Компоненты материнской платы компьютера

Материнская плата (с англ. Motherboard) представляет собой один из важнейших компонентов компьютера, поскольку соединяет практически все устройства, входящие в его состав.

Любая современная материнская плата является многослойной и изготавливается из стеклотекстолита. Обычно, для ее изготовления используются специальные слои медной фольги (количество которых может изменяться от 2 до 10), соединенных между собой с помощью изоляционного материала — стекловолокна, пропитанного синтетической смолой. Слои меди не сплошные, а представляют собой токопроводящие дорожки, соединяющие элементы электронной схемы, смонтированной на такой плате. Во внутренних слоях печатной платы обычно располагаются линии электропитания и экранирование от наводок и помех, а на внешних — основные соединения элементов схемы.

На материнской плате находятся:

• Наборы больших однокристальных электронных микросхем — чипов (центральный процессор, другие процессоры, интегрированные контроллеры устройств и их интерфейсы)
• Микросхемы оперативной памяти и разъемы их плат;
• Микросхемы электронной логики;
• Простые радиоэлементы (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т.д.);
• Системная шина;
• Слоты для подключения плат расширения (видеокарт или видеоадаптеров, звуковых карт, сетевых карт, интерфейсов периферийных устройств);
• Разъемы портов ввода / вывода.

На материнской плате, как правило, имеются уже встроенные (интегрированные) сетевая и звуковая карты, находятся USB и FireWire разъемы для подключения внешних устройств к системному блоку. Если посмотреть на плату с боковой стороны, то увидим разъемы, которые находятся на обратной стороне системного блока для подключения дополнительных внешних устройств — монитора, клавиатуры и мыши, сетевых, аудио и USB (1.1 / 2.0, 3.0) — устройств и т.п.

В зависимости от размера материнской платы, различают следующие форм-факторы материнских плат. Форм-фактор — это физические параметры платы, которые определяют размеры корпуса компьютера и влияют на количество и тип оборудования, которое может быть к ней подключено. Форм-фактор определяет не только размеры материнской платы, но и места ее крепления к корпусу, расположение интерфейсов шин, портов ввода-вывода, процессорного гнезда и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания.

Таблица 1 — Форм-факторы материнских плат

Форм-фактор	Размер платы, мм	Примечания
ATX	305 x 244
Mini-ATX	284 x 208	Для малых корпусов
FlexATX	229 x 191	Пром. стандарт
Micro-ATX	244 x 244	Для малых корпусов
Mini-ITX	170 x 170	Для сверхмалых ПК
Nano-ITX	120 x 120	Для сверхмалых ПК

Материнские платы с форм-фактором ATX (Advanced Technology Extended) устанавливаются в настольные компьютеры с корпусами Full-tower и Mini-tower. Данная плата подходит как для любого пользователя ПК так и для серверов, благодаря чему массово выпускается начиная с 2001 года. На плате можно расположить до 7 разъемов для установки карт расширения.

Рассмотрим основные компоненты материнской платы, каждую из данных позиций рассмотрим более подробно далее.

Основные фирмы, изготавливающие материнские платы: Asus, GigaByte, Micro-Star International (MSI), Foxconn, Asrock, ElitGroup, Palit.

Чипсет. Северный и южный мосты

Чипсет (ChipSet — набор микросхем) — основа материнской платы, представляет собой одну или несколько микросхем, специально разработанных для обеспечения взаимодействия центрального процессора (CPU — Central Processing Unit) со всеми другими компонентами компьютера. Чипсет определяет, какой процессор может работать на данной материнской плате, тип, организацию и максимальный объем используемой оперативной памяти (некоторые современные модели процессоров имеют встроенные контроллеры памяти), сколько и какие внешние устройства можно подключить к компьютеру.

Разработкой чипсетов для материнских плат занимаются компании: Intel, NVIDIА, AMD, VIА и SIS.

