Как подключить Материнскую плату

Материнская плата (иногда альтернативно известная как системная плата, плановая плата или логическая плата, или разговорно, mobo) — является основной печатной платой (PCB), найденной в микрокомпьютерах общего назначения и других расширяемых системах. Он поддерживает и обеспечивает связь между многими важными электронными компонентами системы, такими как центральный процессор (CPU) и память , и обеспечивает разъемы для других периферийных устройств. В отличие от объединительной платы материнская плата обычно содержит значительные подсистемы, такие как центральный процессор, контроллер ввода / вывода чипсета и контроллеры памяти, интерфейсные разъемы и другие компоненты, интегрированные для общего использования.

Материнская плата для настольного персонального компьютера Acer, показывающая типичные компоненты и интерфейсы, которые находятся на материнской плате. Эта модель была сделана Foxconn в 2007 году и следует схеме microATX (известной как « форм-фактор »), обычно используемой для настольных компьютеров. Он предназначен для работы с процессором AMD Athlon 64

Intel D945GCPE: материнская плата microATX LGA775 для Intel Pentium 4, D, XE, двухъядерная, Core 2 (около 2007 года)

Материнская плата специально относится к PCB с возможностью расширения и, как следует из названия, эта плата часто упоминается как «мать» всех подключенных к ней компонентов, которые часто включают в себя периферийные устройства , интерфейсные карты и дочерние карты: звуковые карты, видеокарты, сетевые карты, жесткие диски или другие формы постоянного хранения. Карты ТВ-тюнера, карты, предоставляющие дополнительные слоты для USB или FireWire, а также различные другие пользовательские компоненты.

Аналогично, термин « материнская плата» применяется к устройствам с единой платой и без дополнительных расширений или возможностей, таких как управляющие платы в лазерных принтерах, телевизорах, стиральных машинах и других встроенных системах с ограниченными возможностями расширения.

История

До изобретения микропроцессора цифровой компьютер состоял из нескольких печатных плат в корпусе кард-картера с компонентами, соединенными объединительной платой , набором взаимосвязанных сокетов. В очень старых конструкциях медные провода были дискретными соединениями между контактами разъема платы, но печатные платы вскоре стали стандартной практикой. Центральный процессор (CPU), память и периферийные устройства размещались на отдельных печатных платах, которые были подключены к объединительной плате. Примером такого типа объединительной системы является вездесущая шина S-100 1970-х годов.

Самые популярные компьютеры 1980-х годов, такие как Apple II и IBM PC, опубликовали схематические диаграммы и другую документацию, которая позволила быстро и медленно заменять материнские платы. Обычно для создания новых компьютеров, совместимых с образцами, многие материнские платы предлагают дополнительную производительность или другие функции и были использованы для обновления оригинального оборудования производителя.

В конце 1980-х и начале 1990-х годов стало экономичным перемещать все большее количество периферийных функций на материнскую плату. В конце 1980-х годов материнские платы для персональных компьютеров стали включать в себя одиночные ИС (также называемые чипами Super I / O ), способные поддерживать набор низкоскоростных периферийных устройств: клавиатуру , мышь , флоппи-дисковод , последовательные порты и параллельные порты. К концу 1990-х многие материнские платы для компьютеров включали встроенные функции аудио, видео, хранения и сети в потребительском классе без необходимости каких-либо плат расширения, более современные системы для 3D- игр и компьютерной графики обычно сохраняли только графическую карту как отдельный компонент. Для бизнес-ПК, рабочих станций и серверов, скорее всего, нужны карты расширения для более надежных функций или для более высоких скоростей, в этих системах часто было меньше встроенных компонентов.

Ноутбуки и ноутбуки, разработанные в 1990-х годах, интегрировали самые распространенные периферийные устройства. Это даже включало материнские платы без обновляемых компонентов, тенденция, которая будет продолжаться, поскольку меньшие системы были введены после рубежа веков (например, планшетный компьютер и нетбук ). Память, процессоры, сетевые контроллеры, источник питания и хранилище будут интегрированы в некоторые системы.

