключения наушников, микрофона, линейный вход).

Контроллер Bluetooth, который позволяет работать с беспроводной клавиатурой, мышью и другими устройствами, поддерживающими этот стандарт.

Слоты PCI для подключения карт с подсистемами (например, аудио, видеозахвата, Ethernet, модема и т.п.).

Слоты PCI-E $x16$ используются для высокотребовательных систем (например, видеокарты).

Переключатели и перемычки (джамперы) на системной плате используются для установки режимов работы платы. Джамперы более распространены, т.к. могут принимать более двух состояний в отличие от переключателей. Современные разработки системных плат заключаются в освобождении системных плат от переключателей и перемычек и передаче возможности переключения режимов работы платы на программное обеспечение. Такие системные платы называют свободными от перемычек.

Кроме указанных разъемов, на системной плате могут присутствовать дополнительные. Например, если есть интегрированная звуковая подсистема, то присутствует аудиоразъем для подключения к передней панели системного блока и дополнительный аудиовход, разъем ATAPI (белый).

Производителем системных плат в России является компания Формоза.