Чаще всего чипсет состоит из 2 интегральных микросхем, называемых северным и южным мостами. В процессе эволюции компьютерной схемотехники разработчики пришли к следующей структуре: процессор, затем идет связующее звено или «мост», обеспечивающий работу процессора с оперативной памятью (RAM) и каналом PCIe — «Северный мост », а дальше блок контроллеров интерфейсов дисковых систем, последовательных и параллельных портов, PCI-шины, USB, FireWire -«Южный мост ».

Характерной особенностью северного моста является высокая (по сравнению с южным мостом) скорость обработки данных и обеспечения выполнения большинства вычислений самим процессором. Поэтому на нем смонтировано дополнительное охлаждение: пассивный радиатор или радиатор с активным охлаждением в виде небольшого вентилятора.

Южный мост контролирует работу более медленных устройств, подключение которых происходит с использованием интерфейсов IDE, SATA, USB, LAN, Embeded Audio, PCI, PCIe, обеспечивая возможность передачи из них информации к северному мосту. Южный мост также обеспечивает нормальную работу микросхемы BIOS.

Ранее связь северного и южного мостов выполнялся путем интерфейса PCI на смену которой пришла шина Direct Media Interface (DMI) — последовательная шина, разработанная фирмой Intel для соединения южного моста  с северным. Впервые DMI использована в чипсетах семейства Intel 915 с южным мостом ICH6 в 2004 году. Пропускная способность шины DMI первого поколения составляет 2 ГБ/сек, что значительно выше, чем пропускная способность шины Hub Link (266 МБ/сек) (пришла на смену PCI), которая используется для связи между северным и южным мостами в чипсетах Intel 815/845/848/850/865/875. Вместе с этим, полоса пропускания 2 ГБ/сек (по 1 ГБ/сек в каждом направлении) делится с другими устройствами (например, PCI Express x1, PCI, HD Audio, жесткие диски).

В материнских платах для процессоров с разъемом LGA 1155 (то есть для Core i3, Core i5 и некоторых серий Core i7 и Xeon) и со встроенным контроллером памяти, DMI используется для подключения чипсета (PCH) непосредственно к процессору. (Серверные процессоры серии Core i7 для LGA 1366 подсоединяются к чипсета через шину QPI).

Процессоры и их характеристики

Процессор — кристалл сверхчистого кремния на котором с помощью сложного, многоступенчатого и сверхточного процесса создано несколько миллионов транзисторов и других схемных элементов, соединенных специальными тонкими проводами с внешними выводами. Он руководит системой, выполняя логические и арифметические операции. От мощности процессора зависит быстродействие компьютера. Процессоры для компьютеров изготавливаются фирмами VIA , Cyrix и двумя лидерами Intel и AMD.

Сокеты

Для закрепления процессора на материнской плате существует специальный разъем центрального процессора (форм-фактор) — сокет (Socket) — гнездовой разъем с различным количеством и типом контактов, предназначенный для установки в него центрального процессора.

В зависимости от модели материнской платы разъемы сокетов могут отличаться, из-за чего не каждый тип процессора к ним подойдет. Старые разъемы для процессоров x86 нумерованных в порядке выпуска, обычно одной цифрой (Socket 1-8). Более поздние разъемы обычно обозначались номерами с соответствующим количеством пинов (ножек) процессора (Socket 370-479). Сокеты различаются по размеру, количеству ножек, их виду, например, у производителя процессоров AMD ножки находятся в самом процессоре, а у того же Intel с сокетом 775, ножек на процессоре нет, а находятся они в самом сокете. Еще стоит заметить, что до определенного сокета подходит только определенный вид процессоров, как по производителю, так и по модели процессора. Но бывают исключения. Например, в сокет LGA775 подходит, как процессор Intel Core 2 Duo так и Intel Core Quad. В более новых типах процессоров Intel i5, i6, i7 совсем другой сокет LGA1150, который подойдет только к новейшей серии процессоров Haswell и ее преемника Broadwell. Сокет от фирмы AMD не будет совместим с процессорами от Intel и наоборот.

