Płyta główna - Motherboard

Płyta główna (zwana także płytą główną , płytą główną lub płytą główną ) jest główną płytą drukowaną (PCB) w komputerach ogólnego przeznaczenia i innych systemach z możliwością rozbudowy. Przechowuje i umożliwia komunikację między wieloma kluczowymi elementami elektronicznymi systemu, takimi jak jednostka centralna (CPU) i pamięć , a także zapewnia złącza dla innych urządzeń peryferyjnych . W przeciwieństwie do płyty montażowej płyta główna zwykle zawiera ważne podsystemy, takie jak procesor centralny, kontrolery wejścia/wyjścia i pamięci chipsetu , złącza interfejsów i inne komponenty zintegrowane do ogólnego użytku.

Płyta główna oznacza w szczególności płytkę PCB z możliwością rozbudowy. Jak sama nazwa wskazuje, ta płyta jest często określane jako „matka” wszystkich komponentów podłączonych do niego, które często zawierają urządzenia peryferyjne, karty interfejsu i daughterboards : karty dźwiękowe , karty graficzne , karty sieciowe , adaptery magistrali hosta , karta telewizyjna , karty IEEE 1394 ; oraz wiele innych niestandardowych komponentów.

Systemowa płyta główna Dell Precision T3600 stosowana w profesjonalnych stacjach roboczych CAD. Wyprodukowano w 2012 r.

Podobnie termin płyta główna opisuje urządzenie z pojedynczą płytą i bez dodatkowych rozszerzeń lub możliwości, takich jak płytki sterujące w drukarkach laserowych, telewizorach, pralkach, telefonach komórkowych i innych systemach wbudowanych o ograniczonych możliwościach rozbudowy.

Płyta główna do osobistego komputera stacjonarnego; przedstawiający typowe komponenty i interfejsy znajdujące się na płycie głównej. Ten model jest zgodny z Baby AT (współczynnik kształtu) , używanym w wielu komputerach stacjonarnych.

Historia

Płyta główna komputera NeXTcube (1990) z mikroprocesorem Motorola 68040 pracującym z częstotliwością 25 MHz i cyfrowym procesorem sygnałowym Motorola 56001 z częstotliwością 25 MHz, do którego dostęp był bezpośrednio dostępny poprzez złącze z tyłu obudowy.

Przed wynalezieniem mikroprocesora komputer cyfrowy składał się z wielu płytek obwodów drukowanych w obudowie na karty z elementami połączonymi płytą montażową , zestawem połączonych ze sobą gniazd. W bardzo starych konstrukcjach przewody miedziane były dyskretnymi połączeniami między pinami złącza karty, ale płytki z obwodami drukowanymi wkrótce stały się standardową praktyką. Jednostka centralna (CPU), pamięć i urządzenia peryferyjne były umieszczone na oddzielnych płytkach drukowanych, które były podłączane do płyty montażowej. Przykładem tego typu systemu backplane jest wszechobecna magistrala S-100 z lat 70-tych.

Najpopularniejsze komputery lat 80., takie jak Apple II i IBM PC, opublikowały schematy i inną dokumentację, która pozwalała na szybką inżynierię wsteczną i wymianę płyt głównych innych firm. Zazwyczaj przeznaczone do budowy nowych komputerów kompatybilnych z wzorcami, wiele płyt głównych oferowało dodatkową wydajność lub inne funkcje i służyło do ulepszania oryginalnego sprzętu producenta.

Pod koniec lat 80. i na początku lat 90. opłacalne stało się przenoszenie coraz większej liczby funkcji peryferyjnych na płytę główną. Pod koniec lat 80. płyty główne komputerów osobistych zaczęły zawierać pojedyncze układy scalone (zwane również układami Super I/O ) zdolne do obsługi zestawu urządzeń peryferyjnych o niskiej prędkości: klawiatury i myszy PS/2 , stacji dyskietek , portów szeregowych i portów równoległych . Pod koniec lat 90. wiele płyt głównych do komputerów osobistych zawierało wbudowane funkcje audio, wideo, pamięci masowej i sieciowe klasy konsumenckiej, bez konieczności stosowania jakichkolwiek kart rozszerzeń ; zaawansowane systemy do gier 3D i grafiki komputerowej zwykle zachowywały tylko kartę graficzną jako oddzielny komponent. Komputery biznesowe, stacje robocze i serwery częściej wymagały kart rozszerzeń, aby uzyskać bardziej niezawodne funkcje lub większe prędkości; systemy te często miały mniej wbudowanych komponentów.

