Материнская плата

Материнская плата – печатная плата, на которой осуществляется монтаж микросхем и других компонентов компьютерной системы.

Название происходит от английского motherboard, иногда используется сокращение MB или слово mainboard – главная плата, в русских источниках используется также название системная плата.

На материнской плате располагаются микросхемы чипсета, разъемы для подключения центрального процессора, оперативной памяти, дисковых устройств, графической платы, звуковой платы и дополнительных внешних устройств.

Существуют различные спецификации (форм-факторы), описывающие конструктивные особенности материнских плат.

Форм-фактор – стандарт (спецификация), определяющий размеры материнской платы, расположение крепежных отверстий, сокета центрального процессора, слотов оперативной памяти, интерфейсов шин, портов ввода/вывода, разъемов для подключения питания.

Наиболее известен форм-фактор ATX (Advanced Technology eXtended), с достаточно большим размером, что позволяет производителям размещать на материнской плате наибольшее количество устройств. Самые распространенные спецификации форм-факторов показаны в таблице 2.5. Полные спецификации приведены на сайте http://www.formfactors.org/formfactor.asp.

Таблица 2.5. Некоторые форм-факторы материнских плат

Формфактор	Размеры, мм	Примечание
ATX	305 × 244	для корпусов типов MiniTower, FullTower
MicroATX	244 × 244	меньше слотов, чем у ATX
MiniATX	284 × 208	для системных блоков типа Tower и Desktop
Mini-ITX	171,45× 171,45	новый форм-фактора Intel и VIA (2007 г.)
BTX	325 × 267	до 7 слотов и 10 отверстий для монтажа платы
MicroBTX	264 × 267	до 4 слотов и 7 отверстий для монтажа платы
PicoBTX	203 × 267	1 слот и 4 отверстия для монтажа платы
WTX	355,6 × 425,4	для высокопроизводительных рабочих станций и серверов среднего уровня

Известны и другие форм-факторы, редко используемые в настоящее время (LPX, MiniLPX, NLX и пр.). От форм-фактора зависит тип системного блока ПК.

Пример расположения портов ввода/вывода на задней панели материнской платы, приведенный в спецификации ATX, показан на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10. Пример портов внешних устройств на задней панели

Наиболее важными микросхемами материнской платы являются северный (при его наличии) и южный мост чипсета. Именно чипсет определяет, в значительной степени, особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.

В настоящее время фирма Intel ввела классификацию своих материнских плат по их назначению, полный список приведен по адресу http://www.intel.com

Таблица 2.6. Серии материнских плат фирмы Intel для настольных ПК

Характеристика	Extreme	Media	Executive	Classic
Назначение	Extreme-процессоры	Медиацентры	Для бизнеса	Классика
Плата, пример	DZ77RE75K	DH77KC	DQ77CP	DH61ZE
Чипсет	Intel® Z77	Intel® H77	Intel® Q77	Intel® H61
Разъем процессора	LGA1156	LGA1156	LGA1155	LGA1155

В соответствии с описанием фирмы-производителя материнская плата Intel® Desktop Board DQ77CP имеет следующие основные характеристики:

Форм-фактор	MicroATX
Процессор	Intel Core 2-го и 3-го поколения
Память	Четыре 240-контактных разъемов DIMM для двухканальных модулей DDR3 1600, 1333 или 1066 МГц Поддержка до 32 ГБ системной памяти
Чипсет	Intel® Q77 Express
Аудио	Подсистема Intel® High Definition Audio в следующей конфигурации: 8-канальная (6.2) аудиоподсистема с поддержкой аудиокодека Realtek ALC892
Видео	Встроенная графическая подсистема процессоров
Сеть	Гигабитная (10/100/1000 Мбит/сек) сетевая подсистема на базе e Intel® 82579LM Gigabit Ethernet Controller
Периферийный интерфейс	4 порта USB 3.0, 8 портов USB 2.0, Один последовательный порт, Пять портов Serial ATA Порты PS/2 для клавиатуры и мыши, Один последовательный порт наушников, Один разъем параллельного порта на заднюю панель
Возможности расширения	Один разъем для дополнительной платы PCI Express x16, Один разъем PCI Express 2.0 x1, Два разъема PCI Conventional

Внешний вид материнской платы Intel DQ77CP показан на рисунке 2.11, ее схема на рисунке 2.12.