Современные процессоры используют следующие разъемы:

Intel. 

• Socket B (LGA 1366) — выполнен в 1366 контактной форме, поддерживает процессоры Core i7 серии 9хх, Xeon серии 35хх по 56хх, Celeron P1053. Скоростные характеристики от 1600 МГц до 3500МГц.
• Socket Н (LGA 1156) — выполнен с использованием 1156-и выступающих контактов. Процессоры — Core i7, i5, i3, гибридные процессоры (CPU + GPU). Скоростные характеристики от 2,1ГГц и выше. Ему на смену приходит Socket Н2 (LGA 1155), который поддерживает процессоры Sandy Bridge и Ivy Bridge. Разъем выполнен из 1155 контактов. Выпускается с 2011 года. Скоростные характеристики до 20 ГБ/с.
• Socket R (LGA 2011) — разработан на замену LGA 1366. Разъем выполнен с использованием 2011 контактов. Поддерживает процессор Sandy Bridge серии Е. Скоростные характеристики от 19 ГБ / с до 25.6 ГБ / с.
• Socket H3 (LGA 1150) — разъем для процессоров Intel Haswell, разработанный для замены LGA 1155 (Socket H2). LGA 1150 подходит для процессоров серий Intel Haswell и Broadwell.

Серверные сокеты Intel:

• Socket TW (LGA 1248) — процессоры Itanium, Socket LS
• (LGA 1567) — процессоры — Xeon серии 75хх и 76хх. Скоростные характеристики от 19 ГБ / с до 25.6 ГБ / с.

AMD. 

• Socket AM2 + идентичен Socket AM2 отличие заключается лишь в поддержке процессоров на ядрах Agena, Toliman.
• Socket AM3 процессоры — AMD Phenom II X4 910, 810, 805 и AMD Phenom II X3 720 и 710.
• Socket FM1 — ​​разъем для процессоров Llano.
• Socket FM2 — для процессоров Komodo, Trinity, Terrama, Sepang.

К основным параметрам, которые влияют на производительность процессору относят:

• Тактовая частота;
• Частота системной шины;
• Кэш-память;
• Количество ядер.

Тактовая частота — тактом мы можем условно назвать одну операцию. Единица измерения МГц и ГГц (мегагерц (10⁶ ) и гигагерц (10⁹ )). 1 МГц — означает, что процессор может выполнить 10⁶ операций в секунду. Если у вас на домашнем компьютере процессор 4 ГГц, то это значит, что он может выполнить 4×10⁹ операций за 1 секунду (1Гц = 1 / сек).

Частота системной шины — пропускная способность шины, которая связывает процессор с чипсетом. Системная шина — это определенная совокупность сигнальных линий, которые связывают процессор с другими компонентами системного блока. У процессоров Intel, ранее была распространена шина FSB, но в новых моделях процессоров она была заменена на шину QPI, которая работает на частотах свыше 1333 МГц. В процессорах AMD системной шиной служит шина Hyper Transport. Частота этой шины более 1600 МГц. Важным является тот факт, что чем выше частота системной шины, тем выше производительность процессора. Поскольку частота процессора — это частота системной шины, умноженная процессором на некую заложенную в нем величину «коэффициент умножения».

Кэш — это сверхбыстрая память, которая позволяет процессору быстро получить доступ к определенным данным, которые часто используются, загружаемых из оперативной памяти. Кэш современных процессоров значительно повышает их производительность.

Различают кэш 1, 2, 3-го уровней:

• Кэш первого уровня является самым быстрым, но при этом его размер очень ограничен. Он работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может проводиться каждый такт. Чаще всего является возможность выполнения нескольких операций чтения / записи одновременно. Латентность (задержка) доступа обычно равна 2-4 тактам ядра. Объем обычно невелик, не более 384 Кбайт;
• Кэш второго уровня чуть медленнее, но при этом чуть больше по объему (от 128 Кбайт до 1-12 Мбайт)
• Кэш третьего уровня чуть медленнее кэша первого и второго уровней, но все равно значительно быстрее оперативной памяти. Размер кэша третьего уровня достигает 12-24 Мбайт.

