Материнські плати - це комплекс різних пристроїв, що підтримує роботу системи в цілому. Плата являє собою електронний пристрій, виконаний зі скловолокна, електронні компоненти якого пов'язані між собою металевими доріжками (рис.5.1). Хоча загальна кількість додаткових функціональних можливостей системної плати розрізняється залежно від виробника і моделі, вона є ядром, що зв'язує основні компоненти комп'ютера.
Рисунок 5.1 - Зовнішній вигляд материнської плати
5.1 Основні параметри
5.1.1. Форм фактор
Форм-фактор, або типорозмір системної плати, це стандарт, який визначає її габарити, параметри електроживлення, розташування монтажних елементів, розміщення різних компонентів (розташування на ній інтерфейсів шин, портів вводу/виводу, процесорного гнізда і слотів для оперативної пам'яті, а так же тип роз'єму для підключення блоку живлення). Специфікації форм-фактора також містять вимоги до електричних і механічних параметрів блоку живлення і корпусу. У останніх версіях форм-фактора визначаються і вимоги до системи охолоджування комп'ютера.
Перша материнська плата з розробленим форм-фактором з'явилася до 12 серпня 1981 року у комп'ютері специфікації PC. У 1983 році в IBM розробили нову специфікацію - XT PC. На сьогоднішній день існує чотири переважаючих типорозміри материнських плат - AT, ATX, LPX і NLX. Крім того, є зменшені варіанти формату AT (Baby-AT), ATX (Mini-ATX, microATX) і NLX (microNLX). Більш того, недавно випущене розширення до специфікації microATX, що додає до цього списку новий форма-фактор - FlexATX.
Форм-фактор AT
Форм-фактор АТ поділяється на дві різні за розмірами модифікації – AT і Baby AT. Повнорозмірна материнська плата цього форм-фактора була розроблена для комп'ютерів ХТ РС. Містилася вона в корпусі Tower або Desktop. Через рік розміри були зменшені і з'явився новий форм-фактор - Baby-AT. До 1996 року материнські плати Baby-AT були, мабуть, найпоширенішими. Усі AT плати мають спільні риси –послідовні і паралельні порти, що приєднуються до материнської плати через сполучні планки. Вони також мають один роз'єм клавіатури в задній частині. Гніздо під процесор встановлюється на передній стороні плати. Сьогодні цей формат сходить зі сцени.
Форм-фактор LPX (mini-LPX)
У 1987 році компанія Western Digital розробила системну плату з новим форм-фактором LPX. Призначався для використання в корпусах Slimline чи Low-Pro file. Плати розширення розміщені на вертикальній стійці паралельно материнській платі. Стійка підключається до плати. Ще одне нововведення – це інтегрований на материнську плату відеочип.
Плати цього типу мають тільки один інтерфейс для підключення однієї плати. На самій материнській платі розташовані в ряд порти вводу/виводу, роз'єм для підключення монітора, роз'єми для підключення клавіатури і миші, USB.
Форм-фактор ATX (mini-ATX, micro-ATX, Flex-ATX).
В ATX втілилися кращі сторони і Baby AT і LPX. В результаті вийшло:
- інтегровані роз'єми портів вводу-виводу;
- більш зручний доступ до модулів пам'яті;
- зменшена відстань між платою і дисками;
- рознесення процесора і слотів для плат розширення;
- покращена взаємодія з блоком живлення;
- напруга 3.3 В.
Форм-фактор ATX в всіх його модифікаціях стає все більш популярним.
Форм-фактор NLX (Mini-NLX)
У 1997 році, як розвиток ідеї LPX з'явилася специфікація форм-фактора NLX. Формат націлений на застосування в низькопрофільних корпусах. Плати NLX схожі з платами LPX, але вони розраховані на системи з новими процесорами. До того ж вони обладнані портом AGP. Внаслідок нових вимог до охолодження, елементи плати розміщені таким чином, щоб якомога менше заважати циркуляції повітря в корпусі. Змінилося кріплення самої плати. Порти вводу/виводу зміщені до краю плати.
Основні риси материнської плати NLX:
- стійка для карт розширення, що знаходиться на правому краї плати;
- процесор розташований у лівому передньому куті плати, прямо напроти вентилятора;
- розміщення високих компонентів у лівому кінці плати для можливості розміщення на стійці повнорозмірних карт розширення;
- розміщення на задньому кінці плати блоків роз'ємів вводу/виводу одинарної і подвійної висоти, для розміщення максимальної кількості конекторів.
