Материнская плата

Материнская плата (также называемая материнской платой , основной платой , MB , базовой платой , системной платой или, в Apple компьютерах , материнской платой ) — это основная печатная плата общего назначения (PCB) в компьютерах 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 платы , материнская плата обычно содержит важные подсистемы, такие как центральный процессор, микросхем и памяти набора контроллеры ввода-вывода , интерфейсные разъемы и другие компоненты, интегрированные для общего использования.

Материнская плата означает, в частности, печатную плату с возможностями расширения. Как следует из названия, эту плату часто называют матерью всех подключенных к ней компонентов, которые часто включают в себя периферийные устройства, интерфейсные карты и дочерние платы : звуковые карты , видеокарты , сетевые карты , адаптеры главной шины , карты ТВ-тюнера , IEEE. 1394 карты и множество других нестандартных компонентов.

Аналогичным образом, термин «основная плата» описывает устройство с одной платой без каких-либо дополнительных расширений или возможностей, например, платы управления в лазерных принтерах, телевизорах, стиральных машинах, мобильных телефонах и других встроенных системах с ограниченными возможностями расширения.

Материнская плата для персонального настольного компьютера 1990-х годов; показаны типичные компоненты и интерфейсы материнской платы. Эта модель соответствует форм-фактору Baby AT , который использовался во многих настольных ПК того времени.

История

До изобретения микропроцессора ЦП цифрового компьютера состоял из нескольких печатных плат в корпусе для карт с компонентами, соединенными объединительной платой, содержащей набор взаимосвязанных разъемов, к которым подключаются печатные платы. В очень старых конструкциях медные провода были отдельными соединениями между контактами разъема карты, но вскоре печатные платы стали стандартной практикой. Центральный процессор (ЦП), память и периферийные устройства размещались на отдельных печатных платах, которые подключались к объединительной плате.

В старых системах на базе микропроцессора ЦП и некоторые вспомогательные схемы помещались на одной плате ЦП, а память и периферийные устройства - на дополнительных платах, подключаемых к объединительной плате. Вездесущий автобус S-100 1970-х годов является примером системы объединительной платы такого типа.

Для самых популярных компьютеров 1980-х годов, таких как Apple II и IBM PC, были опубликованы принципиальные схемы и другая документация, которая позволяла быстро реконструировать и заменять материнские платы сторонних производителей. Многие материнские платы, обычно предназначенные для создания новых компьютеров, совместимых с образцами, предлагали дополнительную производительность или другие функции и использовались для модернизации оригинального оборудования производителя.

В конце 1980-х и начале 1990-х годов стало экономичным переносить на материнскую плату все большее количество периферийных функций. В конце 1980-х годов материнские платы персональных компьютеров стали включать в себя отдельные микросхемы (также называемые микросхемами Super I/O ), способные поддерживать набор низкоскоростных периферийных устройств: PS/2 клавиатуру и мышь , дисковод гибких дисков , последовательные порты и параллельные порты. . К концу 1990-х годов многие материнские платы для персональных компьютеров включали встроенные функции аудио, видео, хранения и сети потребительского уровня без необходимости использования каких-либо карт расширения ; системы более высокого класса для 3D- игр и компьютерной графики обычно сохраняли только видеокарту как отдельный компонент. Бизнес-ПК, рабочие станции и серверы чаще нуждались в картах 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, включали в себя наиболее распространенные периферийные устройства. Сюда входили даже материнские платы без обновляемых компонентов, и эта тенденция продолжилась по мере появления на рубеже веков более мелких систем (таких как планшетный компьютер и нетбук ). Память, процессоры, сетевые контроллеры, источник питания и хранилище будут интегрированы в некоторые системы.

Дизайн

Материнская плата обеспечивает электрические соединения, посредством которых взаимодействуют другие компоненты системы. В отличие от объединительной платы, она 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 видеоизображения и звука , а также периферийные устройства, могут быть подключены к материнской плате в виде сменных карт или с помощью кабелей; в современных микрокомпьютерах некоторые из этих периферийных устройств все чаще интегрируются в саму материнскую плату.

