Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Материнская плата (значения) .

Материнская плата для настольного персонального компьютера, показывающая типичные компоненты и интерфейсы, которые находятся на материнской плате. Эта модель соответствует форм-фактору microATX , который используется во многих настольных ПК.

Материнская плата (также называемая материнская плата , главная печатная плата , системная плата , плинтус , плоская доска , логическая плата , [1] или Мобо ) является основной печатной платой (ППЫ) в компьютерах общего назначения и других расширяемых системах. Он поддерживает и обеспечивает связь между многими важными электронными компонентами системы, такими как центральный процессор (ЦП) и память , а также обеспечивает разъемы для других периферийных устройств . В отличие от объединительной платыматеринская плата обычно содержит важные подсистемы, такие как центральный процессор, контроллеры ввода / вывода и памяти набора микросхем , интерфейсные разъемы и другие компоненты, интегрированные для общего использования.

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

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

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

Термин « логическая плата» является специфическим для бренда и был введен Apple в начале 1980-х годов для материнских плат компьютеров Macintosh . [2]

История [ править ]

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

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

В конце 1980-х - начале 1990-х годов стало экономичным переносить на материнскую плату все большее количество периферийных функций. В конце 1980-х материнские платы персональных компьютеров начали включать одиночные микросхемы (также называемые микросхемами Super I / O ), способные поддерживать набор низкоскоростных периферийных устройств: клавиатуру и мышь PS / 2 , дисковод для гибких дисков , последовательные и параллельные порты. . К концу 1970-х многие материнские платы персональных компьютеров включали в себя встроенное аудио, видео, функции хранения и сетевых функций потребительского уровня без необходимости использования каких-либо карт расширения ; системы высшего класса для 3D- игр и компьютерной графикикак правило, в качестве отдельного компонента оставалась только видеокарта. ПК, рабочие станции и серверы для бизнеса с большей вероятностью потребуются карты расширения либо для более надежных функций, либо для более высоких скоростей; в этих системах часто было меньше встроенных компонентов.

Ноутбуки и портативные компьютеры, разработанные в 1990-х годах, объединяли наиболее распространенные периферийные устройства. Это включало даже материнские платы без обновляемых компонентов - тенденция, которая будет продолжаться по мере появления систем меньшего размера на рубеже веков (таких как планшетный компьютер и нетбук ). В некоторые системы будут интегрированы память, процессоры, сетевые контроллеры, источник питания и хранилище.

Дизайн [ править ]

Материнская плата Octek Jaguar V 1993 года выпуска. [3] На этой плате мало встроенных периферийных устройств, о чем свидетельствуют 6 слотов для карт ISA и отсутствие других встроенных разъемов внешнего интерфейса. Обратите внимание, что большой разъем для клавиатуры AT сзади справа - это единственный периферийный интерфейс.
Материнская плата Samsung Galaxy SII ; почти все функции устройства объединены на очень маленькой плате

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

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

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

Современные материнские платы включают:

  • Разъемы ЦП (или разъемы ЦП), в которых могут быть установлены один или несколько микропроцессоров . В случае процессоров в корпусах с массивом шариковой сетки , таких как VIA Nano и Goldmont Plus , процессор напрямую припаян к материнской плате [4]
  • Слоты памяти, в которые должна быть установлена ​​основная память системы, обычно в виде модулей DIMM, содержащих микросхемы DRAM, могут быть DDR3 , DDR4 или DDR5.
  • Набор микросхем, который образует интерфейс между процессором , основной памятью и периферийными шинами.
  • Микросхемы энергонезависимой памяти (обычно Flash ROM на современных материнских платах), содержащие прошивку системы или BIOS.
  • Тактовый генератор , который вырабатывает систему тактового сигнала для синхронизации различных компонентов
  • Слоты для карт расширения (интерфейс с системой через шины, поддерживаемые чипсетом)
  • Разъемы питания, которые получают электроэнергию от блока питания компьютера и распределяют ее на ЦП, набор микросхем, основную память и карты расширения. По состоянию на 2007 год некоторым видеокартам (например, GeForce 8 и Radeon R600 ) требуется больше энергии, чем может обеспечить материнская плата, поэтому были введены специальные разъемы для подключения их непосредственно к источнику питания [5]
  • Разъемы для жестких дисков, дисководов оптических дисков или твердотельных накопителей, сейчас обычно SATA и NVMe .

