[Как это устроено] Материнская плата

У вас может быть настольный ПК на работе, в школе или дома. Вы можете использовать его для написания налоговых деклараций или играть на нём в последние игры; вы, возможно, даже разбираетесь в настройке компьютеров. Но насколько хорошо вы знаете компоненты, которые составляют ПК? Возьмите скромную материнскую плату — она сидит там, спокойно работает, и редко получает такое же внимание, как процессор или видеокарта.

Хотя на самом деле, материнские платы очень важны и полны действительно классных технологий. Итак, давайте же рассмотрим материнскую плату, поделив её на различные части и посмотрев, что делает каждая деталь.

Все статьи из этого цикла




Начнём с... простого обзора

Давайте начнём с основной роли материнской платы. По сути, она нужна для следующих целей:
  • обеспечение электропитанием отдельных компонентов;
  • создание маршрута, позволяющего компонентам взаимодействовать друг с другом.
Есть и другие функции, которые обеспечивает материнская плата (например, обеспечивает обратную связь относительно того, насколько хорошо всё работает), но вышеупомянутые аспекты имеют решающее значение для работы ПК, так как почти каждая часть, составляющая материнскую плату, связана с этими двумя задачами.

Практически любая материнская плата, используемая сегодня в стандартном настольном ПК, имеет разъёмы для центрального процессора (ЦП), модулей памяти (почти всегда тип DRAM), дополнительных плат расширения (таких как видеокарта), памяти, входов/выходов, и «средство общения» с другими компьютерами и системами.

Стандартные материнские платы изначально различаются по размеру, и существуют отраслевые стандарты, которых придерживаются производители (но есть и такие, которые этого не делают). Основные размеры, с которыми вы можете столкнуться:
  • Стандартный ATX — 12 × 9,6 дюймов (305 × 244 мм);
  • Micro ATX — 9,6 × 9,6 дюйма (244 × 244 мм);
  • Mini ATX — 5,9 × 5,9 дюйма (150 × 150 мм).
Вы можете увидеть гораздо более полный список, например, в Википедии, но для простоты мы будем просто придерживаться стандартного ATX, потому что различия обычно заключаются лишь в количестве разъёмов, доступных для питания и подключения.

Но что же такое материнская плата?

Материнская плата — это просто большая электронная печатная плата с множеством разъёмов для подключения и сотнями, если не тысячами, дорожек, которые проходят между различными разъёмами. Теоретически плата не нужна: вы можете соединить всё вместе, используя всего лишь огромное количество проводов. Однако производительность будет ужасной, так как сигналы будут мешать друг другу, и при использовании этого метода также будут существенные потери мощности.

Мы начнём наше исследование с использования типичной материнской платы ATX. Изображение ниже соответствует Asus Z97-Pro Gamer.

Материнская плата Asus Z97-Pro Gamer

Единственная проблема с изображением состоит в том, что на ней много видимых компонентов, что усложняет чёткое определение всего. Давайте отбросим всё это и рассмотрим упрощённую диаграмму (ниже).

Материнская плата Asus Z97-Pro Gamer

Подключение мозга к ПК

Диаграмма имеет структуру, обозначенную LGA1150 — это имя, используемое Intel для описания сокета. Буквы LGA обозначают Land Grid Array — распространённый тип технологии упаковки для процессоров и других интегральных микросхем.

Системы LGA имеют множество маленьких выводов на материнской плате или в разъёме на плате для обеспечения питания и связи с процессором. Вы можете увидеть их на картинке ниже:

Intel LGA1150

Ещё не забыли название? LGA1150. Число указывает на количество контактов в этом гнезде. В целом, чем выше производительность процессора (с точки зрения количества ядер, объема кэша и т.д.), тем больше выводов будет найдено в сокете. Большое количество этих соединений будет использоваться для отправки и получения данных для следующей важной функции материнской платы.

Большому мозгу нужна большая память

Сокеты или слоты, которые всегда находятся ближе всего к ЦП, — это те, которые содержат модули DRAM, или системную память. Они подключены непосредственно к процессору. Количество слотов DRAM зависит в основном от процессора, так как контроллер памяти встроен в центральный процессор.

