Из чего состоит материнская плата: структура, элементная база?
У многих людей дома, в школе или на работе есть настольный компьютер. Кто-то ведёт на нём бухучёт, кто-то играет в игры, а кто-то даже сам собирает и ремонтирует их. Но хорошо ли вы знаете, из чего состоит компьютер? Взять к примеру скромную материнскую плату – она сидит себе там тихонечко, спокойно выполняет свою работу, и редко удостаивается такого же внимания, как процессор или видеокарта.
Однако значимость материнских плат, напичканных поистине впечатляющими технологиями, переоценить невозможно. Итак, сейчас мы, как студенты-медики, займёмся изучением анатомии материнской платы. Рассмотрим, какие функции выполняют все её части и чем занимается каждый бит!
Для начала небольшое введение…
Давайте начнем с основной роли материнской платы. По сути, она служит для:
- Обеспечения всех компонентов питанием;
- Обеспечения связи между компонентами.
Также, с помощью материнской платы осуществляется монтаж элементов, реализуется система обратной связи для их тестирования и прочее. Однако основополагающими функциями являются две вышеупомянутых, поскольку почти каждая часть на плате так или иначе зависит от них.
Практически все современные материнские платы для стандартных ПК имеют разъёмы для центрального процессора (CPU socket), модулей памяти (как правило, типа DRAM) дополнительных карт расширения (таких как видеокарта), накопителей, различных входов/выходов и связи с другими компьютерами и устройствами.
Существуют отраслевые стандарты размеров материнских плат, которых стараются придерживаться производители. Основные размеры, которые вы можете встретить, следующие:
- Standard ATX – 12 × 9.6 дюйма (305 × 244 мм);
- Micro ATX – 9.6 × 9.6 дюйма (244 × 244 мм);
- Mini ITX – 6.7 × 6.7 дюйма (170 × 170 мм) /
Но что же это всё-таки такое – материнская плата?
Материнская плата – это просто большая печатная плата с множеством контактов и сотнями, если не тысячами, проводников, соединяющих все узлы и компоненты. Теоретически жесткая плата не нужна: можно соединить всё с помощью кучи проводов. Однако производительность у этого клуба проводов будет ужасной, так как сигналы будут мешать друг другу, а сопротивление проводов приведет к существенным потерям мощности. Наше препарирование мы начнем с типичной материнской платы ATX. На фото вы видите Asus Z97-Pro Gamer, и ее внешний вид и функционал схож с десятками подобных плат.
Единственная проблема с этим фото (помимо того, что материнская плата на нём довольно. скажем так, потрёпана) состоит в том, что множество всевозможных мелких деталей усложняет нам понимание работы узлов платы в целом.
Поэтому для начала давайте взглянем на упрощенную схему этой материнской платы.
Так-то лучше, но мы всё ещё видим множество непонятных контактов и разъёмов. Давайте начнём сверху, с самой важной части.
Подключение мозга к компьютеру
В центральной части схемы мы видим компонент, имеющий обозначение LGA1150. Так называется сокет, предназначенный для подключения многих процессоров Intel. Буквы LGA обозначают Land Grid Array – это популярная технология корпусировки процессоров и других чипов.
Системы LGA имеют множество маленьких выводов на материнской плате или в сокете для обеспечения питания процессора и его контакта с другими узлами компьютера. На фото ниже хорошо виден этот массив контактных выводов (пинов).
Металлическая рамка служит для равномерного прижимания процессора, но сейчас она нам мешает рассматривать пины, так что мы её пока уберём.
Желающие могут подсчитать количество пинов и убедиться, что их 1150. Цифровое значение в маркировке сокета LGA1150 означает именно количество выводов. В другой статье мы подробно рассмотрим разъёмы для процессоров, а пока просто отметим, что материнские платы оснащаются разными сокетами, с разным количеством пинов – для разных корпусов процессоров.
В целом, чем производительнее процессор (с точки зрения количества ядер, объема кэш-памяти и т.д.), тем больше потребуется контактных выводов. Бо́льшая часть этих пинов используется для обмена данными со следующей важнейшей частью материнской платы.
Большим мозгам – большая память
Ближе всех к процессору всегда размещаются слоты модулей оперативной памяти DRAM. Они подключены непосредственно к процессору и только к нему. Количество слотов DIMM в основном зависит от процессора, так как контроллер памяти встроен в него.
В нашем примере процессор, который совместим с нашей материнской платой, имеет 2 контроллера памяти, каждый из которых оперирует 2-я модулями – следовательно, 4 слота DRAM поддерживает материнская плата. Вы можете видеть, что слоты памяти на ней окрашены таким образом, чтобы вы знали, какие из них управляются каким контроллером памяти (т.н. каналом памяти). Канал №1 управляет двумя черными слотами, а канал №2 – серыми.
Однако, в данном конкретном случае цветовая маркировка слотов на плате немного сбивает с толку (меня в том числе). Как выяснилось, каналу 1 на ней соответствует ближайшая к процессору пара разноокрашенных слотов, а каналу 2 – дальняя от процессора пара.
Подобная маркировка призвана стимулировать использование материнской платы в так называемом двухканальном режиме – при одновременном использовании обоих контроллеров общая производительность памяти повышается. Допустим, у вас есть два модуля памяти по 8 Гб каждый. Независимо от того, в какую пару слотов вы их вставите – серую или черную, – у вас всегда будет 16 Гб доступной памяти.
Если вы вставите оба модуля в оба черных (или оба серых) слота, процессор будет по сути иметь два пути для доступа к этой памяти. Но стоит только переставить модули в слоты разного цвета, и система будет вынуждена обращаться к памяти только с помощью одного контроллера. Учитывая, что он может управлять только одним каналом, нетрудно понять, что это не идёт на пользу производительности.
Наш пример материнской платы и ЦП использует чипы DDR3 SDRAM (Double Data Rate version 3, Synchronous Dynamic Random Access Memory – «синхронная динамическая память с произвольным доступом и с версией 3 двойной скорости передачи данных»), и каждый слот предназначен для одного SIMM или DIMM. «IMM» обозначает «In-line Memory Module» («рядный модуль памяти»); буквы S и D (Single и Dual) указывают, одна сторона заполнена чипами, или обе (односторонний или двухсторонний модуль памяти).
Вдоль нижнего края модуля памяти располагаются позолоченные контакты, обеспечивающие питание и обмен данными. У данного типа памяти этих контактов 240 (по 120 с каждой стороны).
Одинарный модуль DIMM DDR3 SDRAM. Фото: Crucial
Бо́льшие модули могли бы дать вам больше памяти, но конфигурация устанавливает ограничения контактами на процессоре (почти половина из тех 1150 контактов в нашем примере выделена для обмена данными с модулями памяти) и физическим местом для прокладки всех проводников на материнской плате.
В 2004 году компьютерная индустрия остановилась на использовании 240 контактов в модулях памяти и с тех пор не показывает никаких признаков изменения этого стандарта в ближайшее время. Чтобы улучшить производительность памяти, с каждой новой версией просто ускоряется работа чипов. В нашем примере контроллеры памяти ЦП могут отправлять и получать по 64 бита данных за такт. А поскольку контроллеров у нас два, было бы логично увидеть на планках памяти 128 контактов для обмена данными. Так почему же их 240?
Каждый чип на модуле DIMM (всего их 16, по 8 на каждую сторону) передаёт 8 бит за такт. Это означает, что каждому чипу для обмена данными требуется 8 контактов; однако чипы работают парно, используя одни и те же выводы, поэтому только 64 контакта из 240 являются контактами для данных. Остальные 176 выводов необходимы для контроля и синхронизации, а также для передачи адресов данных (места расположения данных на модуле), управления микросхемами и обеспечения электроэнергией.
Так что, как видите, наличие более 240 контактов не обязательно должно улучшить ситуацию!
Память – не единственное, что подключено к процессору
Системная память подключается напрямую к центральному процессору с целью повысить производительность, но на материнской плате есть и другие разъемы, которые подключены примерно так же (и по той же причине). Это слоты стандарта PCI Express (для краткости PCIe), и все современные процессоры имеют встроенный контроллер PCIe.
Эти контроллеры могут обрабатывать несколько соединений (обычно называемых линиями или лэйнами – lane), несмотря на то, что это система «точка-точка», то есть линии в сокете не используются совместно с любым другим устройством. В нашем примере контроллер PCI Express в процессоре имеет 16 линий.
На фото ниже показаны 3 слота: два верхних – это слоты PCI Express, а нижний – слот гораздо более старого стандарта PCI (родственный PCIe, но намного медленнее). Маленький слот вверху, маркированный как PCIEX1_1, является однолинейным слотом, а под ним – 16-ти линейный слот PCIEX16_1.
Если вы вернетесь в начало статьи и снова взглянете на полную фотографию нашей материнской платы, вы легко найдёте там:
- 2 слота PCI Express (1 lane);
- слота PCI Express (16 lane);
- 2 слота PCI.
Но если контроллер процессора имеет только 16 линий, то что происходит? Во-первых, к центральному процессору подключены только первые два 16-линейных слота: PCIEX16_1 и PCIEX16_2. А третий, и два 1-линейных, подключены к другому процессору на материнской плате (подробнее об этом чуть позже). Во-вторых, если задействованы оба первых слота PCIEX16, то ЦП выделит только по 8 линий для каждого.
Это справедливо для всех современных процессоров. Поскольку число линий у них ограничено, устройствам приходится делить их между собой, и чем больше устройств подключается к ЦП, тем меньше линий выделяется каждому устройству.
Различные конфигурации процессора и материнской платы по-разному реализуют это ограничение. Например, материнская плата Gigabyte B450M Gaming имеет один слот PCIe на 16 линий, один слот PCIe на 4 линии и один разъем стандарта M.2, использующий 4 линии PCIe. При наличии всего 16 линий у ЦП, одновременное использование любых двух слотов приведет к тому, что самый большой, 16-линейный слот будет урезан до 8 линий.
Так какие же устройства используют такие слоты? Наиболее распространенные варианты:
- 16 линий = видеокарта;
- 4 линии = накопители SSD;
- 1 линия = звуковые карты и сетевые адаптеры.
На фото выше легко заметить разницу в разъёмах: видеокарта имеет длинную контактную полосу на 16-линейный слот, в то время как звуковая карта обходится короткой полосой контактов для 1-линейного слота, ведь у ней гораздо меньше данных для обмена, поэтому ей не нужны все эти дополнительные линии.
Наша изучаемая материнская плата, как и любые другие, имеет гораздо больше всевозможных разъёмов и подключений, всеми которыми необходимо управлять, и на помощь центральному процессору приходит другой процессор.
Повернёмся на юг и пройдёмся по мосту
Если взглянуть на материнские платы 15-летней давности, мы увидим на них два дополнительных чипа для поддержки процессора. Вместе они назывались chip set – «набор микросхем» (позже это словосочетание стало одним словом – chipset), а по отдельности они именовались микросхемами Северного моста (Northbridge, NB) и Южного моста (Southbridge, SB).
Северный мост работал с памятью и видеокартой, а Южный обрабатывал данные и инструкции для всего остального.
На фото выше – старенькая материнская плата ASRock 939SLI32, где отчетливо видны микросхемы NB и SB – они обе прячутся под одинаковыми алюминиевыми радиаторами, но Северный мост находится ближе к процессору, почти в середине платы. Пройдёт ещё пару лет после выхода этой платы, и производители откажутся от Северного моста – Intel и AMD выпустят процессоры с интегрированным NB.
А вот Южный мост остаётся отдельным и, вероятно, будет таковым в обозримом будущем. Интересно, что оба производителя процессоров перестали называть его SB и часто называют его чипсетом (собственное название Intel – PCH, Platform Controller Hub – «блок контроллеров платформы»), хотя это всего лишь один чип!
На нашем более современном примере от Asus, SB также оснащен радиатором. Давайте снимем его и взглянем на этот вспомогательный процессор.
Этот чип представляет собой мощный контроллер, управляющий периферией. В нашем случае, мы имеем чипсет Intel Z97, выполняющий следующие функции:
- 8 линий PCI Express (PCIe версии 2.0);
- 14 портов USB (6 для версии 3.0 и 8 для версии 2.0);
- 6 портов Serial ATA (версии 3.0)
Кроме того, в него встроены сетевой адаптер, звуковой контроллер, адаптер VGA и целый ряд других систем синхронизации и управления. Другие материнские платы могут иметь более
упрощенный функционал чипсета или наоборот – усложненный (например, обеспечивающий большее количество линий PCIe), но в целом их функционал мало чем отличается друг от друга.
Конкретно у рассматриваемой нами материнской платы – это процессор, который управляет всеми 1-линейными слотами PCIe, третьим 16-линейным слотом PCIe и разъемом M.2. Как и многие новые чипсеты, он обрабатывает все эти различные соединения, используя набор высокоскоростных портов, которые можно переключать на PCI Express, USB, SATA или сеть, в зависимости от того, что подключено в данный момент. Это, к сожалению, накладывает ограничение на количество устройств, подключенных к материнской плате, несмотря на все эти разъемы.
В случае нашей материнской платы Asus, порты SATA (используемые для подключения жестких дисков, DVD-приводов и т.д.) из-за этого ограничения сгруппированы, как показано выше. Блок из 4 портов использует стандартные USB-соединения чипсета, тогда как отдельно стоящие от него порты слева используют некоторые из этих высокоскоростных соединений.
Так что если вы используете те, что слева, то у чипсета будет меньше соединений для других слотов. Это верно и для портов USB 3.0. Из поддерживаемых 6 устройств на USB 3.0, 2 будут подключены к высокоскоростным соединениям.
Разъем M.2, используемый для подключения SSD накопителя, также высокоскоростной (вместе с третьим 16-линейным слотом PCI Express 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.
Вдоль левого края нашей материнской платы есть ряд разъемов, обычно называемых «Блок ввода/вывода» (I/O set), и в нашем случае Южный мост (чипсет) управляет лишь некоторыми из них:
- Разъём PS/2 – для клавиатуры или мыши (вверху слева)
- Разъём VGA – для бюджетных или старых мониторов (верхний в центре)
- Порты USB 2.0 – черные (внизу слева)
- Порты USB 3.0 – синие (внизу в центре)
Встроенный в ЦП графический процессор управляет разъёмами HDMI и DVI-D (внизу в центре), а все остальные управляются дополнительными чипами. Большинство материнских плат имеют множество маленьких процессоров для управления всеми видами устройств, поэтому давайте рассмотрим некоторые из них.
Вспомогательные микросхемы
ЦП и чипсеты ограничены в возможности подключаемых или поддерживаемых устройств, поэтому большинство производителей материнских плат предлагают продукты с дополнительными функциями благодаря использованию других интегральных микросхем. Например, это могут быть дополнительные порты SATA или разъемы для подключения старых устройств.
Наша материнская плата Asus не исключение. Например, микросхема Nuvoton NCT6791D управляет всеми маленькими разъемами, ведущими к вентиляторам, а также датчиками температуры на плате. Процессор Asmedia ASM1083, расположенный рядом с ним, обеспечивает поддержку двух устаревших разъемов PCI, поскольку у чипа Intel Z97 такой возможности нет.
Хоть в чипсете Intel и предусмотрен сетевой адаптер, Asus посчитала практичным добавить на плату независимый сетевой контроллер от той же Intel (I218V), чтобы разгрузить ценные высокоскоростные соединения чипсета. Этот малюсенький квадратик (6мм) управляет тем красным разъёмом Ethernet, который мы видели в блоке ввода/вывода.
Овальная металлическая штука рядом с ним – это кварцевый генератор частоты. Он вырабатывает низкочастотные синхронизирующие сигналы для сетевого контроллера.
По тем же причинам на плату добавлен и независимый звуковой контроллер, в обход имеющемуся в чипсете Intel. Как и в случае, когда пользователь предпочитает дискретную видеокарту взамен встроенного в ЦП видеоконтроллера, резон ещё и в том, что независимый контроллер попросту лучше встроенного в чипсет.
Но не все дополнительные чипы на материнской плате призваны лишь заменить некоторые функции основных процессоров. Многие предназначены для обеспечения работоспособности платы в целом.
Эти маленькие микросхемы – свитчи PCI Express, помогающие процессору и Южному мосту управлять 16-лэйновыми слотами PCIe, распределяя линии по устройствам.
Материнские платы с возможностью разгона процессоров, чипсетов и памяти стали обычным явлением, и многие теперь поставляются с дополнительными микросхемами для управления разгоном. В нашем примере платы, красным прямоугольником выделен собственный чип Asus под названием TPU («процессор TurboV»), который настраивает тактовые частоты и вольтажи наилучшим образом.
Рядом с этим чипом находится маленькая микросхема флэш-памяти Pm25LD512, выделенная синим цветом. Она сохраняет все ваши настройки разгона при выключении компьютера.
На любой материнской плате есть как минимум одна микросхема флэш-памяти, и она предназначена для хранения BIOS (Basic Input/Output System – «базовая система ввода-вывода», операционная система инициализации оборудования, которая запускает все перед загрузкой Windows, Linux, macOS и т.д.).
Объём памяти у этой микросхемы Winbond всего 8 Мб, но этого более чем достаточно, чтобы вместить весь необходимый софт. Этот вид флэш-памяти потребляет очень мало энергии и надёжно хранит данные в течение десятилетий.
При включении компьютера, для максимальной производительности содержимое флэш-памяти копируется непосредственно в кэш ЦП или системную память, а затем запускается оттуда. Однако единственное, с чем такой трюк не пройдёт – это время.
Эта материнская плата, как и любая другая, использует батарейку CR2032 для питания простой схемы часов. Конечно, батарейка не вечная, и однажды она придёт в негодность, и тогда материнская плата установит умолчания даты/времени, находящиеся во флэш-памяти.
И раз речь зашла о питании, то тут тоже есть о чём рассказать!
Питание
Для обеспечения материнской платы и многих подключенных к ней устройств необходимыми напряжениями, блок питания (PSU, Power Supply Unit) имеет несколько стандартных разъёмов. Главным из них является 24-пиновый разъём ATX12V версии 2.4.
Выдаваемые напряжения зависят от блока питания, но промышленными стандартами являются напряжения +3,3, +5 и +12 вольт.
Центральный процессор основную часть питания берёт с 12-вольтных контактов, но для современных мощных систем этого недостаточно. Чтобы эту проблему решить, предусмотрен дополнительный 8-пиновый разъем питания, несущий ещё четыре 12-вольтных линии.
Цветная маркировка проводов от блока питания позволяет определить, где какой провод. Но на разъёме материнской платы никаких маркировок нет. Ниже приведена распиновка обоих разъёмов на плате:
Линии +3,3, +5 и +12В обеспечивают питанием различные компоненты самой материнской платы, а также процессор, DRAM и любые устройства, подключенные к разъемам расширения, таким как порты USB или слоты PCI Express. Все, что использует порты SATA, требует электропитания непосредственно от блока питания, а слоты PCI Express не могут предоставить своим устройствам более 75 Вт. Если какому-то устройству недостаточно этой мощности (например, многим видеокартам), то его тоже следует запитать напрямую с блока питания.
Но есть более серьезная проблема, чем наличие достаточного количества линий 12В: процессоры на этом напряжении не работают.
К примеру, процессоры Intel, совместимые с нашей материнской платой Asus Z97, имеют рабочее напряжение от 0,7 до 1,4 вольт. Это не фиксированное напряжение, потому что для экономии энергии и уменьшения нагрева современные процессоры умеют регулировать входное напряжение в зависимости от своей нагрузки. При простое процессор может отключиться,
потребляя при этом менее 0,8 вольт. А затем, при полной нагрузке всех ядер, потребление возрастет до 1,4 или более вольт.
Блок питания предназначен для преобразования переменного тока сети (110 или 220 В, в зависимости от страны) в фиксированные напряжения постоянного тока, поэтому нужны дополнительные элементы цепи для регулировки этих фиксированных напряжений. Они так и называются – модули регулирования напряжения (VRM, Voltage Regulation Modules) и их легко можно найти на любой материнской плате.
Каждый VRM (выделен красным) обычно состоит из 4 деталей:
- 2 мощных управляющих MOSFET-транзистора (синим);
- 1 дроссель (фиолетовым);
- 1 конденсатор (жёлтым). Глубже познакомиться с их работой можно на Wikichip, мы лишь кратко рассмотрим несколько моментов. Каждую VRM принято называют фазой, и чтобы обеспечить достаточное питание современному процессору, таких фаз необходимо несколько. К примеру, наша материнская плата имеет 8 VRM, называемых 8-фазной системой.
VRM обычно управляются специальной микросхемой, которая переключает модули в соответствии с требуемым напряжением того или иного устройства. Такая микросхема называется многофазным ШИМ-контроллером; Asus называет ее EPU (Energy Processing Unit). Транзисторы и чип довольно сильно нагреваются при работе, поэтому часто оснащаются общим радиатором для отвода тепла. Даже стандартный процессор, такой как Intel i7-9700K, может потреблять ток более 100А при полной загрузке. VRM очень эффективны, но они не могут изменять напряжение без некоторых потерь. Нетрудно догадаться, куда лучше всего положить тост, если у вас сломался тостер.
Снова взглянув на полную фотографию нашей платы, можно увидеть и пару модулей VRM для DRAM, но так как там нет таких напряжений, как на ЦП, эти VRM греются не сильно и в радиаторе не нуждаются.
Эти ненавистные перемычки!
Последние разъемы, о которых мы поговорим, – это те, которые управляют основной работой материнской платы и подключают дополнительные устройства. На рисунке ниже показан основной блок разъёмов для выключателей, индикаторов и системных динамиков:
- 1 разъём кнопки мягкого выключения
- 1 разъём кнопки ресета
- 2 разъёма LED-индикации
- 1 разъём системных динамиков
«Мягким» выключение питания называется потому, что при нем не происходит простого включения и отключение всей материнской платы. Вместо этого, при замыкании контактов этого разъёма, специальные «недремлющие» узлы платы включают или отключают основное питание платы в зависимости от текущего состояния. То же относится и к кнопке ресета, только в этом случае материнская плата будет всегда выключаться и тут же снова включаться.
Строго говоря, кнопка ресета, индикация и системный динамик не являются критически важными, но они традиционно обеспечивают самое базовое управление и информацию о состоянии системы.
Большинство материнских плат имеют подобный дополнительный блок разъемов, как показано выше. Тут мы имеем следующее (слева направо):
- Разъем аудиопанели – если корпус компьютера оснащен дополнительной фронтальной панелью с разъёмами для наушников и микрофона, то с помощью данных разъёмов на плате они подключаются к встроенному аудиоконтроллеру. § Разъем цифрового аудио – то же, что и обычный аудиоразъём, только в стандарте S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface), обеспечивающем строго цифровую передачу аудиосигналов без промежуточной аналоговизации.
- Перемычка (джампер) сброса BIOS – она позволяет сбросить все настройки BIOS к заводским. За ней также спрятан разъем термозонда. § Разъем криптопроцессора TPM (Trusted Platform Module) – он используется для повышения безопасности материнской платы и системы. § Разъем последовательного порта (COM) – древний интерфейс. Интересно, его кто-нибудь использует вообще? Хоть кто-нибудь?
Остальные подобные разъёмы на этой плате предназначены для подключения кулеров и дополнительных USB портов. Не обязательно каждая материнская плата должна поддерживать все это, но на большинстве из них они есть, как и есть на некоторых платах дополнительные разъёмы, которых на нашей рассматриваемой плате нет – скажем, разъём для RGB-подсветки (VDG).
Соединение соединений
Прежде чем мы закончим наше «вскрытие» материнской платы, кратко поговорим о том, как все эти устройства и разъемы соединены воедино. Мы уже упоминали о проводниках на плате, но что они из себя представляют?
Простым языком, это тонкие медные полоски. На фото ниже они окрашены для красоты в черный цвет со всей платой. Но это лишь маленький фрагмент проводников из тысяч подобных. Видимые нам проводники – лишь проводники на внешнем слое печатной платы, а плата состоит из нескольких слоёв и каждый из них испещрён такими кружевами проводников.
Простые, дешевые или старые материнские платы могут иметь только 4 слоя, но большинство современных плат имеют 6 или 8. Увеличение количества слоев не обязательно автоматически должно означать улучшение. Суть лишь в том, чтобы грамотно расположить все необходимые проводники на достаточном расстоянии друг от д
Разработчики материнских плат используют специальные программы для проектирования монтажа и, соответственно, оптимального вытравливания проводников. Опытные инженеры затем вручную корректируют компьютерный результат, основываясь на имеющейся практике. Это видео наглядно демонстрирует процесс проектирования сети проводников между элементами на печатной плате.
Поскольку материнские платы – это просто большие печатные платы, можно создать свою собственную, и если вы хотите получить представление о том, как это делается, прочитайте это превосходное руководство по изготовлению печатных плат.
Конечно, производство материнских плат в промышленных масштабах – это совсем другая история, поэтому, чтобы представить весь объём этого сложного процесса, посмотрите два видео ниже. Первое – в общих чертах о том, как проектируются и производятся печатные платы; на втором показан основной процесс сборки типичной материнской платы.
Заключение
Итак, мы произвели «вскрытие» современной материнской платы для настольных ПК. Это большие, сложные печатные платы, напичканные процессорами, свитчами, разъемами и микросхемами памяти. Там так много всевозможных интересных технологий, но мы часто забываем о них, когда они сидят в наших системных блоках.
Но, надеюсь, вы смогли ближе познакомиться с некоторыми из тех, что населяют ваш системный блок и, что более важно, у вас есть куча вопросов о них! Пишите нам, и мы попробуем разобраться
Процесс производства материнских плат – как создают компьютеры
Задумывались ли вы когда-нибудь, как создаются материнские платы компьютеров? Если да, то вы находитесь в правильном месте. Всё, что вам нужно знать о материнских платах – от компонентов, составляющих печатную плату, до интеграции портов ввода-вывода, слотов для карт и разъемов, вплоть до упаковки и распределения материнских плат – будет рассмотрено в этой статье.
Мы также дадим вам несколько советов, которые помогут вам найти хорошую материнскую плату.
Что такое материнская плата?
Эта статья, на самом деле, не о том, для чего нужны материнские платы, поэтому мы будем говорить проще. Материнская плата объединяет и передает сигналы между периферийными устройствами, такими как клавиатура, мышь и монитор. То же самое можно сказать и о ваших компонентах, таких как процессор, видеокарта, оперативная память и другие.
Материнская плата – это, по сути, большая печатная плата, а различные линии, которые вы видите, представляют собой встроенные медные дорожки. Эти медные дорожки отвечают за соединение различных компонентов и позволяют установить связь между ними.
Думайте о материнской плате как о дирежёре оркестра, объединяющем различные части в прекрасной гармонии. На материнской плате вы можете увидеть стандартные компоненты, такие как конденсаторы, резисторы и VRM, которые управляют электрическим током.
Из чего сделана материнская плата?
Материнская плата, в основном, состоит из двух материалов:
- Слоя из стеклопластика для основы
- Меди, чтобы сформировать токопроводящие пути
Если вам интересно, почему материнские платы сделаны слоями, ответ довольно прост: экономия места.
Укладка 4-8 слоев медно-встраиваемой платы из стекловолокна делает материнские платы значительно меньше. Это также увеличивает скорость обработки данных, поскольку электронам нужно преодолевать меньшее расстояние.
Вы никогда не должны сверлить свою материнскую плату! Материнская плата состоит из слоев, которые проходят между слоев стекловолокна. Если вы просверлите одну из медных линий, это будет конец вашей материнской платы. Может показаться странным, что об этом даже упоминают, но были случаи, когда люди сверлили материнские платы, чтобы получить возможность закрепить дополнительный кулер.
Конечно, это не означает, что печатная плата никогда не сверлится; основу материнской платы сверлят предварительно, до того как она прибудет на завод. Сверление предназначено для монтажных отверстий и отверстий крепления и пайки компонентов.
Создание базы материнской платы
Всё начинается с печатной платы. Слои очень сложных кусочков стекловолокна складываются / склеиваются вместе со смолой, образуя один твердый слой.
Этот новый единственный стекловолоконный слой будет затем покрыт слоем меди с верхней и нижней сторон. Химическое вещество, называемое фоторезистом, образует на плате медный след при воздействии света, затем наносится поверх слоя меди.
После нанесения меди на фоторезист, поверх него наносится рисунок, покрывающий определенные части слоя, перед тем как подвергнуть всю плату воздействию ультрафиолетового излучения. Затем плату промывают, чтобы удалить непокрытые части медного слоя, обнажая почти полную материнскую плату.
Когда всё закончено, начинается процесс производства материнской платы.
Процесс производства материнских плат
Процесс производства материнской платы по существу разбит на четыре части:
Технология поверхностного монтажа (SMT)
Включает припайку мелких компонентов на материнскую плату. Процесс начинается с того, что печатные платы укладываются и проталкиваются машиной одна за другой в усовершенствованный принтер, который, следуя указанной схеме, припаивает компоненты на места.
Затем материнские платы проверяют вручную и помещают на встроенный чип-тестер, чтобы убедиться, что печать компнентов была выполена достаточно точно. Если испытание завершается успешно, процесс сборки продолжается.
Этот процесс начинается с установки материнских плат в машину, которая устанавливает небольшие конденсаторы. После этого устанавливаются более крупные компоненты, такие как 24-контактные разъемы и порты ввода-вывода, – это делают вручную.
Прежде чем материнская плата будет готова к тестированию, она должна пройти ручную проверку, чтобы убедиться, что компоненты установлены правильно.
После ручного осмотра они отправляются в термокамеру, которая нагревает её до 265° по Цельсию, чтобы усилить недавно припаянные компоненты. После этого она будет готова к тестированию.
Тестирование
Тестирование, как легко понять, важно для контроля качества. Все порты ввода/вывода, PCI Express Lanes и т.д. должны пройти серию тестов, прежде чем они будут помечены готовыми к упаковке.
Упаковка и распространение
Процесс упаковки и распространения – это объединение в одной коробке кабелей SATA, руководства, экрана ввода/вывода, установщика драйвера и почти всего, что вы найдёте вместе с недавно приобретенной материнской платой.
Материнская плата также будет упакована в антистатический пакет. Теперь материнская плата готова к распространению.
Части материнской платы
Теперь, когда у вас есть общее представление о процессе изготовления материнской платы, мы рассмотрим части, которые формируют материнскую плату.
BIOS и CMOS
BIOS или Basic Input Output System – это место, где хранится вся информация и настройки для материнской платы. Он может быть доступен, обновлен и изменен в режиме BIOS.
Батарея CMOS (дополнительный металлооксидный полупроводник) – это то, что отвечает за сохранение всей информации в целости и сохранности, когда вся система выключена. Батарея CMOS может быть удалена для сброса BIOS после неудачного обновления или если вы разгоняете свою оперативную память сверх её возможностей.
Порты ввода / вывода
Эти порты расположены на задней панели компьютера и часто имеют цветовую кодировку.
Ниже приведены порты ввода / вывода и цвета, которыми они представлены:
-
– розовый разъём на 3,5 мм и наушники – зеленый разъём 3,5 мм – старые материнские платы оснащены синим VGA-портом на задней панели, но более новые материнские платы используют HDMI, DisplayPort и черный или белый DVI-порт в качестве стандарта
- Сетевой кабель Ethernet – бесцветный порт и мышь – порт PS/2 (клавиатура – фиолетовый; мышь – зелёный)
- USB-устройства – бесцветный порт USB 2.0; синий порт USB 3.0/3.1 (да, порты VGA аналогичного цвета, но это показывает, насколько устарел VGA). Некоторые современные материнские платы оснащены разъемами типа USB C
Разъёмы IDE и SATA (для устройств хранения)
Внутренние разъемы запоминающих устройств – это «розетки», к которым вы будете подключать свои запоминающие устройства, такие как механические жесткие диски и твердотельные накопители. Эти устройства хранения должны быть подключены к материнской плате для передачи и извлечения данных.
Не забывайте: хотя жесткие диски и твердотельные накопители выполняют одну и ту же функцию (хранят данные), существует большая разница между тем, как жесткие диски и твердотельные накопители выполняют это.
IDE или Integrated Drive Electronics используется для подключения дисководов, дискет и жестких дисков HDD. Это 40-контактный разъём.
По мере развития технологий разъёмы IDE устарели. Сегодня разъём SATA (Serial Advanced Technology Attachment) является стандартным разъемом с 7-контактным интерфейсом. Несмотря устранение 33 контактов, он намного быстрее, чем разъёмы IDE.
Разъемы питания
Разъём ATX (Advanced Technology eXtended) (встречается в более поздних материнских платах) имеет 20- или 24-контактные гнезда. Это самый большой разъем на материнской плате, поскольку он потребляет питание непосредственно от блока питания.
SMPS (импульсный источник питания) использует эту мощность для поддержания работоспособности материнской платы.
Передние разъёмы ввода / вывода
Здесь вы подключаете выключатель питания, светодиодный индикатор питания, переключатель сброса и кабели светодиодов жесткого диска. Передний аудиопорт и передний USB также подключаются здесь. Эти соединения обычно расположены в нижней части материнской платы.
Разъём процессора
Сокет CPU – это то место, куда устанавливается процессор. Здесь происходит обработка и передача данных. Центральный процессор является одной из наиболее важных частей вашего компьютера, поэтому материнскую плату часто выбирают в зависимости от совместимости с ЦП, который вы намереваетесь использовать. Процессор должен быть на 100% совместим с разъемом материнской платы.
Слоты для карт расширения
Слоты для карт расширения – это разъёмы, в которые подключаются дополнительные компоненты, такие как видеокарта, сетевая карта, звуковая карта или PCIe SSD. Слоты расположены в нижней половине материнской платы под разъёмом процессора.
Слоты RAM (оперативная память)
Слоты ОЗУ или оперативной памяти являются одной из самых важных частей на материнской плате.
Слоты оперативной памяти, что неудивительно, это место куда подключаются модули оперативной памяти. Существует слот SIMM (модуль памяти с одним входом), который поддерживает только 32-битную шину, и слот DIMM (модуль памяти с двумя входами), который может работать с 64-битной шиной.
DDR3 (удвоенная скорость передачи данных 3-го поколения) когда-то был стандартом ОЗУ, но его постепенно заменил DDR4 (удвоенная скорость передачи данных 4-го поколения). Не за горами распространение стандарта DDR5.
В этом же разделе следует упомянуть о слоте M.2. Слот M.2 считается заменой стандарта mSATA и ранее назывался форм-фактором следующего поколения (NGFF). Когда устройства M.2 используют шину PCI вместо шины SATA, они могут передавать данные в шесть раз быстрее, чем стандартный SSD.
Чип северного и южного мостов
Чип северного моста будет подключен непосредственно к центральному процессору и обеспечивает быструю связь между процессором и чувствительными компонентами, такими как видеокарта и системная память.
Он также подключен к чипу южного моста, который выступает в качестве коммуникационного узла. Но, южный мост взаимодействует с менее чувствительными к производительности компонентами, такими как порты USB, устройства хранения данных, бортовые сети и аудиочипы.
В настоящее время современные процессоры имеют северный мост внутри, поэтому вы не найдёте северный мост на современных материнских платах. Это более быстрая и более отзывчивая система, которая имеет меньшую задержку по сравнению со старым бортовым северным мостом.
Чип южного моста находится на материнской плате, но обычно покрыт радиатором, на котором выгравирован логотип бренда материнской платы.
Мы рассмотрели различные разделы материнской платы, с которыми вы можете взаимодействовать во время сборки вашего ПК. Конечно, на материнской плате гораздо больше элементов, которые играет важную роль в работе различных компонентов.
Другие части, такие как наборы микросхем, выступают в качестве коммуникационного узла или центра управления трафиком и управляют потоком данных между процессором, памятью и периферийными устройствами.
Другие части материнской платы и их функции
ROM Chip
ROM или постоянная память – это место, где хранится важная информация, необходимая для запуска компьютера. Очень сложно (если не невозможно) изменить содержимое ПЗУ.
В отличие от ОЗУ, где информация теряется при отключении питания, ПЗУ сохраняет содержимое даже при выключении компьютера. Вот почему RAM считается «энергозависимой», а ROM «энергонезависимой».
VRM (модуль регулятора напряжения)
VRM, также называемый модулем питания процессора (PPM), представляет собой компонент, который действует очень похоже на блок питания компьютера (PSU). Он сбрасывает напряжение, прежде чем поток электронов достигает точки назначения, чтобы обеспечить процессор точным количеством напряжения, в котором он нуждается.
Что нужно хорошей материнской платой?
На этом этапе вы должны иметь достаточное понимание того, как создаются материнские платы и какие части их составляют. Но что нужно, чтобы материнская плата считалась «хорошей»?
VRM (модуль регулятора напряжения)
Прежде чем вы сможете определить материнскую плату с хорошими VRM, вам необходимо сначала ознакомиться с несколькими компонентами, составляющими весь VRM, а именно MOSFET и Chokes:
- MOSFET или полевые транзисторы – металл-оксидные полупроводники, представляющие собой плоские прямоугольные компоненты, обычно расположенные вокруг разъема центрального процессора. Они отвечают за снабжение процессора точным объёмом напряжения, в котором он нуждается
- Chokes обычно расположены рядом с МОП-транзисторами и отвечают за стабилизацию токов и конденсацию в случае внезапного скачка напряжения
Найти материнскую плату с хорошим VRM звучит сложно, но, на самом деле, это проще, чем вы думаете, потому что всё, что вам нужно сделать, это подсчитать количество Chokes. Каждый Chokes соответствует одной фазе, а большее количество фаз означает лучшую стабильность.
Материнская плата начального уровня, которая имеет, по крайней мере, четыре chokes, считается нормальной, в то время как материнские платы среднего и высокого качества имеют от шесть chokes.
Если вы планируете разгонять процессор, необходимость выбора высококачественного VRM становится более важной. Стоит отметить, что многие из материнских плат, которые позволяют разгон, по умолчанию имеют лучшие VRM; аналогично, материнские платы, которые не предназначены для разгона, часто имеют упрощенный VRM.
Дизайн
Хорошая материнская плата должна иметь хорошо продуманный дизайн, так как плохо размещенные компоненты могут оказать негативное влияние на работоспособность вашей системы.
Расположение ОЗУ – это то, что мы все должны учитывать при покупке кулера для процессора. Иногда оперативная память и громоздкий процессорный кулер могут блокировать друг друга.
Дизайн в наши дни – это не только размещение компонентов. Современные материнские платы подсвечиваются яркой RGB-подсветкой, имеют ЖК-экраны и элементы ручного управления!
Набор микросхем
Вы должны обратить пристальное внимание на чипсет материнской платы, потому что, как многие согласятся, вам нужны совместимые компоненты!
Чипсеты определяют совместимость с различными компонентами, особенно с процессором. Фактически, чипсеты работают только в пределах определенного семейства процессоров. Например, новые чипы Ryzen 3000 будут совместимы только с материнскими платами x470 и x570.
Чипсеты обладают различными функциями, такими как лучшая разгонная способность и дополнительная фаза питания. Так что, если вы не собираетесь разгонять компьютер, вероятно, можете обойтись более дешевой материнской платой.
Если вам нужна материнская плата с поддержкой SLI и возможностями разгона, вам нужно найти подходящую материнскую плату для ваших нужд. Сосредоточьтесь на хорошем VRM и надежном чипсете, но помните – дорого не всегда значит лучше.
Конденсаторы
Никогда не приобретайте материнскую плату с нетвердыми алюминиевыми электролитическими конденсаторами, потому что они часто заправлены проводящей жидкостью. Даже если всё сделано правильно, материнские платы, которые используют дешевые конденсаторы, очень подвержены проблемам, таким как утечки или разрывы.
Вот почему всегда замечательно иметь материнскую плату, которая использует твердотельные конденсаторы, потому что, в отличие от конденсаторов, которые содержат проводящую жидкость, они содержат твердый органический полимер.
Твердотельные конденсаторы могут выдерживать более высокий пульсационный ток, что означает, что они делают материнскую плату более стабильной. Конденсаторы этих типов также могут справляться с большим количеством тепла, делая плату более надежной и продлевая срок её службы.
Теперь вы не только знаете, из чего состоит материнская плата, но и узнали о процессе производства и о том, что именно делает материнскую плату хорошей.
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.
Из сколько слоев состоит материнская плата ?
Слоёв в современных материнских платах обычно от 6 и до 12-16, лично с материнками имеющими более десяти слоёв я не сталкивался, но по официальным данным они существуют.
Павел Мяндин и @ndrey Korol`, а у вас я хотел спросить, ничего, что к некоторым элементам платы нет дорожек ни с одной стороны платы. Они внутри. Спрессовать две и больше тонких платы в одну, через слой диэлектрика для вас выше понимания, тогда нечего чушь молоть.