Laptopy i notebooki opracowane w latach 90. zawierały najpopularniejsze urządzenia peryferyjne. Obejmowało to nawet płyty główne bez komponentów, które można aktualizować, trend, który utrzymał się, gdy po przełomie wieków pojawiły się mniejsze systemy (takie jak tablety i netbooki ). Pamięć, procesory, kontrolery sieciowe, źródło zasilania i pamięć masowa byłyby zintegrowane z niektórymi systemami.

Projekt

Płyta główna Octek Jaguar V z 1993 roku. Płyta ta ma niewiele wbudowanych urządzeń peryferyjnych, o czym świadczy 6 slotów przewidzianych dla kart ISA oraz brak innych wbudowanych złączy zewnętrznych interfejsów. Zauważ, że duże złącze klawiatury AT z tyłu po prawej jest jedynym interfejsem peryferyjnym.
Płyta główna Samsung Galaxy SII ; prawie wszystkie funkcje urządzenia są zintegrowane na bardzo małej płytce

Płyta główna zapewnia połączenia elektryczne, za pomocą których komunikują się inne komponenty systemu. W przeciwieństwie do płyty montażowej zawiera również jednostkę centralną oraz inne podsystemy i urządzenia.

Typowy komputer stacjonarny ma swój mikroprocesor , pamięć główną i inne niezbędne elementy podłączone do płyty głównej. Inne komponenty, takie jak pamięć zewnętrzna , kontrolery do wyświetlania obrazu i dźwięku oraz urządzenia peryferyjne mogą być podłączone do płyty głównej jako karty wtykowe lub za pomocą kabli; w nowoczesnych mikrokomputerach coraz częściej integruje się niektóre z tych urządzeń peryferyjnych z samą płytą główną.

Ważnym elementem płyty głównej jest chipset obsługujący mikroprocesor , który zapewnia interfejsy pomocnicze między procesorem a różnymi magistralami i komponentami zewnętrznymi. Ten chipset określa do pewnego stopnia cechy i możliwości płyty głównej.

Nowoczesne płyty główne obejmują:

Ponadto prawie wszystkie płyty główne zawierają logikę i złącza do obsługi powszechnie używanych urządzeń wejściowych, takich jak USB dla myszy i klawiatur . Wczesne komputery osobiste, takie jak Apple II czy IBM PC, zawierały na płycie głównej tylko tę minimalną obsługę urządzeń peryferyjnych. Od czasu do czasu z płytą główną integrowano również sprzęt interfejsu wideo; na przykład na Apple II, a rzadko na komputerach klasy PC, takich jak IBM PC Jr . Dodatkowe urządzenia peryferyjne, takie jak kontrolery dysków i porty szeregowe, zostały dostarczone jako karty rozszerzeń.

Biorąc pod uwagę wysoką wydajność termiczną szybkich procesorów i komponentów komputerowych, nowoczesne płyty główne prawie zawsze zawierają radiatory i punkty mocowania wentylatorów, które rozpraszają nadmiar ciepła.

Współczynnik kształtu

Płyty główne są produkowane w różnych rozmiarach i kształtach, zwanych komputerowymi współczynnikami kształtu , z których niektóre są specyficzne dla poszczególnych producentów komputerów. Jednak płyt stosowane w systemach kompatybilnych z IBM są dostosowane do różnych przypadków rozmiary. Od 2005 roku większość płyt głównych do komputerów stacjonarnych wykorzystuje format ATX — nawet te spotykane w komputerach Macintosh i Sun , które nie zostały zbudowane z komponentów standardowych. Wszystkie płyty główne obudowy i zasilacz (PSU) muszą się zgadzać, chociaż niektóre mniejsze płyty główne z tej samej rodziny będą pasować do większych obudów. Na przykład obudowa ATX zwykle pomieści płytę główną microATX . Laptopy zazwyczaj korzystają z wysoce zintegrowanych, zminiaturyzowanych i dostosowanych płyt głównych. Jest to jeden z powodów, dla których laptopy są trudne w modernizacji i drogie w naprawie. Często awaria jednego elementu laptopa wymaga wymiany całej płyty głównej, co jest zwykle droższe niż w przypadku płyty głównej do komputera stacjonarnego