Форм-фактор BTX
Офіційне представлення специфікації The Balanced Technology Extended (BTX) 1.0 Public Release відбулося в липні 2004 р. Тіпоразмер ВТХ розроблений з метою уніфікації інтерфейсів для настільних обчислювальних систем і поліпшення умов функціонування компонентів по електричних, механічних і термічних параметрах. Специфікації ВТХ описують механічні і електричні інтерфейси системних плат, шасі, блоків живлення і інших системних компонентів.
Головні переваги форм-фактора ВТХ перед АТХ такі:
- можливість вживання низькопрофільних компонентів для збірки малогабаритних платформ;
- розміщення елементів системи усередині корпусу з напрямків потоків повітря і термічного балансу;
- масштабованість в рамках доступних модифікацій;
- використання малогабаритних блоків живлення;
- оптимальна конструкція кріплення системної плати, якісні механічні елементи для установки масивних компонентів
5.1.2. Чіпсет
Персональний комп'ютер складається з деякої кількості пристроїв, які так чи інакше підключені до материнської плати і займаються тим, що приймають, оброблюють і передають певну інформацію. Логічною організацією цієї роботи займаються чіпсети.
Чіпсет (Chip Set, Chipset, чіп) – набір мікросхем системної логіки, який здійснює взаємодію елементів системи один з одним і зовнішніми пристроями. Модель материнської плати є однією з основних характеристик системної плати, яка багато в чому визначається чіпсетом.
Фізично чіпсет – це одна або декілька мікросхем, спеціально розроблених для "обов'язків" мікропроцесора, на які покладається основне навантаження по забезпеченню центрального процесора даними і командами, а також, по управлінню периферією (відео карти, звукова система, оперативна пам'ять, дискові накопичувачі і різні порти вводу/виводу).
У загальному випадку саме чіпсет обумовлює не тільки характеристики і продуктивність материнської плати, але і забезпечує підтримку периферійного обладнання різних стандартів.
Для користувачів, вже знайомих з архітектурою ПК, можна додати, що чіпсет материнської плати крім іншого виконує функції таких елементів комп'ютера, як контролер переривань, контролер енергонезалежній пам'яті (BIOS), системний таймер, контролер клавіатури і миші, контролер кеш-пам'яті, контролер дискових накопичувачів і т. д.
Зазвичай в одну з мікросхем набору входять також годинник реального часу зі CMOS-пам'яттю і іноді - клавіатурний контpоллеpом, однак ці блоки можуть бути присутніми і у вигляді окремих чіпів. В останніх pазpаботка до складу мікросхем наборів для інтегpіpованних плат стали включатися і контpоллеpом зовнішніх пристроїв. Серед іншого чіпсет визначає:
- тип і швидкодія процесора, який можна підключити до материнської плати;
- тип і максимально допустимий обсяг оперативної пам'яті;
- тип і кількість пристроїв PCI і AGP, які можуть працювати з даним комп'ютером;
- тип і кількість пристроїв, що підключаються до шин SCSI / ISA (жорсткі диски, приводи CD-ROM, DVD і т. д.);
- моделі підключається до комп'ютера клавіатури і миші (USB, PS / 2);
- тип підтримуваних платою портів комп'ютера.
5.1.3. Інтерфейс процесору
Зазвичай набір системної логіки створюється конструкторами з орієнтацією на конкретне сімейство процесорів. Тобто забезпечується підтримка певного процесорного інтерфейсу. У це поняття включають тип роз'єму системної шини, електричні параметри (розводка контактів, напруга живлення ядра і блоків вводу-виводу процесора), можливості BIOS по підтримці конкретних моделей процесорів.
Слоты и сокеты
Зазвичай контролери (адаптери) зовнішніх пристроїв знаходяться на окремих платах, що вставляються в уніфіковані роз’єми на материнській платі. Через цей роз'єм контролери (адаптери) підключаються безпосередньо до системної магістралі передачі даних у системі комп'ютер - шина.