В примере, который мы рассматриваем, процессор, вписывающийся в эту материнскую плату, имеет 2 контроллера памяти, каждый из которых обрабатывает 2 стика памяти — следовательно, всего 4 сокета. Вы можете видеть, что на этой материнской плате разъёмы памяти окрашены таким образом, чтобы вы знали, какие из них управляются каким контроллером. Их обычно называют каналами памяти, каждый из которых обрабатывает по 2 слота.

DRAM

Для этой конкретной материнской платы цвета слотов могут немного сбивать с толку: два чёрных слота обрабатываются двумя контроллерами памяти (и то же самое для серых). Таким образом, чёрный слот, ближайший к разъёму процессора, — это канал № 1, а следующий чёрный слот — это канал № 2.

Он окрашен таким образом, чтобы поощрять использование материнской платы в так называемом режиме с двумя каналами памяти — при одновременном использовании обоих контроллеров общая производительность системы памяти повышается. Допустим, у вас было два модуля оперативной памяти, каждый размером 8 ГБ. Независимо от того, в какие слоты вы их вставите, у вас всегда будет 16 ГБ доступной памяти.

Однако, если вы поместите оба модуля в оба черных слота (или оба серых слота), центральный процессор будет по существу иметь двойные маршруты для доступа к этой памяти. Сделайте это другим способом (по одному модулю каждого цвета), и 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 это повлияет на производительность.

В этой комбинации ЦП и материнской платы используются микросхемы DDR3 SDRAM (от Double Data Rate Version 3; Synchronous Dynamic Random Access Memory — версия 3 с двойной скоростью передачи данных; синхронная динамическая оперативная память), и каждый разъем содержит один SIMM или DIMM. Часть «IMM» обозначает встроенный модуль памяти; S и D означают, что модуль имеет одну сторону, заполненную чипами, или обе стороны (от single и dual).

Вдоль нижнего края модуля памяти расположено множество позолоченных разъёмов, и у этого типа памяти их всего 240 (по 120 с каждой стороны). Они обеспечивают питание и сигналы данных для чипов.

Модуль памяти DDR3 SDRAM
Модуль памяти DDR3 SDRAM

Большие модули позволили бы вам иметь больше памяти, но вся установка ограничена контактами на процессоре (почти половина из 1150 контактов в этом примере выделена для обработки этих микросхем памяти) и местом для дорожек на материнской плате.

Компьютерная индустрия придерживалась использования 240 контактов на модулях памяти с 2004 года и не даёт никаких признаков изменения в ближайшее время. Чтобы улучшить производительность памяти, чипы просто работают быстрее с каждой новой выпущенной версией. В нашем примере контроллеры памяти ЦП могут отправлять и получать 64 бита данных за такт. Таким образом, с двумя контроллерами карты памяти будут иметь 128 контактов, предназначенных для передачи информации. Так почему же 240 разъёмов?

Каждый чип памяти на модуле памяти DIMM (всего 16, по 8 на каждую сторону) может передавать 8 бит за такт. Это означает, что каждому чипу нужно 8 контактов только для передачи данных; однако два чипа используют одни и те же выводы данных, поэтому только 64 из 240 передают данные. Остальные 176 выводов необходимы для синхронизации и справочных целей, передачи адресов данных (места, где находятся данные в модуле), управления микросхемами и обеспечения электроэнергией.

Таким образом, вы можете видеть, что наличие более 240 контактов не обязательно улучшит ситуацию!

ОЗУ не единственное, что подключено к процессору

Системная память подключается напрямую к центральному процессору для повышения производительности, но на материнской плате есть и другие разъемы, которые подключены примерно так (и по той же причине). Они используют технологию подключения, называемую PCI Express (для краткости PCIe), и каждый современный ЦП имеет встроенный контроллер PCIe.

Эти контроллеры могут обрабатывать несколько соединений (обычно называемых линиями), даже если это система «точка-точка», то есть линии в сокете не используются совместно с любым другим устройством. В нашем примере контроллер PCI Express процессора имеет 16 дорожек.

На изображении ниже показаны 3 разъёма: два верхних — это PCI Express, а нижний — гораздо более старая система, называемая PCI (связана с PCIe, но намного медленнее). Маленький сверху помечен PCIEX1_1, потому что это сокет с одной линией; под ним — 16-ти линейный сокет.

