Материнские платы

Материнская плата (англ. motherboard, MB, также используется название англ. mainboard — главная плата; сленг. мама, мать, материнка) — это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода). Как правило, материнская плата содержит разъёмы (слоты) для подключения дополнительных контроллеров, для подключения которых обычно используются шины USB, PCI и PCI-Express.

Системная, или материнская, плата персонального компьютера (System board или Mother board) является основой системного блока, определяющей архитек туру и производительность компьютера. 

На ней  устанавливаются следующие обязательные компоненты: • Процессор(ы) и сопроцессор. • Память: постоянная (ROM или Flash BIOS), оперативная (DRAM), кэш (SRAM). • Обязательные системные средства ввода/вывода. • Интерфейсные схемы и разъемы шин расширения. • Кварцевый генератор синхронизации со схемой формирования сброса системы по сигналу PowerGood от блока питания или кнопки RESET. • Дополнительные стабилизаторы напряжения питания для низковольтных процессоров VRM (Voltage Regulation Module). Кроме этих сугубо обязательных средств, на большинстве системных плат устанавливают и контроллеры интерфейсов для подключения гибких и жестких дисков (IDE, SCSI), графический адаптер, аудиоканал, а также адаптеры СОМ-и LPT-портов, «мыши» и другие. Контроллеры, требующие интенсивного обмена данными (IDE, SCSI, графический адаптер), используют преимущества локального подключения к шине процессора. Цель размещения других контроллеров на системной плате — сокращение общего числа плат компьютера. Системные платы первых PC, выполненных на процессорах 8088/86, кроме процессора содержали несколько периферийных БИС (контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти, контроллер шины) и связующую логику на микросхемах малой и средней степени интеграции. Современные платы исполняются на основе чипсетов (Chipset) — наборов из нескольких БИС, реализукмцих все необходимые функции связи основных компонентов — процессора, памяти и шин расширения. Чипсет определяет возможности применения различных типов процессоров, основной и кэш-памяти и ряд других характеристик системы, определяющих возможности ее модернизации. Его тип существенно влияет и на производительность — при одинаковых установленных компонентах (процессор, память, графический адаптер и жесткий диск) производительность компьютеров, собранных на разных системных платах — читай, чипсетах, — может отличаться на 30%. 
 
2.Типоразмеры материнской платы. Унификация и стандартизация компонентов PC распространяется на системные платы, предназначенные для установки в корпуса обычного исполнения. Некоторые «фирменные» платы имеют специфические габаритные и присоединительные размеры, и их можно устанавливать только в «родные» корпуса. Таким специфическим конструктивом отличаются, например, платы и корпуса компьютеров IBM PS/2, Acer, Compaq, Digital, Packard Bell и ряд других. Размеры материнской платы нормированы. Также стандартизованы и отверстия внутри платы, которые соединяют ее с дном корпуса. Поэтому говорят не о размерах, а о типоразмерах материнских плат. Существует восемь основных типоразмеров материнских плат: Таблица 1. Характерные размеры материнских плат Обозначение Размер, см Замечание 
 
FullSize 35,6х30,5 Устаревший 
 
Baby-AT 33,0х22,5 Стандартный 
 
HalfSize (2/3 Baby-AT) 24,4х21,8 Миниплата для PC с CPU 386 и 486; пригод¬на для корпуса Slimline 
 
LPX 33,0х22,9 Для корпусов уменьшенной высоты и Slimline 
 
mini-LPX 26,4х20,1 Для корпусов уменьшенной высоты и Slimline 
 
ATX 30,5х24,4 Для корпусов ATX < 
 
mini-ATX 28,4х20,8 Для корпусов ATX уменьшенной высоты 
 
 
FullSize Полноразмерная плата (FullSize) по своим габаритам соответствует материнской плате PC IBM AT. Расположение разъемов клавиатуры и слотов расширения такой платы строго определены, чтобы совпадать с отверстиями в корпусе. Плата помещается только в полноразмерный корпус типа Desktop и Tower. Вследствие того, что эти платы невозможно установить в широко распространенные корпуса типа стандартный Desktop и Mini-Tower, они уже практически не выпускаются. Baby-AT Стандарт материнских плат типоразмера Baby-AT (BabySize) появился в 1982 г. На этих платах расположение разъемов клавиатуры и слотов также должно соответствовать отверстиям в корпусе. Для подключения клавиатуры используется стандартный 5-контактный DIN-разъем. Материнские платы размера Baby-AT могут быть установлены практически в любой корпус, за исключением корпусов уменьшенной высоты и Slimline. Именно поэтому они получили наибольшее распространение. В настоящее время корпорация Intel сняла с производства материнские пла¬ты Baby-AT и перешла на выпуск материнских плат спецификации ATX. 
 