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

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

Форм-фактор [ править ]

Основная статья: Сравнение компьютерных форм-факторов

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

Сокеты ЦП [ править ]

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

Интегрированные периферийные устройства [ править ]

Блок-схема современной материнской платы, которая поддерживает множество встроенных периферийных функций, а также несколько слотов расширения

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

  • Контроллеры дисков для дисков PATA и дисков SATA
  • Контроллер гибких дисков
  • Встроенный графический контроллер, поддерживающий 2D и 3D графику, с VGA , DVI , HDMI , DisplayPort и ТВ- выходом
  • встроенная звуковая карта с поддержкой 8-канального (7.1) звука и вывода S / PDIF
  • Сетевой контроллер Ethernet для подключения к локальной сети и выхода в Интернет
  • USB- контроллер
  • Контроллер беспроводного сетевого интерфейса
  • Контроллер Bluetooth
  • Датчики температуры, напряжения и скорости вращения вентилятора, которые позволяют программному обеспечению контролировать состояние компонентов компьютера.

Слоты для периферийных карт [ править ]

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

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

На некоторых материнских платах есть два или более слота PCI-E x16, что позволяет использовать более 2 мониторов без специального оборудования или использовать специальную графическую технологию под названием SLI (для Nvidia ) и Crossfire (для AMD ). Это позволяет соединить от 2 до 4 видеокарт вместе, чтобы обеспечить лучшую производительность в ресурсоемких задачах графических вычислений, таких как игры, редактирование видео и т. Д.

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

Температура и надежность [ править ]

Материнская плата ноутбука серии Vaio E (справа)
Материнская плата microATX с неисправными конденсаторами
Основная статья: Охлаждение компьютера

Материнские платы обычно имеют воздушное охлаждение с радиаторами, которые часто устанавливаются на более крупных микросхемах современных материнских плат. [6] Недостаточное или неправильное охлаждение может вызвать повреждение внутренних компонентов компьютера или вызвать его сбой . Пассивного охлаждения или одного вентилятора, установленного на блоке питания , было достаточно для процессоров многих настольных компьютеров до конца 1990-х годов; с тех пор большинству из-за повышения тактовой частоты и энергопотребления требовались вентиляторы ЦП, установленные на радиаторах . Большинство материнских плат имеют разъемы для подключения дополнительных компьютерных вентиляторов.и встроенные датчики температуры для определения температуры материнской платы и процессора, а также управляемые разъемы вентиляторов, которые BIOS или операционная система могут использовать для регулирования скорости вращения вентиляторов. [7] В качестве альтернативы компьютеры могут использовать систему водяного охлаждения вместо множества вентиляторов.

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

Исследование 2003 года показало, что некоторые ложные сбои компьютера и общие проблемы с надежностью, начиная от искажения изображения на экране и заканчивая ошибками чтения / записи ввода-вывода , могут быть связаны не с программным обеспечением или периферийным оборудованием, а со старением конденсаторов на материнских платах ПК. [8] В конечном итоге было показано, что это результат неправильного состава электролита, [9] проблема, названная чумой конденсаторов .

Стандартные материнские платы используют электролитические конденсаторы для фильтрации постоянного тока, распределяемого по плате. Эти конденсаторы стареют с зависящей от температуры скоростью, поскольку их водные электролиты медленно испаряются. Это может привести к потере емкости и последующим сбоям в работе материнской платы из-за нестабильности напряжения . Хотя большинство конденсаторов рассчитаны на 2000 часов работы при 105 ° C (221 ° F) [10], их ожидаемый расчетный срок службы примерно удваивается на каждые 10 ° C (18 ° F) ниже этого значения. При температуре 65 ° C (149 ° F) срок службы может составлять от 3 до 4 лет. Однако многие производители поставляют некачественные конденсаторы [11].которые значительно сокращают продолжительность жизни. Недостаточное охлаждение корпуса и повышенная температура вокруг сокета процессора усугубляют эту проблему. С помощью верхних вентиляторов компоненты материнской платы можно поддерживать при температуре ниже 95 ° C (203 ° F), что фактически удваивает срок службы материнской платы.

С другой стороны, материнские платы среднего и высокого класса используют исключительно твердотельные конденсаторы. На каждые 10 ° C меньше их средний срок службы увеличивается примерно в три раза, что приводит к увеличению ожидаемого срока службы при 65 ° C (149 ° F) в 6 раз. [12] Эти конденсаторы могут быть рассчитаны на 5000, 10000 или 12000 часов работы при 105 ° C (221 ° F), что увеличивает предполагаемый срок службы по сравнению со стандартными твердотельными конденсаторами.

В настольных ПК и портативных компьютерах решения для охлаждения и мониторинга материнской платы обычно основаны на Super I / O или встроенном контроллере .