PCI Express

Если вы прокрутите вверх и снова посмотрите на всю материнскую плату, вы увидите, что есть:
  • 2 разъёма PCI Express на 1 линию;
  • 3 разъёма PCI Express на 16 линий;
  • 2 разъёма PCI.
Но если контроллер ЦП имеет только 16 линий, что происходит? Прежде всего, к процессору подключены только PCIEX16_1 и PCIEX16_2, а третий и два сокета с одной линией подключены к другому процессору на материнской плате (подробнее об этом чуть позже). Если же оба сокета были заполнены устройствами, которые используют 16 линий PCIe, то ЦП выделит только 8 линий для каждой. Это касается всех процессоров сегодня; у них ограниченное число дорожек, поэтому, поскольку к ЦП подключается больше устройств, каждому из них предоставляется меньшее число дорожек для работы.

Различные конфигурации процессора и материнской платы имеют свой собственный способ обработки этого. Например, материнская плата Gigabyte B450M Gaming имеет один разъём PCIe на 16 линий, один разъём PCIe на 4 линии и разъём M.2, который использует 4 линии PCIe. При наличии всего 16 линий у ЦП, использование любых двух разъемов приведет к тому, что больший из них на 16 линий сократится до 8.

Так какие вещи используются для этих сокетов? Наиболее распространенные варианты:
  • 16 линий — видеокарта;
  • 4 линии — твердотельные накопители (хранилище SSD);
  • 1 линия — звуковые карты, сетевые адаптеры.

Видеокарта и звуковая карта

Вы можете увидеть разницу между разъёмами на изображении выше. Видеокарта имеет более длинную 16-полосную карту по сравнению с маленькой 1-полосной звуковой картой. Последняя имеет гораздо меньше данных для передачи, чем первая, поэтому ей не нужны все эти дополнительные полосы.

В нашем примере с материнской платой гораздо больше сокетов и соединений для управления, поэтому процессор получает помощь от дополнительного процессора.

Теперь пойдём на юг через мост

Если мы вернемся на 15 лет назад и посмотрим на материнские платы той эпохи, в них было встроено два дополнительных чипа для поддержки процессора. Вместе они назывались набором микросхем (обычно соединённых с чипсетом), а по отдельности они назывались чипами северного (NB) и южного (SB) мостов.

Первый обрабатывал системную память и видеокарту, второй обрабатывал данные для всего остального.

ASRock 939SLI32

На приведенном выше изображении материнской платы ASRock 939SLI32 чётко показаны микросхемы NB/SB — они обе скрыты под алюминиевыми радиаторами, а ближайшим к разъёму ЦП в середине изображения является северный мост. Спустя несколько лет после появления этого продукта Intel и AMD выпустили процессоры с интегрированным в центральный процессор NB.

Южный мост, тем не менее, остался отдельным и, вероятно, будет таковым в обозримом будущем. Интересно, что оба производителя процессоров перестали называть его SB и часто называют его просто чипсетом (собственное название Intel — PCH, Platform Controller Hub), несмотря на то что это всего лишь один чип.

На нашем более современном примере от Asus, SB также покрыт радиатором, так что давайте теперь посмотрим на дополнительный процессор.

1578681766299.png

Эта микросхема представляет собой усовершенствованный контроллер, поддерживающий несколько типов и разное количество соединений. В частности, это набор микросхем Intel Z97, который обеспечивает следующие функции:
  • 8 линий PCI Express (версия 2.0 PCIe)
  • 14 портов USB (6 версии 3.0, 8 версии 2.0)
  • 6 портов Serial ATA (версия 3.0 SATA)
Он также имеет встроенный сетевой адаптер, встроенный звуковой чип, VGA-дисплей и целый ряд других систем синхронизации и управления. Другие материнские платы могут иметь более стандартные или продвинутые наборы микросхем (например, обеспечивающие большее количество линий PCIe), но в целом большинство наборов микросхем предлагают такие же функции.

Для нашей конкретной материнской платы это процессор, который обрабатывает слоты PCIe с одной линией, третий слот с 16 линиями и слот M.2. Как и многие новые чипсеты, он обрабатывает все эти 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, подключённых к материнской плате, несмотря на все разъёмы.