LPX (mini-LPX) Материнские платы LPX и mini-LPX обычно устанавливаются в корпусах уменьшенной высоты или в корпусах типа Slimline. Слоты расширения этих плат смонтированы на отдельной плате (Reiser card), которая вставляется в слот материнской платы перпендикулярно ей. Карты расширения устанавливаются на эту плату таким образом, чтобы их плоскость была параллельна плоскости материнской платы. Это позволяет уменьшить высоту корпуса PC. Все разъемы находятся на задней панели материнской платы LPX. Обычно это разъемы для подключения монитора, параллельный порт, два последовательных порта и разъемы типа mini-DIN для клавиатуры и мыши стандарта PS/2 Все разъемы смонтированы непосредственно на материнской плате. На некоторых материнских платах типа LPX устанавливаются дополнительные внутренние разъемы для других устройств, например звуковой карты, сетевого или SCSI-адаптера. В настоящее время корпорация Intel сняла с производства материнские платы LPX. АТХ В 1995 г. корпорация Intel анонсировала новую спецификацию АТХ для форм-фактора материнской платы и корпуса PC. Стандарт АТХ сочетает в себе лучшие черты стандартов Baby-AT и LPX и дополнительные усовершенствования. Спецификация АТХ для материнских плат предусматривает: Интеграцию на материнской плате стандартных периферийных устройств: контроллеров дисководов и винчестеров, параллельных и последовательных портов, а также (по мере необходимости) видео и звуковых адаптеров, модемов и интерфейсов локальных сетей Наличие встроенной двойной панели разъемов ввода/вывода размером 15,9х4,4 см, находящейся на тыльной стороне материнской платы Наличие одноключевого внутреннего разъема источника питания Изменение местоположения CPU и модулей памяти на материнской плате. Теперь они не мешают картам расширения, их легко заменить; CPU и модули памяти располагаются около вентилятора блока питания Перемещение разъемов контроллеров ввода/вывода, интегрированных в материнской плате, ближе к накопителям. Это означает, что длину внутренних кабелей данных можно уменьшить Первые материнские платы АТХ были представлены корпорацией Intel вес¬ной 1996 г. Эти платы имели названия Thor и Aurora для систем с CPU Pentium и Pentium Pro соответственно. В настоящее время корпорация Intel полностью перешла на производство материнских плат спецификации АТХ. Ряд других поставщиков материнских плат, например ASUSTek, также наладили выпуск материнских плат АТХ. NLX В начале 1997 г. корпорацией Intel был предложен стандарт NLX, регламентирующий: Новые физические и функциональные параметры блока питания • Требования к режимам охлаждения и условиям соединения отдельных компонентов PC между собой • Систему крепления материнской платы • Разбиение платы на зоны, в пределах которых располагаются электронные компоненты, имеющие определенную высоту и служащие для реализации тех или иных функций Стандарт NLX явился дальнейшим развитием стандарта АТХ. Согласно стандарту NLX в PC устанавливается так называемая ризер-карта (Riser card), напоминающая плату адаптера, вставляемую в материнскую плату в корпусе типа Slimline. Как и плата адаптера Slimline, ризер-карта имеет стандартные слоты PCI и ISA, в которые устанавливаются все необходимые карты расширения. Основное отличие ризер-карты NLX от адаптера Slimline состоит в том, что материнская плата также устанавливается в специальный слот, называемый NLX Riser Connector. Этот разъем содержит не только информационную шину, но и шину питания. Таким образом, после установки материнская плата автоматически оказывается подключенной к шине питания. Кроме того, на ризер-карте располагаются различные разъемы, которые ра¬нее располагались на материнской плате — IDE, FDD, USB, блока питания и др. (рис. 2.2). В соответствии с новым стандартом ризер-карта является фактически кросс-платой, через которую происходит коммутация всех модулей системного блока, а также подача питания на них. На материнской плате NLX располагаются гнезда CPU, слоты для модулей памяти, Chipset, микросхемы BIOS и кэш-памяти. Преимущества стандарта NLX: • Гарантируется возможность замены материнской платы • Обеспечивается доступ к кабелям, картам расширения, модулям памяти и др. • Существенно сокращается длина кабеля IDE и кабеля для подсоединения дисковода • Обеспечивается возможность замены CPU • Имеется возможность применения двухпроцессорных систем Особо надо отметить принципиально новую конструкцию крепления материнской платы. Согласно стандарту NLX предлагается прикрепить к материнской плате специальные направляющие, которые и обеспечивают простоту установки платы в корпусе системного блока. Окончательно плата закрепляется в блоке с помощью специального зажима с эксцентриком. Такая конструкция позволяет просто и с минимальным усилием вставить плату в разъем на ризер-карте и зафиксировать ее в этом положении. Все внешние разъемы (LPT, СОМ, Audio и др.) смещены к краю материнской платы в соответствии с новым стандартом. Данное технологическое решение обеспечивает необходимую гибкость при установке одной и той же материнской платы в разные корпуса как типа Desktop, так и MiniTower. Стандарт NLX практически превращает PC в устройство, состоящее всего из двух элементов — материнской платы и корпуса со стандартными разъемами для подключения внешних устройств. Материнская плата обычно крепится двумя винтами, остающиеся отверстия предусмотрены для специальных стоек, которые фиксируют материнскую плату в корпусе. В случае, когда вы самостоятельно устанавливаете или ме¬няете материнскую плату, можете использовать стойки от старой платы. При установке материнской платы обратите внимание на то, чтобы она не имела контакта с дном и боковыми металлическими панелями корпуса. Короткое замыкание может превратить материнскую плату в груду металлолома прежде, чем процессор отработает хоть один такт. Винты, которыми плата крепится к корпусу, для безопасности должны быть проложены изолирующими шайбами. Материнская плата АТ и АТХ Традиционные платы Full AT (305х350 мм) и Baby AT (220х330 мм) для корпусов Desktop, Baby AT, Mini-, Midi- и Big Tower имеют фиксированное расположение слотов и разъема клавиатуры относительно задней кромки платы и унифицированную систему крепежных отверстий платы, что облегчает ремонтопригодность и модернизируемость системных блоков. Их примерный вид изображен на рис. 3.1. Платы устанавливаются с помощью пластмассовых вставок, входящих в прорези шасси. Эти вставки обеспечивают вертикальную и продольную (вдоль оси слотов расширения) фиксацию платы. Они позволяют выставить плату в правильное положение относительно задней стенки корпуса, которое уточняется при установке в слоты плат расширения. В требуемом положении плата фиксируется одним или несколькими винтами, завинчиваемыми в предварительно установленные в шасси резьбовые втулки. Эти же винты обеспечивают теоретически единственную точку соединения заземленного (через блок питания) корпуса компьютера с общим проводом источника питания. Для того чтобы снять системную плату, из нее необходимо извлечь все карты расширения и отсоединить кабели подключения (по крайней мере, короткие). В корпусах типа Mini Tower необходимо снять (или в некоторых корпусах — выдвинуть) шасси, на котором закреплена системная плата. Отвинтив крепеж¬ные винты, плату немного сдвигают влево, после чего ее можно снять с шасси. Установка платы производится в обратном порядке, фиксирующие винты затягиваются после установки платы в корпус и установки какой-либо платы расширения. 
 
