Материнская плата персонального компьютера

Пример материнской платы и схематичное изображение ее компонентов показаны на рис. 1.6.

На современной материнской плате, как правило, находятся следующие компоненты системы:

Ø Процессорный разъем. В него вставляется процессор. Тип процессорного разъема на материнской плате однозначно определяет производителя и семейство процессоров, которые можно установить на данную плату.

Рис. 1.6 Материнская плата ASUS M4A77T-USB3, внешний вид и схема расположения элементов:
1 – разъемы для подключения вентиляторов; 2 – разъемы для блока питания; 3 – процессорный разъем; 4 – разъемы для оперативной памяти; 5 – кнопка режима, снижающего вероятность ошибок памяти (для энтузиастов разгона компьютера, фирменная технология ASUS); 6 – светодиод, загорающийся при ошибке в памяти (только на платах ASUS этой серии); 7 – разъем IDE для накопителей старого поколения; 8 – разъемы SATA для накопителей нового поколения; 9 – светодиод, показывающий, что плата под напряжением; 10 – разъем для подключения органов управления на передней панели корпуса компьютера; 11 – разъемы для подключения дополнительных выносных разъемов USB (на переднюю или заднюю панель) или внутренних USB устройств; 12 – перемычка, перестановка которой сбрасывает настройки материнской платы; 13 – разъем параллельного порта LPT; 14 – разъем цифрового входа звука от плат расширения; 15 – разъем вывода звука на разъемы передней панели корпуса компьютера. Также ниже разъема процессора, цифрами не отмечены: главный системный контроллер; разъемы PCI Express X1, X16, еще один X1; правее – батарейка для хранения настроек материнской платы и вспомогательный системный контроллер; ниже три разъема шины PCI. В левой верхней части платы собраны разъемы, выходящие на заднюю часть системного блока.

Ø Разъемы (слоты) для оперативной памяти. На современных материнских платах их чаще всего от 1 до 4. Это позволяет сначала заполнить памятью только часть разъемов, а затем, по мере увеличения потребности, докупить модули памяти и вставить их в свободные разъемы. Форма разъема позволяет установить в него модули памяти только одного поколения.

На некоторых платах разъемы окрашены в разные цвета. Связано это с тем, что центральный процессор может работать с модулями памяти в слотах одного цвета одновременно (а не по очереди, так называемый двухканальный режим работы памяти). Установка двух модулей в слоты одного цвета повысит общее быстродействие компьютера (обычно на несколько процентов), в слоты разных цветов – нет. Двухканальный режим будет доступен только если модули памяти в слотах одного цвета будут иметь одинаковые параметры!

Ø Системный контроллер платы, он же чипсет (англ. Chip Set – «Набор микросхем») представляет собой одну или две большие микросхемы. Предназначен для связи центрального процессора со всеми остальными устройствами компьютера. При работе микросхемы чипсета выделяют тепло, поэтому на него устанавливается металлический радиатор для охлаждения (на некоторых платах дополнительно устанавливают и вентилятор обдува радиатора чипсета).

Системный контроллер организует на материнской плате работу различных шин передачи данных. Шина представляет собой совокупность электрических проводников, позволяющих подключить к ним несколько различных устройств. При этом системный контроллер гарантирует, что устройства смогут работать одновременно, не мешая друг другу.

В последнее время в персональных компьютерах реализуются следующие виды шин:

· Различные сверхскоростные процессорные шины для связи центрального процессора с системным контроллером. Подключение других устройств к таким шинам невозможно;

· PCI (англ. Peripheral Component Interconnect – «Взаимосвязь периферийных компонентов»). Наиболее популярная шина в прошлом. До сих пор на многих материнских платах предусмотрены разъемы PCI для старых плат расширения, нетребовательных к скорости передачи данных.

· PCI Express – более современная шина, пришедшая на смену шине PCI. Это последовательная шина (в отличие от параллельной шины PCI) – передача данных осуществляется по трем парам проводников (линии)бит за битом. Скорость передачи данных (для версии 1.0) приблизительно в два раза больше, чем у шины PCI. С электрической точки зрения PCI Express – не шина. К линии PCI Express можно подключить только одно устройство. Однако из чипсета выходит несколько линий (до 40 у последних чипсетов), поэтому к каждой плате расширения подводится своя линия PCI Express. Некоторые устройства могут одновременно использовать до 16 линий.