SATA

В случае нашей материнской платы Asus порты SATA (используемые для подключения жёстких дисков, DVD-приводов и т.д.) сгруппированы, как показано выше, из-за ограничения. Блок из 4 портов в середине использует стандартные USB-соединения чипсета, тогда как два слева используют некоторые из высокоскоростных соединений. Так что если вы используете те, что слева, то у чипсета будет меньше соединений для других сокетов. То же самое верно для портов USB 3.0. Существует поддержка до 6 устройств, но 2 из этих портов также будут подключены к высокоскоростным соединениям.

Разъём M.2, используемый для подключения хранилища SSD, также использует быструю систему (вместе с третьим слотом PCI Express на 16 линий); однако в некоторых комбинациях ЦП и материнской платы разъёмы M.2 подключаются непосредственно к ЦП, поскольку многие новые продукты имеют более 16 линий PCIe для распределения и использования.

Вдоль левой стороны нашей материнской платы есть ряд разъёмов, обычно называемых набором ввода/вывода (входа/выхода), и в этом случае чип южного моста обрабатывает только некоторые из них:
  • разъём PS/2 — для клавиатуры/мыши (сверху слева);
  • разъем VGA — для старых/более дешёвых мониторов (сверху посередине);
  • порты USB 2.0 — чёрного цвета (слева снизу);
  • порты USB 3.0 — синего цвета (снизу посередине).

Разъёмы

Встроенный графический процессор процессора обрабатывает разъёмы HDMI и DVI-D (снизу посередине), а остальные управляются дополнительными чипами. Большинство материнских плат имеют множество маленьких процессоров для управления всеми видами разъёмов. Давайте рассмотрим некоторые из них.

Дополнительные чипы для дополнительных функций

Процессоры и наборы микросхем имеют ограничение на то, что они могут поддерживать или подключать, поэтому большинство производителей материнских плат предлагают продукты с дополнительными функциями благодаря использованию других встроенных микросхем, например, для предоставления дополнительных портов SATA или для подключения старых устройств.

Nuvoton и Asmedia

Материнская плата Asus, которую мы рассматриваем, ничем от этого правила не отличается. Например, чип Nuvoton NCT6791D обрабатывает все маленькие разъемы для вентиляторов и датчиков температуры, встроенных в плату. Процессор Asmedia ASM1083, расположенный рядом с ним, управляет двумя устаревшими разъёмами PCI, поскольку у чипа Intel Z97 такой возможности нет.

1578682199989.png

Несмотря на то что чипсет Intel имеет встроенный сетевой адаптер, он использует некоторые из ценных высокоскоростных соединений, поэтому Asus добавила ещё один чип Intel (I218V) для управления красным разъемом Ethernet, который мы видели в наборе вводов/выводов. Серебристый металлический элемент в форме стадиона является разновидностью кварцевого генератора — он обеспечивает сигнал низкой частоты, чтобы сетевой чип оставался синхронизированным.

1578682256288.png

Материнские платы с возможностью разгона процессоров, чипсетов и системной памяти стали обычным явлением, и многие поставляются с дополнительными встроенными схемами для управления этим. В нашем примере Asus использует свою собственную конструкцию, выделенную красным цветом, под названием TPU (TurboV Processing Unit), которая регулирует тактовые частоты и напряжения до точного уровня управления и настройки.

Небольшое устройство Pm25LD512, расположенное рядом с неё и выделенное синим цветом, представляет собой микросхему Flash-памяти, в которой хранятся настройки часов и напряжения при выключении материнской платы, поэтому вам не нужно повторно настраивать их при каждом включении компьютера.

На каждой материнской плате есть хотя бы одно устройство Flash-памяти, и оно предназначено для хранения BIOS (основной операционной системы инициализации оборудования, которая запускает всё перед загрузкой Windows, Linux, macOS и т.д.).

1578682503513.png

Размер этого чипа Winbond составляет всего 8 МБ, но этого более чем достаточно, чтобы вместить всё необходимое программное обеспечение. Этот вид Flash-памяти предназначен для использования очень малого количества энергии и хранения данные в течение десятилетий.

Когда вы включаете компьютер, содержимое Flash-памяти копируется непосредственно в кэш ЦП или системную память, а затем запускается оттуда для максимальной производительности. Однако единственное, что эта память не может удержать, — это время.

CR2032

Эта материнская плата, как и все остальные, использует ячейку CR2032 для питания простой схемы синхронизации, которая отслеживает данные и время для материнской платы. Конечно, заряд батареи не вечен, и когда он кончится, материнская плата по умолчанию установит начальное время и дату во Flash-памяти.