Интерфейсные разъемы подключения портов ввода/вывода, шин IDE и SCSI и прочие могут располагаться в различных местах системной платы. Из внешних разъемов, установленных на системной плате, однозначно определено только место разъема клавиатуры. Положение остальных разъемов стандартом не задано. Плату, у которой на задней кромке установлены внешние интерфейсные разъемы, можно без проблем установить только в «родной» корпус. В «чужих» корпусах с ними могут не совпасть отверстия на задней стенке. В самом неприятном случае они могут оказаться напротив ребер жесткости корпуса — здесь уже за напильник браться не захочется. Новый стандарт АТХ на конструктив системной платы и корпуса PC определяет размеры плат 305х244 мм (Mini-АТХ — 284х208 мм) и существенно упрощает соединения, задавая достаточно удобное местоположение ключевых компонентов системной платы. Представление о расположении ее компонентов дает рис. 3.2. Основные новшества компоновки АТХ: • Все внешние разъемы (клавиатуры и встроенной периферии) располагаются в два этажа и сгруппированы у правого края платы. Для них в АТХ-корпусе предусмотрено одно большое прямоугольное окно. • Процессор может располагаться под блоком питания, и тогда его радиатор может обдуваться потоком воздуха внутреннего вентилятора блока питания или дополнительным, устанавливаемым снаружи блока питания. Расстояние (по высоте) до блока питания позволяет менять процессор, не снимая системной платы. • Разъемы адаптеров НГМД и IDE располагаются у правого переднего края платы, что позволяет хорошо разместить кабели в корпусе и сократить их длину, что немаловажно для режимов PIO Mode 4 и UltraDMA-33 порта IDE. • Модули памяти устанавливаются в легкодоступном месте. • В дополнение к традиционному набору питающих напряжений введен источник питания 3,3/3,6 В, позволяющий упразднить один из VRM на системной плате и существенно уменьшить мощность, рассеиваемую оставшимися VRM, 
 