Материнская плата Octek Jaguar V с 1993 года. На этой плате установлено несколько периферийных устройств, о чем свидетельствуют 6 слотов для карт ISA и отсутствие других встроенных внешних интерфейсных разъемов. Обратите внимание, что большой разъем AT-клавиатуры на задней панели является единственным периферийным интерфейсом.

Материнская плата Samsung Galaxy SII, почти все функции устройства интегрированы в очень маленькую доску

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

Типичный настольный компьютер имеет свой микропроцессор , основную память и другие важные компоненты, подключенные к материнской плате. Другие компоненты, такие как внешнее хранилище , контроллеры для отображения видео и звука и периферийные устройства, могут быть подключены к материнской плате в виде плагинов или кабелей. В современных микрокомпьютерах все чаще приходится интегрировать некоторые из этих периферийных устройств в материнскую плату.

Важным компонентом материнской платы является поддерживающий чипсет микропроцессора, который обеспечивает поддерживающие интерфейсы между процессором и различными шинами и внешними компонентами. Этот набор микросхем в какой-то мере определяет возможности и возможности материнской платы.

Современные материнские платы включают в себя:

Размер

— Сокеты (или слоты), в которых могут быть установлены один или несколько микропроцессоров. В случае процессоров в пакетах массива шаровой сетки, таких как VIA C3, CPU непосредственно припаян к материнской плате.

— Слоты, в которые должна быть установлена ​​основная память системы (обычно в виде модулей DIMM, содержащих чипы DRAM).

— Чипсет, который формирует интерфейс между передней шиной процессора, основной памятью и периферийными шинами.

— Микросхемы энергонезависимой памяти (как правило, Flash ROM на современных материнских платах), содержащие прошивку системы или BIOS.

— Генератор тактовых импульсов, который генерирует системный тактовый сигнал для синхронизации различных компонентов.

— Слоты для карт расширения (интерфейс к системе через шины, поддерживаемые чипсетом)

— Разъемы питания, которые получают электроэнергию от источника питания компьютера и распределяют его по ЦП, набору микросхем, основной памяти и картам расширения. Начиная с 2007 года, некоторые графические карты (например, GeForce 8 и Radeon R600 ) требуют большей мощности, чем материнская плата, и поэтому были введены специальные разъемы для непосредственного подключения к источнику питания.

— Разъемы для жестких дисков, как правило, только SATA. Дисковые накопители также подключаются к источнику питания.

Кроме того, почти все материнские платы включают логику и разъемы для поддержки широко используемых устройств ввода, таких как USB для мышиных устройств и клавиатур. Ранние персональные компьютеры, такие как Apple II или IBM PC, включали только эту минимальную периферийную поддержку на материнской плате. Иногда аппаратное обеспечение видеоинтерфейса также было интегрировано в материнскую плату. Например, на Apple II и редко на IBM-совместимых компьютерах, таких как IBM PC Jr. В качестве карт расширения были предусмотрены дополнительные периферийные устройства, такие как дисковые контроллеры и последовательные порты.

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

Форм-фактор

Материнские платы производятся в различных размерах и формах, называемых компьютерными форм-факторами , некоторые из которых специфичны для отдельных производителей компьютеров. Однако материнские платы, используемые в IBM-совместимых системах, рассчитаны на различные размеры корпуса. С 2007 года большинство материнских плат для настольных компьютеров используют стандартный форм-фактор ATX — даже те, что находятся на компьютерах Macintosh и Sun, которые не были созданы из компонентов товара. Материнская плата корпуса и форм-фактор блока питания должны соответствовать друг другу, хотя некоторые материнские платы меньшего размера в той же семье подходят для больших случаев. Например, корпус ATX обычно вмещает материнскую плату microATX.

Ноутбуки обычно используют высокоинтегрированные, миниатюрные и настроенные материнские платы. Это одна из причин того, что переносные компьютеры трудно поддаются обновлению и дорогостоящим для ремонта. Часто отказ одного компонента ноутбука требует замены всей материнской платы, которая обычно дороже настольной материнской платы из-за большого количества встроенных компонентов и их настраиваемой формы и размера. Расположение материнской платы для ноутбуков зависит от корпуса ноутбука.

Сокеты центрального процессора

Разъем центрального процессора (центральный процессор) или слот представляет собой электрический компонент, который подключается к печатной плате (PCB) и предназначен для размещения процессора (также называемого микропроцессором). Это особый тип разъема для интегральных схем, предназначенный для очень высокого количества контактов. Розетка процессора обеспечивает множество функций, включая физическую структуру для поддержки процессора, поддержку радиатора, облегчение замены (а также снижение стоимости) и, самое главное, формирование электрического интерфейса как с процессором, так и с печатной платой. Сокеты процессора на материнской плате чаще всего встречаются на большинстве настольных и серверных компьютеров (например, ноутбуки обычно используют поверхностные процессоры), особенно на базе архитектуры Intel x86. Тип сокета CPU и чипсет материнской платы должны поддерживать процессор и скорость процессора.

Встроенные периферийные устройства

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

С неуклонно снижающимися издержками и размером интегральных схем теперь можно включить поддержку многих периферийных устройств на материнской плате. Объединив множество функций на одной печатной плате , физический размер и общая стоимость системы могут быть уменьшены. Таким образом, высокоинтегрированные материнские платы особенно популярны в небольших форм-факторах и бюджетных компьютерах.

— Дисковые контроллеры для флоппи-дисковода , до 2 дисков PATA и до 6 дисков SATA (включая поддержку RAID 0/1 )

— Интегрированный графический контроллер, поддерживающий 2D и 3D- графику, с выходом VGA и ТВ

— Встроенная звуковая карта, поддерживающая 8-канальный (7.1) звук и выход S / PDIF

— Сетевой контроллер Fast Ethernet для сетей 10/100 Мбит

— Контроллер USB 2.0, поддерживающий до 12 портов USB

— IrDA- контроллер для инфракрасной передачи данных (например, с помощью сотового телефона или принтера с поддержкой IrDA)

— Датчики температуры, напряжения и скорости вращения вентиляторов, которые позволяют программному обеспечению контролировать состояние компонентов компьютера.

Слоты перефирийных 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 PCI-Express 16x-соединения для видеокарты, один или два устаревших слота PCI для различных плат расширения и один или два PCI-E 1x (который заменил PCI ). Стандартная материнская плата EATX будет иметь от двух до четырех PCI-E 16x-соединение для видеокарт и различное количество слотов PCI и PCI-E 1x. Иногда он может также иметь слот PCI-E 4x (будет варьироваться между брендами и моделями).

На некоторых материнских платах есть два или более 16-дюймовых слота PCI-E, чтобы обеспечить более 2 мониторов без специального оборудования или использовать специальную графическую технологию SLI (для Nvidia ) и Crossfire (для AMD ). Они позволяют объединять от 2 до 4 видеокарт, чтобы обеспечить лучшую производительность при интенсивных графических вычислительных задачах, таких как игры, видеомонтаж и т. Д.

Температура и надежность

По состоянию на 2016 год основными поставщиками графических процессоров (видеочипов или чипсетов), используемых в видеокартах, являются AMD и Nvidia. В третьем квартале 2013 года доля AMD составляла 35,5% рынка, а доля Nvidia составляла 64,5% рынка, согласно данным Jon Peddie Research. В экономике эта отраслевая структура называется дуополией. AMD и Nvidia также создают и продают видеокарты, которые называются графическими надстройками (AIB) в отрасли. Помимо маркетинга своих видеокарт AMD и Nvidia продают свои графические процессоры авторизованным поставщикам AIB, которые AMD и Nvidia называют «партнерами». Тот факт, что Nvidia и AMD конкурируют напрямую со своими клиентами / партнерами, усложняют отношения в отрасли. Примечателен и тот факт, что AMD и Intel являются прямыми конкурентами в индустрии процессоров, поскольку видеокарты на базе AMD могут использоваться на компьютерах с процессорами Intel. Переход Intel на APU может ослабить AMD, которая до сих пор получила значительную часть своего дохода от графических компонентов. По состоянию на второй квартал 2013 года было 52 поставщика AIB. Эти поставщики AIB могут продавать видеокарты под собственными брендами или создавать видеокарты для брендов частных марок или производить видеокарты для производителей компьютеров. Некоторые поставщики AIB, такие как MSI, создают как видеокарты на базе AMD, так и Nvidia. Другие, такие как EVGA, строят только видеокарты Nvidia, а XFX теперь строят только видеокарты на базе AMD. Некоторые поставщики AIB также являются поставщиками материнских плат. Крупнейшие поставщики AIB, основанные на глобальной розничной цене на графические карты, включают в себя тайваньский Palit Microsystems , партнер на базе ПК в Гонконге (который продает видеокарты на базе AMD под маркой Sapphire и видеокарты Nvidia под брендом Zotac ), Тайваньский компьютер-производитель Asustek Computer (Asus), тайваньская компания Micro-Star International (MSI), тайваньская компания Gigabyte Technology, Brea, Калифорния , США, компания EVGA (которая также продает компьютерные компоненты, такие как источники питания) и Онтарио, Калифорния, США, XFX. (Материнская корпорация XFX основана в Гонконге.)

Материнская плата ноутбука Vaio E (справа)

Материнская плата microATX с некоторыми неисправными конденсаторами

Материнские платы, как правило, с воздушным охлаждением с радиаторами, часто устанавливаемыми на более крупные чипы, такие как северный мост , на современных материнских платах. Недостаточное или ненадлежащее охлаждение может привести к повреждению внутренних компонентов компьютера или вызвать его сбой. Пассивное охлаждение или один вентилятор, установленный на блоке питания, был достаточным для многих процессоров настольных компьютеров до конца 1990-х годов. C тех пор большинство из них требовали вентиляторов центрального процессора, установленных на их радиаторах, из-за увеличения тактовых частот и энергопотребления. Большинство материнских плат имеют разъемы для дополнительных вентиляторов корпуса и встроенные температурные датчики для определения температуры материнской платы и процессора и управляемых разъемов вентилятора, которые BIOS или операционная система может использовать для регулирования скорости вращения вентилятора. В качестве альтернативы компьютеры могут использовать систему водяного охлаждения вместо многих вентиляторов.

Некоторые компьютеры с малым форм-фактором и ПК для домашнего кинотеатра, предназначенные для бесшумной и энергосберегающей работы, имеют вентиляторные конструкции. Обычно это требует использования маломощного ЦП, а также тщательной компоновки материнской платы и других компонентов, чтобы обеспечить размещение радиатора.

В исследовании 2003 года было обнаружено, что некоторые ложные сбои в работе компьютера и общие проблемы надежности, начиная от искажений изображения на экране до ошибок чтения / записи ввода-вывода , могут быть отнесены не к программному обеспечению или периферийному оборудованию, а к стареющим конденсаторам на материнских платах ПК. В конечном итоге это было показано в результате неправильной формулировки электролита, вопрос, называемый конденсаторной чумой.

Стандартные материнские платы используют электролитические конденсаторы для фильтрации мощности постоянного тока, распределенной вокруг платы. Эти конденсаторы возрастают с зависящей от температуры скоростью, так как их электролиты на водной основе медленно испаряются. Это может привести к потере емкости и последующим сбоям материнской платы из-за нестабильности напряжения. В то время как большинство конденсаторов рассчитаны на 2000 часов работы при 105 ° C (221 ° F), их ожидаемый срок службы примерно удваивается на каждые 10 ° C (18 ° F) ниже этого. At 65 °C (149 °F) a lifetime of 3 to 4 years can be expected. При температуре 65 ° C (149 ° F) можно ожидать срок от 3 до 4 лет. Однако многие производители поставляют нестандартные конденсаторы, что значительно снижает продолжительность жизни. Недостаточное охлаждение корпуса и повышенная температура вокруг гнезда процессора усугубляют эту проблему. With top blowers, the motherboard components can be kept under 95 °C (203 °F), При использовании верхних воздуходувок компоненты материнской платы могут поддерживаться при температуре 95 ° C (203 ° F), что вдвое увеличивает срок службы материнской платы.