Через некоторое время после появления шины PCI Express 1.0 появился стандарт 2.0 с вдвое большей скоростью передачи данных. Недавно появился вариант 3.0, где скорость передачи данных снова удвоилась. Устройства разных стандартов совместимы между собой, и любое устройство можно вставить в разъем любой версии. При несовпадении версий максимальная скорость, естественно, будет недостижима.

· USB (англ. Universal Serial Bus – «Универсальная последовательная шина»). Весьма популярная шина для подключения к компьютеру внешних устройств. USB-устройства могут также устанавливаются внутри системного блока. В настоящее время по шине USB подключаются клавиатуры, мыши, принтеры, сканеры, радиомодули Bluetooth и Wi-Fi, портативные жесткие диски, Flash-накопители, приводы для работы со сменными дисками, цифровые фотоаппараты, web-камеры, мобильные телефоны, различное специализированное оборудование.

Версия шины USB 1.1 позволяла подключать к компьютеру периферийные устройства ввода-вывода, однако для комфортной работы с накопителями ее скорости было недостаточно (не более 1,5 Мбайт/с). USB 2.0 позволяла комфортно работать с внешними накопителями за счет скорости до 30 Мбайт/с. Появившаяся недавно шина USB 3.0 (стандарт рекомендует обозначать разъемы USB 3.0 синим цветом) имеет максимальную скорость до 625 Мбайт/с, что в несколько раз превышает скорость передачи данных существующих внешних устройств. Следует помнить, что для достижения такой скорости и разъем, и устройство, и соединяющий их кабель должны соответствовать стандарту USB 3.0. Если любой из перечисленных компонентов соответствует стандарту 2.0, работа устройства будет возможно, но на пониженной скорости.

Наконец, в 2013 году был разработан стандарт USD 3.1 с вдвое большей, по сравнению с USB 3.0 скоростью передачи данных. USB 3.1 использует новый разъем USB type C, который можно подключать в любой ориентации.

Шина USB позволяет передавать питание на внешние устройства. Благодаря этому удалось создать USB-сканеры, Flash-накопители, USB-жесткие диски, не требующие внешнего источника питания, а также появилась возможность заряжать аккумуляторы мобильных устройств от USB разъема. Также существуют устройства (фонарики, вентиляторы, сувениры), которые только получают питание от USB разъема.

USB – также электрически не совсем шина. Кабель может соединить друг с другом только два устройства. Однако одно из них может быть разветвителем (USB-хабом), и к нему, в свою очередь, можно подключить еще несколько USB устройств, в том числе USB-хабов (максимум 127 устройств). Пассивный USB-хаб потребляет небольшую часть электрической мощности USB разъема, а оставшуюся мощность делит между своими выходными разъемами. Если к хабу нужно подключить устройство, требующее питания (жесткий диск, сканер, несколько Flash-накопителей), понадобится активный USB-хаб, оснащаемый своим собственным блоком питания.

Ø Слоты для плат расширения позволяют подключать различные платы расширения к шинам компьютера. Современные материнские платы имеют небольшое число таких слотов, так как большинство устройств уже интегрировано в плату. В современных платах встречаются слоты шины PCI Express X1, реже X2 или X4 (с 2 или 4 линиями шины PCI Express в разъеме), а также от 1 до 3 разъемов шины PCI для совместимости со старыми платами расширения.

Ø Разъем для видеоадаптера. Видеоадаптер во многих случаях (особенно при работе с трехмерной графикой) требует быстрого переноса огромных объемов данных из оперативной памяти компьютера в видеопамять, поэтому ему традиционно выделяется отдельный разъем. В то время, когда основной шиной компьютера была шина PCI, для видеоадаптера был создан специальный разъем AGP (англ. Accelerated Graphics Port – «Ускоренный графический порт»). В настоящее время для видеоадаптера применяется разъем PCI Express X16, к которому подводится 16 линий шины PCI Express.

Некоторые материнские платы позволяют установить два, и даже три видеоадаптера (для повышения производительности в графических программах). В этом случае на плате предусматривается 2 или 3 разъема PCI Express X16 (на самом деле, ко всем разъемам, кроме одного, подводится только по 8 линий шины).