Ограниченность объема кэш-памяти объясняется ее высокой себестоимостью из-за сложного процесса производства.

Количество ядер

Многоядерный процессор состоит из двух и более «вычислительных ядер» на одном кристалле. Он имеет один корпус и устанавливается в один разъем на системной плате компьютера, но операционная система воспринимает каждое его вычислительное ядро как отдельный процессор с полным набором вычислительных ресурсов.

На сегодня основными производителями процессоров — Intel и AMD признано, что дальнейшее увеличение числа ядер процессоров является одним из приоритетных направлений увеличения их производительности. Еще в 2011 году ими было освоено производство 8-ядерных процессоров для домашних компьютеров, и 16-ядерных для серверных систем.

Разрядность процессора — это величина, которая определяет размер машинного слова, то есть количество информации, которой процессор обменивается с оперативной памятью. Существуют x86 архитектура 32-битной и x64 — 64-битной разрядности.

Технологический процесс

Технологический процесс (техпроцесс) в 1979 г. составлял 3 мкм, но впоследствии (после 2002 г.) достиг нанометровых размеров — 90-32 нм (1нм=10^-9 м). Уменьшение техпроцесса приводит к увеличению количества электронных компонент (транзисторов) на кристалле, а за счет их малых размеров, уменьшается энергопотребление системы.

Сегодня уже не совсем выполняется закон Мура, который в 1965г. отметил, что каждые два года количество транзисторов на кристалле будет увеличиваться вдвое. Проблемы при создании нового техпроцесса связанные с методами получения миниатюрных компонент, сохранением свойств материала (мешает проявление «размерных эффектов» — когда материал вследствие своих малых геометрических размеров меняет физические свойства), поиском новых наноматериалов, отводом тепла, дополнительными наводкам, шумами.

В 2012 компания Intel объявила о выходе первой волны процессоров нового поколения под названием Ivy Bridge. В первую партию вошли 13 четырехъядерных чипов, выполненных по нормам 22-нм технологического процесса с трехмерными транзисторами Tri-Gate. Новинки распределились между линейками Core i5 и i7. В дальнейшем (2015 г.) эти линейки процессоров были переведены на более современный 14 нм техпроцесс. По планам производителей, следующий, 10-нм техпроцесс планируется к внедрению уже в 2018 году.

Поколение процессоров отличаются друг от друга скоростью работы, архитектурой, исполнением и внешним видом. Причем отличаются не только количественно, но и качественно. Так, при переходе от Pentium к Pentium II и затем — к Pentium III (IV) была значительно расширена система команд (инструкций) процессора, увеличено количество транзисторов и т.д. Если рассмотреть корпорацию Intel, то за всю 32-летнюю историю процессоров этой фирмы сменилось 12 поколений: 8088, 286, 386, 486, Pentium, Pentium II — Pentium III, Pentium 4, Core 2 Duo, Core i3, Core i5, Core i7 . В каждом поколении есть модификации, отличающиеся друг от друга назначением и ценой. Например, в семействе Pentium IV числились три вида — старший, Хеоn, работает в серверах. Средний, собственно Pentium IV, используется в настольных компьютерах и дешевый Celeron — в бюджетных компьютерах. Уменьшение цены достигается урезанием кэша второго уровня в два раза, понижением частоты работы системной шины. Кэш-память — самый дорогой элемент в процессоре, и с увеличением ее объема стоимость кристалла возрастает в геометрической прогрессии. Например кэш второго уровня Хеоn (2,4 Мбайт), Pentium IV — 256-2048кбайт, а Celeron всего 128-256кбайт.

Похожая ситуация и в семействе процессоров AMD. Для дорогих настольных компьютеров Phenom, Athlon, а для недорогих домашних ПК — Sempron. В пределах одного поколения и модификации все ясно: чем больше тактовая частота, тем быстрее процессор.