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

Современные материнские платы включают в себя:

Сокеты ЦП (или слоты ЦП), в которые один или несколько микропроцессоров можно установить . В случае ЦП в корпусах с шариковой решеткой , таких как VIA Nano и Goldmont Plus , ЦП припаивается непосредственно к материнской плате. ^[2]
Слоты памяти, в которые должна быть установлена основная память системы, обычно в виде модулей DIMM , содержащих микросхемы DRAM . Может быть DDR3 , DDR4 , DDR5 или встроенный LPDDRx .
Набор микросхем , который образует интерфейс между процессором , основной памятью и периферийными шинами.
Микросхемы энергонезависимой памяти (обычно флэш-память системы в современных материнских платах), содержащие встроенное ПО или BIOS.
Тактовый генератор , который генерирует системный тактовый сигнал для синхронизации различных компонентов.
Слоты для карт расширения (интерфейс к системе через поддерживаемые чипсетом шины)
Разъемы питания, которые получают электроэнергию от блока питания компьютера и распределяют ее по процессору, набору микросхем, основной памяти и картам расширения. По состоянию на 2007 год ^[update], некоторым видеокартам (например, GeForce 8 и Radeon R600 ) требуется больше энергии, чем может обеспечить материнская плата, поэтому были введены специальные разъемы для их непосредственного подключения к источнику питания. ^[3]
Разъемы для жестких дисков, оптических дисков или твердотельных накопителей, обычно SATA и NVMe.

Кроме того, почти все материнские платы включают в себя логику и разъемы для поддержки часто используемых устройств ввода, таких как USB для мыши и клавиатуры . Ранние персональные компьютеры , такие как Apple II и IBM PC, имели на материнской плате только минимальную периферийную поддержку. Иногда в материнскую плату также интегрировалось оборудование видеоинтерфейса; например, на Apple II и редко на IBM-совместимых компьютерах, таких как IBM PCjr . Дополнительные периферийные устройства, такие как контроллеры дисков и последовательные порты, предоставлялись в виде карт расширения.

Учитывая высокую расчетную тепловую мощность высокоскоростных компьютерных процессоров и компонентов, современные материнские платы почти всегда включают в себя радиаторы и точки крепления вентиляторов для рассеивания избыточного тепла.

Форм-фактор

Материнские платы производятся различных размеров и форм, называемых форм-факторами , некоторые из которых специфичны для отдельных производителей компьютеров. Однако материнские платы, используемые в IBM-совместимых системах, рассчитаны на корпуса различных размеров. По состоянию на 2024 год ^[update]Большинство материнских плат для настольных компьютеров имеют стандартный форм-фактор ATX — даже те, которые используются в компьютерах Macintosh и Sun и не изготовлены из стандартных компонентов. (PSU) корпуса Форм-фактор материнской платы и блока питания должен совпадать, хотя некоторые материнские платы меньшего форм-фактора того же семейства подходят для корпусов большего размера. Например, в корпусе ATX обычно размещается материнская плата microATX . В портативных компьютерах обычно используются высокоинтегрированные, миниатюрные и специализированные материнские платы. Это одна из причин того, что портативные компьютеры сложно модернизировать и дорого ремонтировать. Зачастую выход из строя одного компонента ноутбука требует замены всей материнской платы, которая обычно стоит дороже, чем материнская плата настольного компьютера.

Разъемы процессора

( Разъем ЦП центральный процессор) или слот — это электрический компонент, который крепится к печатной плате (PCB) и предназначен для размещения ЦП (также называемого микропроцессором). Это особый тип разъема для интегральной схемы, рассчитанный на очень большое количество контактов. Сокет ЦП обеспечивает множество функций, включая физическую структуру для поддержки ЦП, поддержку радиатора, упрощение замены (а также снижение стоимости) и, что наиболее важно, формирование электрического интерфейса как с ЦП, так и с печатной платой. Разъемы для процессоров на материнской плате чаще всего можно найти в большинстве настольных и серверных компьютеров (в ноутбуках обычно используются процессоры для поверхностного монтажа), особенно на базе архитектуры Intel x86 . Тип разъема ЦП и набор микросхем материнской платы должны поддерживать серию и скорость ЦП.