Ø Разъемы для подключения накопителей (жестких дисков и приводов оптических дисков). В прошлом основным интерфейсом для приводов жестких и оптических дисков был параллельный интерфейс IDE (англ. Integrated Drive Electronics – «Электроника интегрируется в привод», другие названия – ATA, англ. AT Attachment – «Подключение в компьютерах серии AT», pATA, Parallel ATA – «параллельный АТА»). Передача данных происходила по 40-жильному кабелю (шлейфу). Для снижения помех и достижения более высокой скорости передачи данных 40-жидбный кабель заменяли полностью совместимым с ним 80-жильным. К одному IDE разъему на материнской плате можно было подключить два разных устройства. При этом перемычками на самих устройствах одному из них необходимо было задать роль первого устройства (англ. Master – «Повелитель»), а другому – второго (англ. Slave – «Раб»).

Сейчас на смену параллельному интерфейсу IDE пришел последовательный интерфейс SATA (англ. Serial ATA – «Последовательный АТА»). Передача данных ведется по 7-жильному кабелю в полтора раза быстрей. В дальнейшем были созданы интерфейсы SATA2 и SATA3, каждый вдвое быстрее предыдущего. В отличие от IDE, у SATA все просто: один разъем – одно устройство.

Интерфейсы SATA, SATA2 и SATA3 совместимы между собой и отличаются только максимальной скоростью. Если на материнской плате имеются одновременно разъемы интерфейсов SATA2 и SATA3, последние чаще всего обозначаются другим цветом.

Ø Разъемы для подключения органов передней панели и выносных портов. На передней панели корпуса компьютера чаще всего присутствуют кнопки включения питания и общего сброса, индикаторы питания и активности жестких дисков. У современных корпусов на переднюю панель также выводятся разъемы шины USB и разъемы для наушников и микрофона. Внутри корпуса встраивается системный динамик, издающий звук в случае критических неполадок. Провода от всех этих устройств должны быть подключены к соответствующим разъемам на материнской плате. Некоторые дополнительные разъемы (устаревший параллельный порт, еще несколько портов шины USB) можно вынести и на заднюю панель, заняв ими место одной из плат расширения. Для этого применяются планки с выносными портами, кабели которых также подключаются к разъемам на материнской плате

Ø Разъемы для вентиляторов. Современные материнские платы в состоянии контролировать вращение вентиляторов. В случае заклинивания вентилятора плата прекратит подачу напряжения на процессор и подаст аварийный сигнал. Также у современных плат появилась возможность управлять скоростью (и шумом) вентилятора автоматически в зависимости от нагрузки на процессор и его тепловыделения. Чтобы реализоватьэти функции, вентиляторы необходимо подключать к соответствующим разъемам на материнской плате.

Ø Разъемы питания. Традиционно материнская плата получала энергию от блока питания через мощный 20-контактный разъем. Появление шины PCI Express потребовало увеличить мощность, и 20-контактный разъем дооснастили еще 4 контактами (на современных блоках питания дополнительные 4 контакта можно отстегнуть и убрать в сторону для совместимости со старыми платами). Также при помощи отдельного разъема (4 или 8-контактного) питание подается непосредственно на систему питания центрального процессора компьютера.

Также каждая материнская плата имеет свой набор разъемов, выходящих на заднюю панель (пример показан на рис. 1.7):

Ø PS/2 порты до недавнего времени являлись основным способом подключения к компьютеру клавиатуры и мыши. Мыши всегда соответствует зеленый цвет, клавиатуре – фиолетовый (при подключении наоборот устройства работать не будут). Порты устаревают, так как все больше клавиатур и мышей подключаются через разъемы USB. На платах последних лет можно встретить 1 PS/2 порт, раскрашенный в оба цвета (к нему можно подключить или клавиатуру, или мышь, устройство будет опознано автоматически). Следует быть внимательным: если подключить устройство к порту работающего компьютера, порт может выйти из строя.