• Для блока питания определен сигнал программно-управляемого отключения питания, что является эффективной -защитой от преждевременного выключения питания при незакрытых приложениях. Полное отключение питания обеспечивается выключателем блока, питания, который теперь снова переместился на заднюю панель корпуса. • Блок питания имеет «дежурный» маломощный источник +5V Standby для питания цепей управления потреблением и устройств, активных и в спящем режиме (например, факс-модема, способного по звонку «разбудить» машину). • Питание подается через один 20-штырьковый разъем. Некоторые платы «переходного периода» имеют дополнительно и пару разъемов для питания от традиционных блоков. При этом, конечно, теряется возможность программного отключения питания и снижения мощности, рассеиваемой VRM. Из вышеперечисленного становится очевидным, что установка АТХ-плат в традиционный корпус с традиционным блоком питания (как, впрочем, и обратная комбинация) весьма проблематична. Единое окно для всех разъемов на задней стенке имеет неприятную обратную сторону — не всегда понятно, чем закрывать его неиспользуемое пространство. Металлический лист-заглушка с прорезями под имеющиеся разъемы, поставляемый с системной платой АТХ, не всегда хорошо сочетается с конкретным АТХ-корпусом. Хорошо, если удается использовать сочетание «дежурных» заглушек, поставляемых с корпусом, с заглушками платы. Их состав может изменяться — есть, например, компьютеры с жидкокристаллическими дисплейными панелями, отображающими состояние системы. На некоторых (так называемых мультимедийных) корпусах установлены стереодинамики. Существуют и другие экзотические варианты. Системная плата имеет множество интерфейсных разъемов, часть которых выводится на заднюю панель (возможные конструктивные проблемы, связанные с ними, были рассмотрены выше). Кроме них имеются внутренние разъемы для подключения питания, компонентов лицевой панели корпуса, интерфейсов накопителей на гибких и жестких дисках, портов ввода/вывода. Питание к традиционным платам подается через два 6-штырьковых разъема, по традиции, восходящей к PC/XT, обозначаемых как PS8 и PS9. Несмотря на то что их ответные части — розетки, расположенные на кабелях блока питания, имеют различное расположение ключевых выступов, механически оказывается возможным их неправильное подключение. Чтобы их не перепутать, есть легко запоминающееся правило: четыре черных провода (общий провод питания) подсоединенных разъемов должны находиться рядом (рис. 3.3). На 180 градусов разъемы, к счастью, перевернуть невозможно. Питание к платам АТХ подается через один 20-штырыеовый разъем, имеющий надежный ключ, что исключает возможность ошибки подключения. 
 