Рисунок 2.11. Материнская плата Intel DQ77CP

Рисунок 2.12. Схема материнской платы Intel DQ77CP

Обозначения на схеме:

A Conventional PCI add-in card connector
S Battery
B Conventional PCI add-in card connector
T Piezoelectric speaker
C PCI Express x1 add-in card connector
U eSATA 3.0 Gb/s connector (red)
D PCI Express x16 add-in card connector
V Alternate front panel power/sleep LED header
E Back panel connectors
W Front panel header
F 12 V processor core voltage connector (2 x 2 pin)
X Standby power LED
G LGA1155 processor socket
Y BIOS Setup configuration jumper block
H Rear chassis fan header
Z SATA 3.0 Gb/s connectors (black)
I Processor fan header
AA SATA 6.0 Gb/s connectors (blue)
J DIMM 3 (Channel A DIMM 0)
BB Front panel USB 3.0 connector (blue)
K DIMM 1 (Channel A DIMM 1)
CC Intel® Management Engine “M” state LED
L DIMM 4 (Channel B DIMM 0)
DD Intel Q77 Express Chipset
M DIMM 2 (Channel B DIMM 1)
EE Front panel USB 2.0 connector
N Front chassis fan header
FF Front panel USB 2.0 connector
O Chassis intrusion header
GG Serial port connector
P Low Pin Count (LPC) Debug header
HH S/PDIF out header
Q Main power connector (2 x 12)
II Front panel audio header
R Intel® Management Engine BIOS Extension (Intel® MEBX) Reset header
JJ Internal mono speaker header

На материнской плате присутствует еще одна маленькая, но очень важная микросхема материнской платы – BIOS (Basic Input-Output System – базовая система ввода-вывода), а также устройства для ее питания – микросхема BP_BIOS и аккумуляторная батарейка (BATTERY). Назначение этой микросхемы с постоянным питанием и наличием собственной энергонезависимой памяти (перепрограммируемая Flash EEPROM):

•  конфигурирование компьютера (программа BIOS Setup) и сохранение параметров конфигурации;
• выполнение программы часов и календаря компьютера;

• при включении компьютера:

  • выполнение программы самотестирования;
  • поиск главной загрузочной записи (МBR) на дисках;
  • далее MBR выполняет сканирование дисков для поиска загрузочного раздела, и, если он найден, запускает в работу операционную систему.

В программе BIOS Setup (которая запускается нажатием клавиши Delete или другой в момент включения компьютера) есть возможность настроить порядок устройств для поиска загрузчика операционной системы – если необходимо, ее можно загрузить с CD, DVD диска или даже через USB-порт. Эта возможность необходима для установки новой операционной системы на компьютер (или ее переустановки).

Назначение слотов (разъемов) на материнской плате – подключение различных плат сопряжения с внешними устройствами и реализация дополнительных возможностей:

PCI Express x16 – только для соответствующих видеоплат; PCI Express x1 – новые звуковые, сетевые платы; PCI – старые звуковые, сетевые платы, внутренние модемы, FM-, TV-тюнеры.

PCI (Peripheral Component Interconnect bus) – шина для подсоединения периферийных устройств. Впервые массово применяться начала для Pentium-систем.

Шина PCI Express x16 пришла на смену шине AGP, ранее использовавшейся для подключения видеокарт.

Внутренние порты, расположенные на материнской плате, служат для подключения устройств:

• Serial ATA – дисковые устройства (HD, DVD) соответствующего типа;
• ATA IDE – дисковые устройства (HD, CD, DVD) соответствующего типа.

ATA (Advanced Technology Attachment) – спецификация интерфейса для подключения дисковых устройств. IDE (Integrated Drive Electronics) – диск со встроенным контроллером управления для подключения c помощью параллельного интерфейса спецификации ATA.

Serial ATA – новый последовательный интерфейс подключения дисков. На рисунке 2.13 показаны кабели подключения для дисков параллельного и последовательного интерфейсов.