Компьютерные шины

Все компоненты, которые размещаются на материнской плате соединяются специальными шлейфами (шинами). Компьютерная шина служит для передачи данных между отдельными функциональными блоками компьютера и представляет собой совокупность сигнальных линий, которые имеют определенные электрические характеристики и протоколы передачи информации. Шины могут различаться разрядностью, способом передачи сигнала (последовательный или параллельный, синхронный или асинхронный), пропускной способностью, количеством и типами поддерживаемых устройств, протоколом работы, назначением (внутренняя или интерфейсная).

Шины делятся на три группы в зависимости от типа передаваемых данных:

• Шина адрес (для адресации данных);
• Шина данных (для обмена данными);
• Шина управления (для управления данными).

Основные характеристики шины:

1. Разрядность шины — величина, показывающая сколько бит данных можно пропустить шиной за один такт.
2. Пропускная способность шины — показывает, сколько бит информации передается шиной за 1 секунду.

Системная шина (FSB-Front Sиde Bus) — шина, соединяющая CPU с другими устройствами через северный мост.

Шина Quad-Pumped Bus (QPB) — это 64-битная процессорная шина, обеспечивает связь процессором Intel с северным мостом чипсета. Характерной ее особенностью является передача четырех блоков данных (из двух блоков адресов) за такт. Таким образом, для частоты FSB, равной 200 МГц, эффективная частота передачи данных будет эквивалентна 800 МГц (4х200 МГц).

Шина HyperTransport (HT) — последовательная двунаправленная шина, разработанная консорциумом компаний во главе с AMD и служит для связи процессоров AMD семейства К8 друг с другом, а также с чипсетом. Кроме того, многие современные чипсетов используют НТ для связи между мостами.

Данная шина НТ нашла место и в высокопроизводительных сетевых устройствах — маршрутизаторах и коммутаторах. Характерной чертой шины НТ является ее организация по схеме Peer-to-Peer (точка-точка), что обеспечивает высокую скорость обмена данными при низкой латентности.

Разъемы материнских плат

По всему периметру платы находится большое количество специальных разъемов в виде слотов. Они предназначены для подключения плат расширения.

Разъема PCI — долгое время были стандартом для подключения аудио-, звуковых- и сетевых карт, TV-тюнера, Wi-Fi-адаптера. Однако впоследствии появились новые и более быстрые шины PCIе. На сегодняшний день некоторые материнские платы поддерживают оба этих интерфейса, но поддержка PCI встречается все реже.

Для жестких дисков и DVD / CD приводов предназначены разъемы SATA и PATA (ATA (IDE)). Их легко отличить по внешнему виду (SATA — маленький, РATA — широкий, многоконтактный), как на самом устройстве, так и на материнской плате. Несмотря на новый стандарт (SATA), некоторые материнские платы все еще оснащаются старым интерфейсом ATA (IDE). Но вероятно со временем его поддержка прекратится полностью учитывая неактуальность.

Оперативная память используется процессором для кратковременного хранения информации во время выполнения им различных операций. Чем больше программ одновременно открыто и обрабатывается процессором, тем больше оперативной памяти для этого используется.

Для оперативной памяти существуют отдельные разъемы. В результате ее развития и усовершенствований существует несколько типов памяти: DDR1, DDR2, DDR3, DDR4. Чем больше цифра-окончание, тем более продуктивной является память.

Каждая из них имеет свой разъем для подключения, а соответственно каждая материнская плата рассчитана на поддержку только одного ее типа. То есть каждый тип памяти не являются взаимозаменяемыми. На рисунке приведены различия в расположении зазоров в разъемах различных типов оперативной памяти.

И последний рассмотренный нами разъем используется для подключения блока питания к материнской плате. Этот разъем практически не изменился со времен появления первой ATX материнской платы. К нему лишь добавили несколько контактов для подачи дополнительного питания к современным мощным процессорам.