Одна из точек крепления платы обеспечивает соединение общего провода GND с металлическим шасси системного блока, заземленного через сетевой шнур питания. К компонентам лицевой панели относятся: • кнопки RESET, TURBO (для АТХ еще и POWER); • ключ блокировки клавиатуры; • индикаторы включения, режимов TURBO и энергосберегающих (Green), тактовой частоты, обращения к жесткому диску; • динамик; • интерфейсы — инфракрасный приемопередатчик, разъем USB, иногдаразъемы клавиатуры и мыши PS/2. Их состав может изменяться — есть, например, компьютеры с жидкокристаллическими дисплейными панелями, отображающими состояние системы. На некоторых (так называемых мультимедийных) корпусах установлены стереодинамики. Существуют и другие экзотические варианты. Все компоненты лицевой панели обычно подключаются отдельными парами или тройками проводов. Их разъемы подключаются к штырьковым разъемам, которые чаще всего располагаются вдоль передней кромки системной платы ' ближе к левому краю. Провода имеют запас длины, которого должно быть достаточно, чтобы дотянуться до любого возможного места расположения разъема. По укладке этих проводов можно судить о квалификации и аккуратности сборщика — хорошим тоном является подвязка проводов к шасси без натяга проводов и излишних свободных петель. Здесь дело не только в эстетике — неподвязанные провода норовят лечь на лопасти вентилятора процессора. Излишний шум, возникающий от этого ненужного трения, позволяет только гадать, что произойдет раньше — перетрутся провода или сгорит заторможенный i вентилятор, а потом и охлаждаемый им процессор (второй вариант явно хуже плохого первого). Штырьковые разъемы подключения обычно имеют маркировку, нанесеннув на системной плате. Сами разъемы на проводах маркировку имеют не всегдг но разноцветные провода легко проследить до точек подключения. Схема орга нов управления и индикации, а также распространенные варианты их марки ровки приведены на рис. 3.4. 
 
Если маркировка на системной плате и описание платы отсутствуют, разобраться с подключением можно и экспериментально, причем при соблюдении несложных правил довольно быстро и без особого риска. Далее мы приведем основные приметы разъемов подключения. Разъем динамика практически всегда четырехштырьковый, причем динамик подключается к крайним выводам. Для подключения ключа клавиатуры KEYLOCK и индикатора включения питания на старых корпусах и платах использовался пятиштырьковый разъем. Иногда на него же выводился и сигнал от кнопки RESET (рис. 3.5). Сейчас эти элементы чаще подключаются отдельными двухштырьковыми разъемами. Кнопки и индикаторы одним из выводов подключаются к шине GND. Подключение кнопки вместо индикатора и наоборот безобидно. Ток на индикатор ограничен резистором, установленным на системной плате, и короткое замыкание контактов его разъема безопасно. Подключение индикатора к разъему кнопки может привести разве что к его тусклому свечению, что наглядно свидетельствует об ошибке подключения. Для светодиодного индикатора важна полярность подключения — при ошибочном подключении он светиться не будет, Полярность подключения кнопок RESET и KEYLOCK, естественно, безразлична, Разъем переключателя TURBO имеет три вывода (общий всегда посередине), но подключается к двухштырьковому разъему. От того, какая пара контактов будет подключена, зависит лишь то, какому положению (нажатому или отжатому) соответствует режим TURBO . Разъем переключателя на системной плате иногда закорочен джампером — на некоторых платах это бывает полезно сделать во избежание наводок от длинного провода и возможного «дребезга» контактов переключателя, приводящих к сбоям и зависаниям. Если нет необходимости отключать режим TURBO кнопкой, есть и другой резон закоротить разъем джампером — это исключает непреднамеренное замедление компьютера. Неопытный пользователь в таком случае либо терпеливо сносит неповоротливость машины, либо по этому пустяковому поводу вызывает обслуживающий персонал. Кнопка и индикатор энергосберегающего режима (Green Functions) используются далеко не всегда. Нажатие кнопки является внешним событием, включающим (а иногда и отключающим) режим пониженного энергопотребления, о чем свидетельствует свечение индикатора. Реакция на нажатие кнопки зада¬ется опциями Power Management в BIOS Setup. Если даже соответствующий разъем системной платы не подключить к кнопке Green, компьютер будет вполне нормально работать. 
 