Внешний порт – разъем на задней или передней панели системного блока, используется для подключения различных устройств:

• USB 2.0, 3.0 – принтеры, сканеры, внешние модемы, TV-тюнеры, клавиатура, мышь, внешние дисковые накопители, Flash Drive и многое другое; * IEEE-1394 – цифровые видеокамеры, дисковые устройства;
• PS/2 – клавиатура и мышь;

Рисунок 2.13. Кабели подключения IDE и SATA

• при наличии интегрированной видиоподсистемы разъем DVI – цифровой выход на монитор или VGA – аналоговый (см. рисунок 2.8);
• при наличии интегрированной аудиоподсистемы разъемы для под ключения колонок и микрофона.

Кроме того, могут присутствовать устаревшие на сегодняшний день порты:

• COM – мышь, модем и пр.;
• LPT – принтер, сканер.

Новые интерфейсы подключения внешних устройств – USB, SATA, IEEE-1394 (FireWire), DVI – последовательные шины (Serial Bus) с небольшим количеством проводов (4 – 7) в кабеле.

Параллельные шины ATA IDE, LPT имеют значительно большее количество проводников в кабеле (IDE 40 или 80 проводов, LPT – 18) и, соответственно, контактов на разъемах.

Скорость работы современных последовательных шин выше, чем параллельных.

Наиболее часто используется в настоящее время порт USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина), которая имеет 2 типа: USB и USB 2.0.

Особенности этой шины:

• высокая скорость работы – до 480 Мб/с для USB 2.0;
• длина кабеля подключения – до 5 м;
• количество подключаемых устройств (включая размножители) – до 127;
• возможно подключение устройств с различными скоростями обме на;
• возможность подключать и отключать устройства при работающем компьютере;
• возможность подавать питание напряжением 5 V на маломощные периферийных устройства (ток до 500 mA);
• кабель подключения имеет различные разъемы для подключения к компьютеру (тип «А») и к внешнему устройству (тип «B»).

Шина USB предоставляет в полной мере возможность использования технологии Plug&Play для периферийных устройств, т. е. при подключении нового устройства к работающему компьютеру (наиболее часто в настоящее время – флэш-накопителей, внешних жестких дисков, «мышь» на ноутбуках и т. п.) происходит его автоматическое распознавание и установка соответствующих драйверов, необходимых для работы с этим устройством. Для использования большого количества USB портов применяются USB-концентраторы (хабы), как внешние, так и встроенные в монитор, клавиатуру и пр.

Рисунок 2.12’. Материнская плата Intel DH87MC для процессоров Core i3/i5/i7 четвертого покления

В прайс-листах фирм по продаже компьютеров обычно приводится краткое обозначение материнской платы примерно следующего вида: MB VPro Q77, LGA1155, 4*GDDR3(1600), PCI-E, mATX, GLan, 2*SATA/2*6G, 5.1CH, 2*USB 3.0, D-Sub/DVI, eSATA, что означает: материнская плата VPro Q77, разъем процессора LGA1155, чипсет Intel Q77, память DDR3 с частотой 1600 МГц, шина и слоты PCI Express, дисковый интерфейс 2 шт. SATA2 6 ГБ/с, звуковой адаптер 5.1, интегрированные сетевой адаптер Gb Ethernet (GLan), видеоадаптер с выходами D-Sub и DVI, форм-фактор mini-ATX, внешний порт eSATA.

Корпус системного блока ПК подбирается в зависимости от формфактора материнской платы и типа процессора. Бывает двух видов – TOWER (вертикальный) и DESKTOP (горизонтальный), второй тип часто имеют ПК ведущих фирм-производителей (IBM, Dell, HewlettPackard/Compaq, Acer и др.). Обычно в комплекте с корпусом идет блок питания, мощность которого тоже может быть выбрана в соответствии с типом процессора, видеокарты и количеством периферийных устройств и лежит в настоящее время обычно в диапазоне 350 – 450 Ватт. Стоимость обычных корпусов 1500 – 3000 руб., однако существуют и корпуса стоимостью более 10000 руб. (например, для домашних медиацентров).

Выпускаются также ПК-моноблоки (фирмы HP, Apple и др.) – в этом случае все устройства, размещаемые обычно в системном блоке, располагаются в одном корпусе с жидкокристаллическим монитором (может быть сенсорным). Толщина такого моноблока лишь немного больше толщины обычного монитора.