Интегрированные периферийные устройства

Благодаря постоянному снижению стоимости и размеров интегральных схем теперь можно включить поддержку многих периферийных устройств в материнскую плату . Объединив множество функций на одной 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 SATA и исторических PATA дисков
Исторический контроллер гибких дисков
Встроенный графический контроллер, поддерживающий 2D- и 3D- графику, с VGA , DVI , HDMI , DisplayPort и TV. выходами
встроенная звуковая карта с поддержкой 8-канального звука (7.1) и S/PDIF выходом
Ethernet Сетевой контроллер для подключения к локальной сети и получения Интернета
USB- контроллер
Контроллер беспроводного сетевого интерфейса
Bluetooth- контроллер
Датчики температуры, напряжения и скорости вращения вентилятора, которые позволяют программному обеспечению контролировать состояние компонентов компьютера.

Слоты для периферийных карт

Типичная материнская плата будет иметь различное количество соединений 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 устаревших слота PCI для различных карт расширения и один или два разъема PCI-E x1 (который пришел на смену PCI ). Стандартная материнская плата EATX будет иметь от двух до четырех разъемов PCI-E x16 для видеокарт и различное количество слотов PCI и PCI-E x1. Иногда он также может иметь слот PCI-E x4 (зависит от марки и модели).

Некоторые материнские платы имеют два или более слота PCI-E x16, что позволяет использовать более двух мониторов без специального оборудования или использовать специальную графическую технологию, называемую SLI (для Nvidia ) и Crossfire (для AMD ). Они позволяют объединить от 2 до 4 видеокарт, чтобы повысить производительность при выполнении интенсивных графических задач, таких как игры, редактирование видео и т. д.

В новых материнских платах слоты M.2 предназначены для SSD и/или контроллера интерфейса беспроводной сети .

Температура и надежность

Материнская плата ноутбука серии Vaio E (справа)

Материнские платы обычно имеют воздушное охлаждение с помощью радиаторов, которые в современных материнских платах часто устанавливаются на более крупные чипы. ^[4] Недостаточное или неправильное охлаждение может привести к повреждению внутренних компонентов компьютера или к его поломке . Пассивное охлаждение или один вентилятор, установленный на блоке питания , было достаточно для многих процессоров настольных компьютеров до конца 1990-х годов; с тех пор большинству из них требуются вентиляторы ЦП, установленные на радиаторах , из-за роста тактовой частоты и энергопотребления. Большинство материнских плат имеют разъемы для 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. ^[5] В качестве альтернативы компьютеры могут использовать систему водяного охлаждения вместо множества вентиляторов.

Некоторые компьютеры малого форм-фактора и ПК для домашнего кинотеатра, предназначенные для бесшумной и энергоэффективной работы, имеют конструкцию без вентилятора. Обычно это требует использования процессора с низким энергопотреблением, а также тщательной компоновки материнской платы и других компонентов , позволяющей разместить радиатор.

Исследование 2003 года показало, что некоторые ложные сбои компьютеров и общие проблемы с надежностью, начиная от искажений 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. ^[6] В конечном итоге выяснилось, что это результат неправильного состава электролита. ^[7] проблема, называемая конденсаторной чумой .

В современных материнских платах используются электролитические конденсаторы для фильтрации постоянного тока, распределяемого по плате. Эти конденсаторы стареют со скоростью, зависящей от температуры, поскольку их электролиты на водной основе медленно испаряются. Это может привести к потере емкости и последующим неисправностям материнской платы из-за нестабильности напряжения . Хотя большинство конденсаторов рассчитаны на 2000 часов работы при температуре 105 °C (221 °F), ^[8] их ожидаемый расчетный срок службы увеличивается примерно вдвое на каждые 10 °C (18 °F) ниже этого значения. При температуре 65 °C (149 °F) можно ожидать, что срок службы составит от 3 до 4 лет. Однако многие производители поставляют некачественные конденсаторы, ^[9] которые существенно сокращают продолжительность жизни. Недостаточное охлаждение корпуса и повышенная температура вокруг сокета ЦП усугубляют эту проблему. Благодаря верхним вентиляторам компоненты материнской платы могут поддерживаться при температуре ниже 95 °C (203 °F), что фактически удваивает срок службы материнской платы.

С другой стороны, в материнских платах среднего и высокого класса используются исключительно твердотельные конденсаторы . На каждые 10 °C меньше их средний срок службы увеличивается примерно в три раза, что приводит к увеличению ожидаемой продолжительности жизни в 6 раз при 65 °C (149 °F). ^[10] Эти конденсаторы могут быть рассчитаны на 5000, 10000 или 12000 часов работы при температуре 105 °C (221 °F), что продлевает прогнозируемый срок службы по сравнению со стандартными твердотельными конденсаторами.