Gniazda procesora

Gniazdo CPU (jednostka centralna) lub gniazdo jest element elektryczny, który łączy się z płytce drukowanej (PCB) i jest przeznaczona do pomieszczenia CPU (zwany także mikroprocesor). Jest to specjalny typ gniazda układu scalonego zaprojektowanego do bardzo dużej liczby pinów. Gniazdo procesora zapewnia wiele funkcji, w tym fizyczną strukturę wspierającą procesor, obsługę radiatora, ułatwiającą wymianę (a także redukcję kosztów), a co najważniejsze, tworzenie interfejsu elektrycznego zarówno z procesorem, jak i płytką drukowaną. Gniazda procesorów na płycie głównej najczęściej można znaleźć w większości komputerów stacjonarnych i serwerowych (laptopy zazwyczaj używają procesorów do montażu powierzchniowego), szczególnie tych opartych na architekturze Intel x86 . Typ gniazda procesora i chipset płyty głównej muszą obsługiwać serię i szybkość procesora.

Zintegrowane urządzenia peryferyjne

Schemat blokowy płyty głównej z początku XXI wieku, która obsługuje wiele wbudowanych funkcji peryferyjnych, a także kilka gniazd rozszerzeń

Wraz ze stale spadającymi kosztami i rozmiarami układów scalonych , możliwe jest teraz włączenie obsługi wielu urządzeń peryferyjnych na płycie głównej. Łącząc wiele funkcji na jednej płytce drukowanej można zmniejszyć fizyczny rozmiar i całkowity koszt systemu; wysoce zintegrowane płyty główne są zatem szczególnie popularne w komputerach o niewielkich rozmiarach i budżetowych.

Gniazda kart peryferyjnych

Typowa płyta główna będzie miała różną liczbę połączeń w zależności od jej standardu i współczynnika kształtu .

Standardowa, nowoczesna płyta główna ATX zazwyczaj ma dwa lub trzy złącza PCI-Express x16 dla karty graficznej, jedno lub dwa starsze gniazda PCI dla różnych kart rozszerzeń oraz jedno lub dwa złącza PCI-E x1 (które zastąpiły PCI ). Standardowa płyta główna EATX będzie miała od dwóch do czterech połączeń PCI-E x16 dla kart graficznych oraz różną liczbę gniazd PCI i PCI-E x1. Czasami może mieć również gniazdo PCI-E x4 (różni się w zależności od marki i modelu).

Niektóre płyty główne mają dwa lub więcej gniazd PCI-E x16, aby umożliwić więcej niż 2 monitory bez specjalnego sprzętu lub wykorzystują specjalną technologię graficzną o nazwie SLI (dla Nvidii ) i Crossfire (dla AMD ). Umożliwiają one połączenie ze sobą od 2 do 4 kart graficznych, aby zapewnić lepszą wydajność podczas intensywnych zadań graficznych, takich jak gry, edycja wideo itp.

W nowszych płytach głównych gniazda M.2 są przeznaczone na dysk SSD i/lub kontroler interfejsu sieci bezprzewodowej .

Temperatura i niezawodność

Płyta główna laptopa z serii Vaio E (po prawej)
Płyta główna microATX z wadliwymi kondensatorami

Płyty główne są zazwyczaj chłodzone powietrzem, a radiatory często montowane są na większych układach w nowoczesnych płytach głównych. Niewystarczające lub niewłaściwe chłodzenie może spowodować uszkodzenie wewnętrznych elementów komputera lub jego awarię . Chłodzenie pasywne , czyli pojedynczy wentylator zamontowany na zasilaczu , wystarczało dla wielu procesorów komputerów stacjonarnych do późnych lat 90-tych; od tego czasu większość z nich wymaga zamontowania wentylatorów procesora i radiatorów , ze względu na rosnące częstotliwości taktowania i zużycie energii. Większość płyt głównych ma złącza dla dodatkowych wentylatorów komputera i zintegrowane czujniki temperatury do wykrywania temperatury płyty głównej i procesora oraz kontrolowane złącza wentylatorów, które BIOS lub system operacyjny może wykorzystać do regulacji prędkości wentylatora. Alternatywnie komputery mogą używać systemu chłodzenia wodą zamiast wielu wentylatorów.

Niektóre komputery o niewielkich rozmiarach i komputery kina domowego zaprojektowane z myślą o cichej i energooszczędnej pracy mają konstrukcję bez wentylatora. Zwykle wymaga to użycia procesora o niskim poborze mocy, a także starannego rozmieszczenia płyty głównej i innych komponentów, aby umożliwić umieszczenie radiatora.