Рис. 1.7 Разъемы материнской платы Gigabyte GA-870A-UD3, выходящие на заднюю панель:
1 – устаревший PS/2 порт для мыши и клавиатуры (комбинированный); 2 – порты USB 2.0 (всего 8 штук);3 – разъем интегрированного сетевого контроллера с индикаторами скорости соединения и передачи данных; 4 – выходы звука на дополнительные 6 из 8 акустических систем; 5 – линейный вход для оцифровки и записи звука; 6 – выход звука на основные 2 из 8 акустических систем; 7 – вход микрофона; 8 – цифровой выход звука под оптоволоконный кабель; 9 – цифровой выход звука под обыкновенный медный кабель; 10 – порты USB 3.0;
11 – порты eSATA для высокоскоростного подключения внешних жестких дисков; 12 – порты IEEE1394 (DV и MiniDV) для подключения цифровых видеокамер или высокоскоростного соединения двух компьютеров

Существуют переходники с разъемов USB на PS/2 и наоборот. С электрической точки зрения эти порты абсолютно разные, и переходник будет работать только с тем устройством, с которым он шел в комплекте (такое устройство должно само распознать подключение через переходник и активировать нужный режим).

Порты PS/2 на некоторых материнских платах позволяли осуществлять включение системного блока нажатием на клавиши клавиатуры или щелчком кнопкой мыши. Подключение клавиатуры или мыши по шине USB не поддерживает эту функцию, позволяя лишь выводить компьютер из режима пониженного энергопотребления.

Ø Последовательный порт COM (от англ. Communication – «Соединение») и параллельный порт LPT (англ. Line Print Terminal – «Терминал построчной печати») морально устарели, но все еще встречаются в некоторых материнских платах для совместимости со старыми устройствами. Сейчас данные порты применяются лишь для подключения узкоспециализированного оборудования либо энтузиастами для подключения к компьютеру самодельных устройств. Если таких портов на плате нет, их можно добавить при помощи плат расширения или переходников с шины USB.

Ø USB порты применяются для подключения большинства периферийных устройств. Шина USB спроектирована так, что включение и выключение устройств при работающем компьютере («горячее подключение») не может повредить электронные компоненты. Однако вызвать программный сбой и привести к потере данных неожиданное отключение устройства вполне в состоянии.

Ø Звуковые входы и выходы имеют традиционную раскраску: салатовый – громкоговорители/наушники, розовый – микрофон. Однако функции разъемов можно перенастроить. На некоторых платах 6 разъемов, а не 3. Тогда можно подключить одновременно и микрофон, и 8 громкоговорителей. Также многие современные материнские платы имеют цифровой выход звука под медный или оптоволоконный кабель, позволяющий подключить компьютер к процессору (ресиверу) объемного звука домашнего кинотеатра.

Ø Разъем интегрированного сетевого адаптера служит для объединения компьютеров в вычислительную сеть. Чаще всего рядом с разъемом располагаются два светодиода. Один показывает работу сети (не горит – нет содинения, горит – есть, мигает – передаются данные), второй своим цветом показывает скорость соединения.

Ø Разъемы типа eSATA для высокоскоростного подключения внешних жестких дисков. Интерфейс eSATA имеет несколько иные электрические характеристики по сравнению с интерфейсом SATA, что позволяет использовать кабель длиной до 2 метров (у SATA – только 0,5 метра). Таким образом можно получить более высокие скорости передачи данных по сравнению с USB 2.0 (и даже USB 3.0). Как и SATA, eSATA поддерживает «горячее подключение» устройств, однако, в отличие от шины USB, при подключении по eSATA накопителю будет необходим отдельный блок питания.

Ø Разъемы интегрированного видеоадаптера (если таковой имеется) служат для подключения монитора или проектора (см. ниже). Наиболее старым является аналоговый VGA разъем(англ. Video Graphic Adapter), более новый DVI (англ. Digital Visual Interface – «Цифровой видео интерфейс») обеспечивает более высокое качество изображения за счет передачи сигнала в цифровом виде. Наконец, интерфейс HDMI (англ. High Definition Multimedia Interface – «Мультимедийный интерфейс высокой четкости») позволяет передавать и изображение, и звук на большинство современных телевизоров.На платах видеоадаптеров обычно присутствуют такие же разъемы. На некоторых старых видеоадаптерах предусматривался аналоговый выход для подключения к телевизорам (TV-OUT).