Існує два поняття характеризучі два види роз'ємів для пpоцессоpа: сокет (Socket) і слот (Slot). Socket (сокет) - плоский роз'єм для установки мікросхеми з висновками, пеpпендікуляpнимі корпусу. Slot (слот) - це щілинний роз'єм з контактами по краю. На даний момент існують кілька типів роз'ємів для установки процесора в материнську плату:
Для кожного типу роз'єму, крім фізичного розташування і кількості контактів, є своя схема відповідності контактів електричним сигналам. Правильна, безпечна і повноцінна робота пpоцессоpа в "чужому" роз'ємі можлива лише в тому випадку, якщо існуюча розводка сигналів сумісна з типом встановленого процесора.
5.1.4. Тип оперативної пам'яті
Можливість установки на системній платі того чи іншого типу оперативної пам'яті визначається типом контроллера пам'яті. Такий контроллер інтегрований або в набір мікросхем системної логіки (НМСЛ), або в процесор. Перший варіант застосовується в системних платах для платформи Intel. Інтегрований в процесор контроллер пам'яті використовується в платформах AMD.
Кількість роз'ємів, максимальний об'єм встановлюваних модулів пам'яті і робочі частоти визначаються конкретною модифікацією чіпсета. Наприклад, старші модифікації чіпсетів для платформи Intel підтримують двухканалиний режим роботи оперативної пам'яті об'ємом до 8 Гбайт при робочих частотах до 667 Мгц. Сучасні процесори AMD мають вбудований контроллер пам'яті DDR з робочими частотами до 400 Мгц.
5.1.5. Інтерфейси платформи
Найважливіша функція НМСЛ і системної плати в цілому – підтримка сучасних інтерфейсів. Зазвичай базову функціональність забезпечує власне чіпсет. Виробники системних плат за рахунок установки додаткових контроллерів або розширюють кількість типових портів, або додають підтримку новітніх або специфічних інтерфейсів.
Хоча вимоги до наявності конкретних інтерфейсів офіційно не затверджені, негласно склався індустріальний стандарт, що передбачає мінімально необхідну функціональність:
- системна шина і роз'єм процесора;
- шина пам'яті;
- порт AGP 8х або PCI Express 16х для відеокарти;
- порти плат розширення PCI і PCI Express;
- два канали Parallel ATA для накопичувачів;
- два канали Serial АТА для накопичувачів;
- не менше чотирьох портів USB для зовнішніх пристроїв;
- мережевий контроллер шини Ethernet;
- шина LPC для портів FDD, СОМ, LPT і Ps/2;
- вбудований звуковий контроллер специфікації АС''97 або HD Audio.
Розширена функціональність зазвичай має на увазі наявність другої шини PCI Express 16х (для установки парної відеокарти), контроллера RAID (для створення масивів дискових накопичувачів), контроллера шини IEEE1394 (для підключення відеокамер і швидкісних зовнішніх пристроїв).
Останнім часом стало «модним» встановлювати на материнські плати вищої цінової категорії контроллери безпровідних інтерфейсів Bluetooth і Wi-fi, багатоканальні звукові контроллери High Definition Audio, апаратний мережевий брандмауер і інші специфічні компоненти.
5.2 Основні компоненти
До основних компонентів системної плати відносяться:
- інтегральні схеми (ІС, мікросхеми, чіпи, чіпсети), що представляють собою пластикові або керамічні блоки
- мікросхеми постійного запам'ятовуючого пристрою ROM (ПЗП, Flash), в яку записується BIOS – програма, що керує взаємодією окремих частин комп'ютера
- мікросхеми оперативної пам'яті RAM (ОЗП), призначені для тимчасового зберігання програм і даних;
- мікросхеми-контролери, що керують роботою системної шини, портів, вінчестера і інших пристроїв зберігання інформації HDD, FD, CD-ROM.
- практично будь-яка сучасна системна плата має два канали IDE-контролера, інтегрованих в чіпсет – первинний (Primary) і вторинний (Secondary), кожен з яких представляє собою, по суті, окремий контролер, що має власний роз'єм на платі і окремий шлейф з двома кінцевими роз'ємами, до якого можна підключити один або два накопичувача. Причому для забезпечення взаємної сумісності пристроїв, що працюють на одному шлейфі, один з них повинен працювати в режимі Master (ведучий), а іншій – в режимі Slave (підпорядкований), і ці режими встановлюються перемичками безпосередньо на самому пристрої
- роз'єми для підключення плат (карт) інших пристроїв (слоти розширення): ISA, PCI, AGP, тобто для розширення можливостей ПК
- кеш-II рівня
- роз'єми паралельного + 2 послідовних портів
- перемички і коннектори для кабелів системного блоку.
5.2.1. Друкована плата.
Основу материнської плати складає друкована плата, на якій розташовуються сигнальні лінії (сигнальні доріжки), що сполучають між собою всі елементи материнської плати. Якщо сигнальні доріжки розташовані дуже близько один до одного, то сигнали можуть створювати перешкоди один для одного. Чим довше доріжка і вище швидкість передачі даних по ній, тим більше вона створює перешкод для сусідніх доріжок і тим більше вона вразлива для таких перешкод.
В результаті, можуть виникати збої в роботі навіть наднадійних і дорогих компонентів ЕОМ. Тому основне завдання при виробництві друкованої плати так розмістити сигнальні доріжки, щоб мінімізувати дію перешкод на сигнали. Для цього друковану плату роблять багатошаровою, багато разів збільшуючи корисну площу друкованої плати і відстань між доріжками.
Зазвичай сучасні материнські плати мають шість шарів: три сигнальних шари, шар заземлення і дві пластини живлення (рис.5.2).
Проте кількість шарів живлення і сигнальних шарів може варіюватися, залежно від особливостей материнських плат.
Рисунок 5.2 - Розташування шарів на друкованій платі
5.2.2. Структурна схема СП
На друкованій платі розташовуються всі компоненти материнської плати і роз'єми для підключення плат розширення і периферійних пристроїв. Нижче на рисунку () відображена структурна схема розташування компонентів на друкованій платі.
В залежності від типу процесору та материнської плати контролер памяті може бути вбудованим в північний міст або процесор, в даному прикладі контролер розташований в процесорі.
Іноді контролер шини РСІ express вбудовують в процесор поряд з контролером памяті. В даному прикладі необхідність у північному мості відпадає і чіпсет виконують на основі одної інтегральної схеми, які відповідає за взаємодію з платами розширення та периферійними пристроями.
Рисунок 5.2 – Схема розташування компонентів на друкованій платі
5.3 Вибір материнської плати
Основні характеристики сучасних материнських плат, на які слід звертати увагу при покупці або модернізації комп'ютера:
- компанія-виробник;
- форм-фактор
- тип встановленого на платі чіпсета;
- тип і швидкодія підтримуваних платою процесорів;
- тип і швидкодія підтримуваних платою модулів оперативної пам'яті;
- можливість розширення;
- швидкість;
- система охолодження;
- стабілізація;
- електроживлення;
- наявність вбудованої графіки;
- наявність вбудованого звуку;
- можливість розгону;
- комплектація;
- зовнішній вигляд;
- OEM або Retail упаковка. RETAIL - це плата, упакована з метою виключення механічних пошкоджень в спеціально сконструйовану коробку (картонні або пінопластові «вставки» складної форми, прокладки, коробки всередині коробки і т.д.). OEM - це плати, офіційно призначені не для продажу в роздрібних торгових мережах, а для використання складальниками готових комп'ютерів;
- кількість роз'ємів для модулів пам'яті;
- зручність збірки;
- Тип НМСЛ в основному визначає функціональні можливості плати Набір системної логіки складається з двох мікросхем (ще говорять: має дворівневу архітектуру):
- North Bridge (Північний міст) - здійснює взаємодію процесора, пам'яті і графічної підсистеми. Містить кеш, контролери оперативної пам'яті, інтерфейс між шиною процесора і PCI, AGP. Все це реалізовано на одному кристалі. Частота роботи цієї мікросхеми дорівнює тактовій частоті материнської плати. Сучасні North Bridge працюють на високих тактових частотах і тому додатково обладнані пристроями охолодження.
- South Bridge (Південний міст) - більш повільна мікросхема, інтегрує в систему жорсткі диски, шини PCI, USB, послідовний і паралельний порти і т.п.. Цей компонент відповідає за роботу шини ISA (в наявності є контролер прямого доступу і контролер переривань цієї шини), контролерів IDE і USB, а також реалізує функції пам'яті CMOS, годин і т. д. Ця мікросхема містить велику кількість буферної пам'яті для прискорення обміну з швидкодіючої частиною. Один і той же тип мікросхеми South Bridge може використовуватися, як правило, в декількох наборах системної логіки, тобто може працювати з декількома типами North Bridge.