Badanie z 2003 r. wykazało, że niektóre fałszywe awarie komputerów i ogólne problemy z niezawodnością, od zniekształceń obrazu na ekranie po błędy odczytu/zapisu we/wy , można przypisać nie oprogramowaniu lub sprzętowi peryferyjnemu, ale starzejącym się kondensatorom na płytach głównych komputerów PC. Ostatecznie okazało się, że jest to wynikiem wadliwego składu elektrolitu, problemu zwanego plagą kondensatorów .

Nowoczesne płyty główne wykorzystują kondensatory elektrolityczne do filtrowania prądu stałego rozprowadzanego na płycie. Kondensatory te starzeją się w tempie zależnym od temperatury, ponieważ ich elektrolity na bazie wody powoli odparowują. Może to prowadzić do utraty pojemności i kolejnych awarii płyty głównej z powodu niestabilności napięcia . Podczas gdy większość kondensatorów jest przystosowana do 2000 godzin pracy w temperaturze 105 °C (221 °F), ich przewidywana żywotność projektowa podwaja się na każde 10 °C (18 °F) poniżej tej wartości. W temperaturze 65 °C (149 °F) można oczekiwać żywotności od 3 do 4 lat. Jednak wielu producentów dostarcza kondensatory niespełniające norm, co znacznie skraca żywotność. Nieodpowiednie chłodzenie obudowy i podwyższone temperatury wokół gniazda procesora potęgują ten problem. Dzięki górnym dmuchawom elementy płyty głównej można przechowywać w temperaturze poniżej 95°C (203°F), skutecznie podwajając żywotność płyty głównej.

Z drugiej strony płyty główne ze średniej i wyższej półki wykorzystują wyłącznie solidne kondensatory. Za każde 10 °C mniej, ich średnia żywotność jest mnożona około trzy razy, co daje 6-krotnie dłuższą oczekiwaną długość życia w 65 °C (149 °F). Kondensatory te mogą być oceniane na 5000, 10000 lub 12000 godzin pracy w temperaturze 105 °C (221 °F), wydłużając przewidywaną żywotność w porównaniu ze standardowymi kondensatorami stałymi.

W komputerach stacjonarnych i notebookach rozwiązania chłodzenia i monitorowania płyty głównej są zwykle oparte na Super I/O lub Embedded Controller .

Bootstrapping przy użyciu podstawowego systemu wejścia/wyjścia

Płyty główne zawierają pamięć ROM (a później EPROM , EEPROM , NOR flash ) do inicjalizacji urządzeń sprzętowych i ładowania systemu operacyjnego z urządzenia peryferyjnego . Mikrokomputery, takie jak Apple II i IBM PC, wykorzystywały chipy ROM montowane w gniazdach na płycie głównej. Po włączeniu centralny procesor ładuje swój licznik programu adresem rozruchowej pamięci ROM i rozpoczyna wykonywanie instrukcji z rozruchowej pamięci ROM. Instrukcje te zainicjowały i przetestowały sprzęt systemowy, wyświetlały informacje o systemie na ekranie, wykonywały kontrole pamięci RAM , a następnie ładowały system operacyjny z urządzenia peryferyjnego. Gdyby żaden nie był dostępny, komputer wykonywałby zadania z innych sklepów ROM lub wyświetlał komunikat o błędzie, w zależności od modelu i konstrukcji komputera. Na przykład, zarówno Apple II, jak i oryginalny IBM PC miały Cassette BASIC (ROM BASIC) i uruchomiłyby to, gdyby żaden system operacyjny nie mógł zostać załadowany z dyskietki lub dysku twardego.

Większość nowoczesnych wzorów płyt używać BIOS , przechowywany w pamięci EEPROM lub NOR Flash chipie przylutowane lub gniazdowo na płycie głównej, aby uruchomić się system operacyjny . Gdy komputer jest włączony, oprogramowanie układowe BIOS testuje i konfiguruje pamięć, obwody i urządzenia peryferyjne. Ten autotest po włączeniu zasilania (POST) może obejmować testowanie niektórych z następujących rzeczy:

Wiele płyt głównych używa teraz następcy BIOS-u o nazwie UEFI . Stał się popularny po tym, jak Microsoft zaczął wymagać od niego certyfikacji systemu Windows 8 .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki