Компьютерный ликбез: материнская плата

29.05.2007

Евгений Пугач, mailto: info@ferra.ru

Не так давно мы начали новую серию статей под общим названием «Компьютерный ликбез». Сегодня мы начнём подробное рассмотрение основных деталей этого очень сложного и нужного устройства. Первым номером нашей программы выступит материнская плата.

Главным компонентом компьютера можно с уверенностью назвать материнскую плату. Она объединяет между собой абсолютно все устройства, входящие в состав компьютера, и выполняет большую часть общей работы. Материнской плате можно дать следующее определение: «Материнская плата – центральная комплексная печатная плата, предоставляющая электронную и логическую связь между всеми устройствами, входящими в состав персонального компьютера».

Оговоримся сразу, что мы будем рассматривать только стандартные материнские платы для настольных компьютеров. Дело в том, что производители ноутбуков сами разрабатывают платы для своих устройств, стараясь спроектировать их как можно более компактными, удобными и надёжными. То же и в случае с серверами, только там зачастую на первом месте не размер, а большое число разъёмов.

Материнские платы, кроме функциональности, отличаются друг от друга размерами. Эти размеры стандартизированы и называются форм-факторами.

Сравнение размеров формфакторов с размером листа A4

Очень часто встречается мнение, что главное в компьютере – процессор. Это мнение, в общем-то, обоснованно, так как центральный процессор выполняет все вычисления, управляет работой компьютера. А материнская плата предоставляет ему возможность «общаться» с другими подсистемами, выполняя как бы «обслуживающую» работу. Если проводить аналогию с автомобилем, центральный процессор – это двигатель, а материнская плата – это шасси. Двигатель без кузова, подвески и прочего – бесполезен, ехать всё равно невозможно. Шасси без двигателя – куча металла. Так и в ситуации с материнской платой и процессором.

Итак, вернёмся к теме. Примером нам будет служить точная копия эталонной материнской платы NVIDIA nForce 680i SLI – EliteGroup PN2 SLI2+.

Материнская плата, как уже говорилось, – это прежде всего сложная печатная плата. На неё нанесено огромное количество проводящих дорожек, объединяющих компоненты и разъёмы, и контактных площадок для микроконтроллеров и электронных компонентов. Причём плата состоит из нескольких слоев, изготовленных из диэлектрика текстолита, и каждый слой содержит такие дорожки. Выводы для установки компонентов, естественно, находятся только на верхнем слое. Сверху плата покрыта диэлектрическим лаком, чтобы предотвратить короткое замыкание и хоть немного защитить её от непредвиденных обстоятельств. Тем не менее это не означает, что плату можно класть на металлическую или иную проводящую поверхность: на обратной стороне находится огромное количество окончаний контактов, которые могут быть замкнуты, что приведёт к повреждению платы.

Проводящие дорожки объединяют между собой несколько ключевых подсистем, блоков материнской платы. Этими блоками являются: разъём (сокет) процессора и система его питания, подсистема памяти и разъёмы для установки модулей с собственной системой питания, разъёмы для установки карт расширения [функциональности], разъёмы для подключения накопителей. Каждый набор таких дорожек может работать по собственному принципу (стандарту) и называется шиной. О современных шинах вы можете почитать тут.

Материнская плата EliteGroup PN2 SLI2+

Основой любой материнской платы является набор ключевых микросхем, называемый набором логики или чипсетом. Разработкой чипсетов занимаются несколько крупнейших компаний: Intel, NVIDIA, AMD, VIA, SIS. Чипсет определяет, какой процессор, какую оперативную память и в каком объёме можно установить, сколько устройств можно подключить и как быстро всё это будет работать.

Чипсет состоит из интегральных микросхем, называемых мостами. Чаще всего встречаются двухкомпонентные чипсеты, состоящие из северного и южного мостов. Своё «географическое» название они получили потому, что если материнскую плату поставить на ребро в том положении, в котором она устанавливается в системный блок, то северный мост будет выше южного, как бы «на север от него». Кроме того, если представить материнскую плату как блок-схему, то северный мост будет выше южного.

Северный мост (Northbridge или MCH, Memory Controller Hub) обеспечивает взаимосвязь между процессором, оперативной памятью и специализированными шинами (PCI, PCI Express и т.п.). Именно возможности северного моста определяют, какую оперативную память (SDRAM, DDR, DDR2, DDR3) можно установить в материнскую плату, какой максимальный объём можно установить, в каких режимах она может работать. В прошлом северный мост в обязательном порядке обеспечивал работу специальной шины AGP, по которой подключалась видеокарта. На сегодняшний день AGP практически отмерла, а её место заняла более универсальная шина PCI Express.

Так как при скоростной передаче данных мост испытывает немалую нагрузку, он выделяет немало тепла и требует качественного охлаждения, поэтому на материнских платах мы часто видим замысловатые кулеры.

Диаграмма чипсета NVIDIA nForce 680i SLI

Северный мост соединён с южным мостом посредством специальной шины или через несколько каналов из шины PCI Express.

Северный мост NVIDIA nForce 680i SLI Южный мост NVIDIA nForce 680i SLI

Задачей южного моста является предоставление интерфейсов ввода-вывода для устройств компьютера. Поэтому по-английски он официально называется I/O Controller Hub (ICH) – контроллер-концентратор ввода-вывода. Он обеспечивает поддержку материнской платой низкоскоростных, но тем не менее важных шин. К таким устройствам, встроенным в южный мост, относятся контроллер DMA (Direct Memory Access), контроллер прерываний, контроллеры устройств хранения данных (IDE и SATA-жёстких дисков и оптических приводов), контроллер питания и другие. Кроме того, современные южные мосты чаще всего содержат встроенные звуковые, сетевые, USB, RAID-контроллеры. К функциям южного моста также относится работа часов (Real Time Clock, RTC), специальной шины I2C, позволяющей оперативное управление настройками платы, доступ к информации BIOS – базовой системы ввода-вывода. BIOS фактически является микропрограммой, позволяющей материнской плате обращаться к своим подсистемам и работать так, как нужно.

Интерфейсы для подключения Floppy, мыши и клавиатуры чаще всего не включаются в состав южного моста, эти функции осуществляются специальным контроллером, называемым SuperI/O. Кроме того, он следит за температурами, напряжениями и скоростями вращения вентиляторов.

Часто дополнительные, так называемые периферийные контроллеры, встроенные в южный мост, требуют дополнения в виде ещё одного чипа, чаще всего это контроллеры USB, FireWire, звука, сети.

Иногда встречаются чипсеты, состоящие только из одного чипа. Чаще всего это чипсеты для платформы AMD Athlon64. Это объясняется тем, что основная часть северного моста – контроллер памяти – перенесена в сам процессор.

Дополнительный звуковой кодек

Разъёмы DIMM (1), ATX (2), IDE(3), Molex (4), SATA (5) и Floppy (6)

Вернёмся к северному мосту. Одной из двух основных его функций является работа с оперативной памятью. На материнской плате для установки модулей памяти предусмотрены специальные разъёмы, называемые слотами DIMM. Чаще всего их 4, на материнских платах малых размеров иногда устанавливают только 2 слота. Многие контроллеры памяти в северных мостах позволяют осуществлять доступ к памяти не один раз за такт контроллера, а два. Для этого шина памяти разделяется на два канала, а контроллер и доступ так и называют – «двухканальными».

На плате находится разъём для подключения питания, на сегодняшний день стандарт предусматривает установку минимум двух разъемов – 24-контактного ATX и 4-контактного ATX12V для дополнительной линии 12В.

Разъём EPS12V

Иногда производители материнских плат устанавливают 8-контактный EPS12V вместо ATX12V, через него можно подвести две линии 12В. Питание, подаваемое блоком питания, проходит преобразование, стабилизацию и фильтрацию с помощью силовых транзисторов («мосфетов»), дросселей и конденсаторов, составляющих VRM (Voltage Regulation Module, модуль регулирования напряжения). Питание процессора и чипсета осуществляется одним VRM, питание модулей памяти – чаще всего другим. Дополнительно для стабилизации питания, подаваемого через разъёмы PCI Express, иногда устанавливаются стандартные разъёмы Molex.

Задняя панель

На задней стороне материнской платы находится панель с разъёмами для подключения внешних устройств – клавиатуры и мыши, USB-устройств и многого другого.

Важнейшим разъемом на плате является сокет процессора. Он представляет собой специальное устройство, состоящее из большого количества контактов, расположенных в определённом порядке, определяющем правильное расположение процессора.

Процессорный сокет

Ниже процессорного сокета чаще всего расположен один или два специализированных разъёма для установки видеокарты. Существуют материнские платы со встроенным графическим процессором, в таком случае установка разъёма для внешней видеокарты остаётся на совести производителя конкретной платы.

В той же области платы находятся слоты PCI для подключения карт расширения, они стандартизированы и позволяют подключить практически все возможные контроллеры.

Правее, с краю платы, обычно расположены разъёмы для подключения накопителей – жёстких дисков и оптических приводов. Сегодня активно занимает лидирующую позицию интерфейс Serial ATA, постепенно вытесняя старый IDE даже с рынка оптических приводов. Соответственно, всё чаще производители устанавливают либо всего один разъём IDE, либо вообще отказываются от него. Там же обычно находится разъём Floppy-дисковода, но в последнее время всё идет к тому, что от него откажутся. Все эти накопители подключаются к материнской плате с помощью специальных кабелей, называемых шлейфами.

В правом нижнем углу располагаются контакты для подключения кнопок и индикаторов на передней панели корпуса: кнопки включения и перезагрузки, индикаторы питания и активности жёсткого диска, системный динамик.

Любая материнская плата оборудована разъёмами для подключения вентиляторов. Количество их может быть разным, от двух-трёх до шести-восьми. Некоторые из этих разъёмов позволяют управление скоростями вращения вентиляторов.

На платах чаще всего также устанавливаются контактные колодки для подключения дополнительных разъёмов USB и FireWire.

Шлейфы для подключения накопителей

На плате можно увидеть батарейку, которая обеспечивает питание микросхемы памяти, в которой содержится прошивка BIOS, и поддерживает работу системных часов. BIOS хранится в чипе памяти, который чаще всего устанавливается в специальную «кроватку», но может быть и впаян на плату. Иногда бывает, что традиционный чип Flash ROM заменяют на чипы других типов, например, так поступает Gigabyte.

Чип памяти, хранящий BIOS

В итоге с помощью всех этих встроенных в чипсет технологий, разъёмов, дополнительных контроллеров материнская плата фактически объединяет абсолютно все устройства, входящие в состав компьютера в целостную систему. Напрямую в неё подключаются процессор, оперативная память, видеокарта, накопители и карты расширения, а через них – что угодно, начиная от монитора и заканчивая сканером или спутниковой антенной.