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

Начальная загрузка

Материнские платы содержат ПЗУ (а позднее EPROM , EEPROM , флэш-память NOR ), в котором хранится прошивка , которая инициализирует аппаратные устройства и загружает операционную систему с периферийного устройства . Термины «бутстреп» и «загрузка» происходят от фразы «поднимать себя за бутстрапы». ^[11]

Микрокомпьютеры, такие как Apple II и IBM PC, использовали микросхемы ПЗУ, установленные в разъемах на материнской плате. При включении питания центральный процессор загружал в свой счетчик программ адрес загрузочного ПЗУ и начинал выполнять инструкции из загрузочного ПЗУ. Эти инструкции инициализировали и тестировали системное оборудование, отображали системную информацию на экране, выполняли проверку оперативной памяти , а затем пытались загрузить операционную систему с периферийного устройства. Если периферийное устройство, содержащее операционную систему, не было доступно, компьютер выполнял задачи из других хранилищ ПЗУ или отображал сообщение об ошибке, в зависимости от модели и конструкции компьютера. Например, и Apple II, и первоначальный IBM PC имели Cassette BASIC (ROM BASIC) и запускались, если операционная система не могла быть загружена с дискеты или жесткого диска.

Загрузочная прошивка в современных совместимых с IBM PC, материнских платах, содержит либо BIOS , как это было в загрузочном ПЗУ на оригинальном IBM PC, либо UEFI . UEFI является преемником BIOS, который стал популярным после того, как Microsoft начала требовать его для сертификации системы для работы с Windows 8 . ^[12]^[13]

Когда компьютер включен, загрузочная микропрограмма тестирует и настраивает память, схемы и периферийные устройства. Это самотестирование при включении питания (POST) может включать в себя проверку некоторых из следующих вещей:

Видеокарта
Карты расширения, вставленные в слоты, например обычные PCI и PCI Express.
Исторический дисковод
Температуры , напряжения и скорости вращения вентиляторов для аппаратного мониторинга.
Память CMOS, используемая для хранения BIOS конфигурации
Клавиатура и мышь
Звуковая карта
Сетевой адаптер
Оптические приводы: CD-ROM или DVD-ROM.
Жесткий диск и твердотельный накопитель
Устройства безопасности, такие как сканер отпечатков пальцев
USB- устройства, например USB-накопитель большой емкости.

См. также

Ускоренный графический порт (AGP)
Базовая система ввода/вывода (BIOS)
Ползучесть стружки
КМОП-батарея
Винты корпуса компьютера
Карта расширения
Список производителей компьютерного оборудования
М.2
Разгон
Соединение периферийных компонентов (PCI)
- PCI-X
- PCI Express (PCIe)
Одноплатный компьютер
Импульсный источник питания#Приложения
Симметричная многопроцессорная обработка
Система на чипе
У.2
UEFI (унифицированный расширяемый интерфейс прошивки)