Дай мне силы!

Для обеспечения напряжения и тока, необходимых для работы материнской платы и подключённых к ней устройств, блок питания компьютера (PSU) будет иметь несколько стандартных разъёмов для этой цели. Основным из них является 24-контактный разъём ATX12V версии 2.4.

Величина тока, который может быть подан с контактов, зависит от блока питания, но в промышленности установлены напряжения +3,3, +5 и +12 вольт.

1578682387171.png

Основная часть тока для процессора отводится от 12-вольтных контактов, но для современных систем высокого класса этого недостаточно. Чтобы обойти эту проблему, есть дополнительный 8-контактный разъём питания, который обеспечивает ещё четыре набора 12-вольтных контактов.

1578682427866.png

Разъёмы от блока питания имеют провода с цветовой кодировкой, чтобы помочь определить, для чего предназначен каждый провод, но разъёмы на материнской плате скажут не очень много. Вот схема для двух сокетов:

1578682558508.png

Линии +3,3, +5 и +12 В подают питание на различные компоненты самой материнской платы, а также обеспечивают питание процессора, DRAM и любых устройств, подключенных к разъёмам: слоты USB или PCI Express. Всё, что используют порты SATA, требует электропитания непосредственно от блока питания. Если устройству требуется больше питания, чем это возможно (к примеру, много видеокарт) тогда их тоже нужно подключить непосредственно к блоку питания.

Однако есть более серьёзная проблема, чем наличие достаточного количества выводов 12 В: процессоры не работают на этом напряжении.

Например, процессоры Intel, предназначенные для работы на материнской плате Asus Z97, имеют напряжение от 0,7 до 1,4 вольт. Это не фиксированное напряжение, потому что современные процессоры изменяют это значение, чтобы экономить электроэнергию и уменьшать теплоотдачу. Таким образом, при простое на рабочем столе процессор может отключиться с напряжением менее 0,8 вольт. Затем, когда все ядра полностью загружены и работают, оно возрастает до 1,4 В и более.

Блоки питания предназначены для преобразования напряжения переменного тока в сети (110 или 230 В, в зависимости от страны) в постоянный ток, поэтому необходимо использовать дополнительные цепи для их понижения и при необходимости. Эти схемы называются модулями регулирования напряжения (сокращённо VRM) и могут быть легко обнаружены на любой материнской плате.

1578682601199.png

Каждый VRM обычно состоит из 4 компонентов:
  • 2 МОП-транзистора — сильноточные транзисторы переключения (синие);
  • 1 индуктор — также известный как дроссель (фиолетовый);
  • 1 конденсатор (желтый).
Каждую VRM называют фазой, и требуется несколько фаз, потому что одна не может 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. Они называются многофазными
широтно-импульсными модуляторами. Все эти вещи становятся очень горячими, когда они работают, поэтому они часто покрыты металлическим радиатором, чтобы 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.

Соединяя всё вместе

Прежде чем мы закончим наш обзор анатомии материнской платы, давайте кратко поговорим о том, как все эти устройства и разъёмы соединены вместе. Мы уже упоминали дорожки: проще говоря, это маленькие полоски меди. Вы можете увидеть некоторые из них на поверхности платы. Тем не менее, это всего лишь небольшое количество из требуемых тысяч дорожек. Остальные зажаты между несколькими слоями, которые составляют полную монтажную плату.

Простые, дешёвые материнские платы могут иметь только 4 слоя, но большинство сегодня имеют 6 или 8 — хотя добавление большего количества слоёв автоматически не улучшает ситуацию. Речь идёт о том, сколько всего дорожек необходимо и как важно держать их изолированными, чтобы они не мешали друг другу.

В заключение

Итак, у вас теперь есть представление о современной материнской плате для настольных ПК. Это большие, сложные печатные платы, заполненные процессорами, разъёмами и микросхемами памяти. В них используется так много интересных технологий, но мы часто забываем о них.

Если вам понравилась статья, не забудьте ею поделиться!
Источник:
 
DDDTK
Если мне не изменяет память, то напряжение выше 1,4 В на процессор означает, что имеет место запредельный разгон или же перед нами труп процессора.
 
Сверху Снизу