Несколько слов о цифровом «спидометре», установленном на лицевой панели. Любые цифры или символы, которые он отображает, задаются комбинацией джамперов на его печатной плате и к реальной тактовой частоте могут не иметь ни малейшего отношения. Джамперы позволяют задавать два набора светящихся сегментов, переключаемых кнопкой TURBO. Если кнопка не задействована (см. выше), то переключение цифр индикатора вообще ничего не отражает. Поскольку трехконтактный разъем от кнопки может подключаться к двухштырьковому разъему системной платы неоднозначно, а отображаемые сегменты могут набираться произвольно, даже при подключенном переключателе к показаниям «спидометра» следует относиться скептически. Иногда управление индикацией: производится не от кнопки, а от выхода индикатора TURBO системной платы — этот более корректный способ индикации отображает и переключение режима, выполненное с клавиатуры. Отображаемые символы задаются по таблицам установки джамперов, прилагаемым к корпусу. Чтобы не ломать голову над этими таблицами при каждой модернизации (установке более мощного процессора), удобно на все случаи установить отображение символов HI (High для режима TURBO) и LO (Low для замедленного режима). Чтобы цифры индикатора светились, от блока питания к плате индикатора должна подходить пара проводов GND и +5V. На «неродном» для данного корпуса блоке питания этой пары проводов может и не быть, но можно спокойно смириться с неработающим индикатором — компьютер от этого хуже работать не станет. Разъем USB и инфракрасный приемопередатчик, расположенные на лицевой панели, подключаются к соответствующим штырьковым разъемам системной платы кабелями-шлейфами. Здесь соблюдение правильности подключения существенно — первый провод шлейфа маркируется цветной краской, а первый контакт разъема подписывается и имеет квадратную контактную площадку на печатной плате (ее видно с нижней стороны платы). Внешние разъемы, установленные непосредственно на задней стенке корпуса или закрепленные на уголках-заглушках, подключаются шлейфами к штырьковым разъемам платы. Они легко распознаются по числу штырьков (размеру): 10 - СОМ-порты, 16 - GAME-порт, 26 - LPT-порт, 4 (5) - PS/2 Mouse. Комплект «выкидышей» — внешних разъемов с кабелями-шлейфами — должен поставляться в комплекте с системной платой. Проблемы могут возникнуть с отсутствующим (и почему-то дефицитным) разъемом для PS/2 Mouse или LPT-порта, а также с разными вариантами распайки 10-штырьковых внутренних разъемов СОМ-портов (см. п. 9.2.1). Внутренние разъемы PS/2 Mouse могут иметь различающуюся распайку, но, "зная ее простой интерфейс (см. п. 2.9), легко «вызвонить» контакты GND и +5V, а соответствие линий данных и синхронизации всегда можно определить не более чем со второй попытки. Накопители на гибких дисках подключаются шлейфом с 34-контактным разъемом. Ошибочное подключение (поворот на 180 градусов) заметно по постоянному свечению индикатора на дисководе. Диски IDE (ATA) подключаются шлейфом с 40-контактным разъемом. При ошибочном подключении (поворот на 180 градусов) системная плата при включении не подает признаков жизни и не реагирует на кнопку RESET. Если перепутаны каналы IDE, поведение компьютера зависит от «сообразительности» BIOS и установок Setup. Новые версии BIOS позволяют для всех четырех возможных устройств IDE задать режим идентификации Auto и загружаться с первого обнаруженного устройства. Правильность подключения шлейфов и накопителей можно проверить опцией IDE Autodetect меню BIOS Setup — все подключенные накопители на жестких дисках должны распознаваться. Подробнее о разрешении проблем с IDE см. в главе 8. Самыми распространенными ошибками подключения шлейфов являются переворот разъема на 180 градусов и боковое или продольное смещение контактов. От этих ошибок спасает пластмассовый ободок, окружающий штырьки наиболее , качественных разъемов, и его ключевая прорезь. Однако с ключами случаются и конфузы: бывает, что разъем шлейфа, имеющий ответный ключевой выступ, на шлейф наколот неправильно. Тогда для правильного соединения этот выступ приходится срезать (это проще, чем качественно «переколоть» разъем). Шлейфы, как и провода лицевой панели, следует подвязывать во избежание их соприкосновения с вентилятором процессора.