С другой стороны, материнские платы среднего и высокого уровня используют исключительно сплошные конденсаторы. На каждые 10 ° C меньше, их средняя продолжительность жизни умножается примерно на три, что приводит к увеличению продолжительности жизни в 6 раз выше при температуре 65 ° C (149 ° F). Эти конденсаторы могут быть рассчитаны на 5000, 10000 или 12000 часов работы при 105 ° C (221 ° F), продлевая предполагаемый срок службы по сравнению со стандартными твердотельными конденсаторами.

Загрязнение воздуха и надежность

Высокие темпы сбоев материнской платы в Китае и Индии, по-видимому, обусловлены « сернистым загрязнением воздуха, производимым углем », который сжигается для выработки электроэнергии. По словам исследователей Intel, загрязнение воздуха вызывает коррозию схемы.

Объем памяти большинства современных видеокарт составляет от 1 ГБ до 12 ГБ. Поскольку видеопамять необходимо получить с помощью графического процессора и схемы отображения, часто используется специальная высокоскоростная или многопортовая память, такая как VRAM , WRAM, SGRAM и т. Д. Примерно в 2003 году видеопамять обычно основывалась на по технологии DDR. В течение и после этого года производители перешли на DDR2 , GDDR3 , GDDR4 , GDDR5 и GDDR5X . Эффективная тактовая частота памяти в современных картах обычно составляет от 1 ГГц до 10 ГГц.

Бутстрапирование с использованием базовой системы ввода/вывода

Материнские платы содержат некоторую энергонезависимую память для инициализации системы и загрузки некоторого программного обеспечения запуска, обычно операционной системы , с какого-либо внешнего периферийного устройства. Микрокомпьютеры, такие как Apple II и IBM PC, использовали чипы ROM, установленные в гнездах на материнской плате. При включении центральный процессор загружает свой программный счетчик с адресом загрузочного ПЗУ и начинает выполнять инструкции из ПЗУ. Эти инструкции инициализировали и тестировали аппаратное обеспечение системы, отображали системную информацию на экране, выполняли проверки ОЗУ и затем загружали исходную программу с внешнего или периферийного устройства. Если ни один из них не был доступен, компьютер будет выполнять задачи из других хранилищ памяти или отображать сообщение об ошибке в зависимости от модели и дизайна компьютера и версии ПЗУ. Например, как Apple II, так и оригинальный IBM PC имели Microsoft Cassette BASIC в ПЗУ и начали бы это, если никакая программа не могла быть загружена с диска.

В большинстве современных систем материнской платы для загрузки операционной системы используется BIOS , который хранится в микросхеме EEPROM, припаянном к материнской плате или в розетке. Программы загрузки без операционной системы по-прежнему поддерживаются на современных компьютерах с процессором IBM PC, но в настоящее время предполагается, что программа загрузки будет сложной операционной системой, такой как Microsoft Windows или Linux. Когда питание сначала подается на материнскую плату, прошивка BIOS проверяет и конфигурирует память, схему и периферийные устройства. Этот самотестируемый тест (POST) может включать тестирование некоторых из следующих вещей:

— Видеоадаптер

— Карты расширения

— Дисководы

— Температуры , напряжения и скорости вентилятора для аппаратного мониторинга

— Память CMOS, используемая для сохранения конфигурации настройки BIOS

— Клавиатура и мышь

— Сетевой контроллер

— Оптические приводы: CD-ROM или DVD-ROM

— Жесткий диск SCSI

— IDE , EIDE или Serial ATA Жесткий диск

— Защитные устройства, такие как считыватель отпечатков пальцев или состояние блокирующего переключателя для обнаружения вторжения.

— Устройства USB , такие как запоминающее устройство.

На последних материнских платах BIOS может также исправить центральный процессорный микрокод, если BIOS обнаруживает, что установленный CPU является тем, для которого были опубликованы ошибки.