Загрузка с использованием базовой системы ввода / вывода [ править ]

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

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

  • Видеокарта
  • Карты расширения, вставленные в слоты, например обычные PCI и PCI Express
  • Дисковод
  • Температура , напряжение и скорость вращения вентилятора для аппаратного мониторинга
  • Память CMOS, используемая для хранения конфигурации BIOS
  • Клавиатура и Мышь
  • Звуковая карта
  • Сетевой адаптер
  • Оптические приводы: CD-ROM или DVD-ROM
  • Жесткий диск с параллельным ATA или Serial ATA
  • Твердотельный накопитель Serial ATA
  • Твердотельный накопитель NVMe
  • Жесткий диск SCSI
  • Жесткий диск SAS или твердотельный накопитель
  • Устройства безопасности, такие как считыватель отпечатков пальцев или состояние переключателя с фиксацией для обнаружения вторжения
  • USB- устройства, такие как запоминающее устройство USB.

Многие материнские платы теперь используют преемник BIOS под названием UEFI . Он стал популярным после того, как Microsoft начала требовать, чтобы система была сертифицирована для работы с Windows 8 . [13] [14]

См. Также [ править ]

  • Соединение периферийных компонентов (PCI)
    • PCI-X
    • PCI Express (PCIe)
  • Порт ускоренной графики (AGP)
  • M.2
  • Винты корпуса компьютера
  • CMOS аккумулятор
  • Карта расширения
  • Список производителей компьютерного оборудования
  • Базовая система ввода / вывода (BIOS)
  • Единый расширяемый интерфейс микропрограмм (UEFI)
  • Разгон
  • Одноплатный компьютер
  • Применения импульсных источников питания
  • Симметричная многопроцессорная обработка

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Миллер, Пол (8 июля 2006 г.). «Apple пробирает новую материнскую плату в ноющие MacBook Pro» . Engadget. Архивировано 4 октября 2013 года . Проверено 2 октября 2013 года .
  2. ^ https://www.techwalla.com/articles/difference-in-logic-board-motherboard
  3. ^ "Золотые старички: материнские платы 1993 года" . Архивировано 13 мая 2007 года . Проверено 27 июня 2007 года .
  4. ^ «Объяснение типов сокетов ЦП: от сокета 5 до BGA [MakeUseOf Explains]» . 25 января 2013 года. Архивировано 7 апреля 2015 года . Проверено 12 апреля 2015 года .
  5. ^ W1zzard (6 апреля 2005). «Распиновка разъема питания PCI-Express» . techPowerUp. Архивировано 4 октября 2013 года . Проверено 2 октября 2013 года .
  6. ^ Карбо, Майкл. «ЦП и материнская плата» . Карбос Путеводитель. Архивировано 27 апреля 2015 года . Проверено 21 июня 2015 года .
  7. ^ «Температуры» . Intel® Visual BIOS Wiki . Google. Архивировано 21 июня 2015 года . Проверено 21 июня 2015 года .
  8. ^ c't Magazine , vol. 21. С. 216-221. 2003 г.
  9. ^ Чиу, Ю-Цзы; Мур, Сэмюэл К. (31 января 2003 г.). "Неисправности и отказы: утечки конденсаторов на материнские платы" . IEEE Spectrum. Архивировано из оригинального 19 -го февраля 2003 года . Проверено 2 октября 2013 года .
  10. ^ "Формула срока службы конденсатора" . Low-esr.com. Архивировано из оригинального 15 сентября 2013 года . Проверено 2 октября 2013 года .
  11. ^ Кэри Хольцман Здоровый ПК: профилактика и домашние средства для вашего компьютера McGraw-Hill Professional, 2003 ISBN 0-07-222923-3 стр. 174 
  12. ^ "- GIGABYTE, - колонка недели Geeks - все твердотельные конденсаторы" . www.gigabyte.com . Архивировано 27 марта 2017 года . Проверено 6 мая 2017 года .
  13. ^ «Требования к сертификации оборудования Windows для клиентских и серверных систем» . Microsoft. Январь 2013. System.Fundamentals.Firmware.CS.UEFISecureBoot.ConnectedStandby ... Платформы должны быть UEFI класса 3 (определение см. В разделе Отраслевая группа UEFI, Оценка UEFI с использованием коммерчески доступных платформ и решений, версия 0.3) без модуля поддержки совместимости установлен или устанавливается. Эмуляция BIOS и устаревшая загрузка ПК / AT должны быть отключены.
  14. ^ «Microsoft: все, что вам нужно знать о Windows 8 на ARM» . Журнал ПК . Проверено 30 сентября 2013 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • "true" area & tid = wh11_008 Форм-факторы материнской платы - статья Silverstone
  • Материнские на Curlie
  • Список производителей материнских плат и ссылки на обновления BIOS
  • Что такое материнская плата?
  • Micro ATX против Mini ITX против ATX - в чем разница?
  • Создание материнской платы: тур по фабрике ECS
  • Создание материнской платы: тур по фабрике Gigabyte
  • Руководство по проектированию подключения ввода-вывода на передней панели - версия 1.3 (файл pdf)
  • ATX против Micro ATX против Mini ITX - какую материнскую плату выбрать?