Ссылки

^ «Золотые старички: материнские платы 1993 года» . Архивировано из оригинала 13 мая 2007 года . Проверено 27 июня 2007 г.
^ «Описание типов сокетов процессора: от сокета 5 до BGA [объяснение MakeUseOf]» . 25 января 2013. Архивировано из оригинала 7 апреля 2015 года . Проверено 12 апреля 2015 г.
^ W1zzard (6 апреля 2005 г.). «Распиновка разъема питания PCI-Express» . techPowerUp. Архивировано из оригинала 4 октября 2013 года . Проверено 2 октября 2013 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ Карбо, Майкл. «Процессор и материнская плата» . Карбос Путеводитель. Архивировано из оригинала 27 апреля 2015 года . Проверено 21 июня 2015 г.
^ «Температуры» . Intel® Visual BIOS Wiki . Архивировано из оригинала 21 июня 2015 года . Проверено 21 июня 2015 г.
^ Журнал c't , том. 21, стр. 216–221. 2003.
^ Чиу, Ю-Цзы; Мур, Сэмюэл К. (31 января 2003 г.). «Неисправности и сбои: утечка конденсаторов портит материнские платы» . IEEE-спектр. Архивировано из оригинала 19 февраля 2003 года . Проверено 2 октября 2013 г.
^ «Формула срока службы конденсатора» . Low-esr.com. Архивировано из оригинала 15 сентября 2013 года . Проверено 2 октября 2013 г.
^ Кэри Хольцман Здоровый компьютер: профилактика и домашние средства для вашего компьютера McGraw-Hill Professional, 2003 ISBN 0-07-222923-3 стр. 174
^ «— GIGABYTE, — Колонка недели для компьютерных фанатов — Полностью твердотельные конденсаторы» . www.gigabyte.com . Архивировано из оригинала 27 марта 2017 года . Проверено 6 мая 2017 г.
^ «Основы загрузки» . Система обучения Adafruit . Проверено 21 февраля 2024 г.
^ «Требования к сертификации оборудования Windows для клиентских и серверных систем» . Майкрософт. Январь 2013. Архивировано из оригинала 5 ноября 2021 года . Проверено 3 июля 2020 г. System.Fundamentals.Firmware.CS.UEFISecureBoot.ConnectedStandby... Платформы должны быть UEFI класса три (определение см. в разделе UEFI Industry Group, Оценка UEFI с использованием коммерчески доступных платформ и решений, версия 0.3) без установленного или подлежащего установке модуля поддержки совместимости. . Эмуляция BIOS и устаревшая загрузка ПК/AT должны быть отключены.
^ «Microsoft: все, что вам нужно знать о Windows 8 на ARM» . Журнал ПК . Архивировано из оригинала 27 декабря 2018 года . Проверено 30 сентября 2013 г.

Внешние ссылки

[1] «Золотые старички: материнские платы 1993 года» . Архивировано из оригинала 13 мая 2007 года . Проверено 27 июня 2007 г.

[2] «Описание типов сокетов процессора: от сокета 5 до BGA [объяснение MakeUseOf]» . 25 января 2013. Архивировано из оригинала 7 апреля 2015 года . Проверено 12 апреля 2015 г.

[3] W1zzard (6 апреля 2005 г.). «Распиновка разъема питания PCI-Express» . techPowerUp. Архивировано из оригинала 4 октября 2013 года . Проверено 2 октября 2013 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[4] Карбо, Майкл. «Процессор и материнская плата» . Карбос Путеводитель. Архивировано из оригинала 27 апреля 2015 года . Проверено 21 июня 2015 г.

[5] «Температуры» . Intel® Visual BIOS Wiki . Архивировано из оригинала 21 июня 2015 года . Проверено 21 июня 2015 г.

[6] Журнал c't , том. 21, стр. 216–221. 2003.

[7] Чиу, Ю-Цзы; Мур, Сэмюэл К. (31 января 2003 г.). «Неисправности и сбои: утечка конденсаторов портит материнские платы» . IEEE-спектр. Архивировано из оригинала 19 февраля 2003 года . Проверено 2 октября 2013 г.

[8] «Формула срока службы конденсатора» . Low-esr.com. Архивировано из оригинала 15 сентября 2013 года . Проверено 2 октября 2013 г.

[9] Кэри Хольцман Здоровый компьютер: профилактика и домашние средства для вашего компьютера McGraw-Hill Professional, 2003 ISBN 0-07-222923-3 стр. 174

[10] «— GIGABYTE, — Колонка недели для компьютерных фанатов — Полностью твердотельные конденсаторы» . www.gigabyte.com . Архивировано из оригинала 27 марта 2017 года . Проверено 6 мая 2017 г.

[11] «Основы загрузки» . Система обучения Adafruit . Проверено 21 февраля 2024 г.

[12] «Требования к сертификации оборудования Windows для клиентских и серверных систем» . Майкрософт. Январь 2013. Архивировано из оригинала 5 ноября 2021 года . Проверено 3 июля 2020 г. System.Fundamentals.Firmware.CS.UEFISecureBoot.ConnectedStandby... Платформы должны быть UEFI класса три (определение см. в разделе UEFI Industry Group, Оценка UEFI с использованием коммерчески доступных платформ и решений, версия 0.3) без установленного или подлежащего установке модуля поддержки совместимости. . Эмуляция BIOS и устаревшая загрузка ПК/AT должны быть отключены.

[pcmag-connected-13] «Microsoft: все, что вам нужно знать о Windows 8 на ARM» . Журнал ПК . Архивировано из оригинала 27 декабря 2018 года . Проверено 30 сентября 2013 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]