материнська плата

Матери́нська пла́та (англ. motherboard), відома також як головна плата (англ. mainboard), системна плата - плата, на якій містяться основні компоненти комп'ютера, що забезпечують логіку роботи. Назва походить від англійського motherboard, іноді використовується скорочення MB або слово mainboard — головна плата.

Вміст

На материнській платі монтується чіпсет, це мікросхеми, які забезпечують і контролюють логіку функціонування плати, на платі також розташовуються розніми для підключення центрального процесора, графічної плати, звукової плати, твердих дисків, оперативної пам'яті і інші розніми.

Всі основні електронні схеми комп'ютера і необхідні додаткові пристрої включаються в материнську плату, або підключаються до неї за допомогою слотів розширення. Найважливішою частиною материнської плати є чіпсет, який складається, як правило, з двох частин — північного моста (Northbridge) і південного моста (Southbridge). Зазвичай північний і південний міст розташовані на окремих мікросхемах. Саме північний і південний мости визначають, в значній мірі, особливості материнської плати і те, які пристрої можуть підключатися до неї.

Сучасна материнська плата ПК, як правило, включає чіпсет, що здійснює взаємодію центрального процесора з ОЗП і основною оперативною пам'яттю, з портами вводу/виводу, із слотами розширення PCI Express, PCI, а також, зазвичай, з USB, SATA і IDE/ATA. Більшість пристроїв, які можуть приєднуватися до материнської плати, роблять це за допомогою одного або декількох слотів розширення або сокетів, а деякі сучасні материнські плати підтримують бездротові пристрої, що використовують протоколи IrDA, Bluetooth, або 802.11 (Wi-Fi). На сайті фірми Intel приведений докладний опис її материнських плат, див. наприклад http://www.intel.com/cd/products/services/emea/rus/motherboards/321879.htm.

На системній платі містяться монтованими: слоти DIMM для установки модулів пам'яті типа SDRAM/DDR/DDR2/.. (різні для кожного типу пам'яті). Найчастіше їх 3-4, хоча на компактних платах можна зустріти тільки 1 або 2 таких слота; спеціалізований рознім типа AGP або PCI-Express для установки відеокарти. Втім, останнім часом, з поголовним переходом на відеоінтерфейс останнього типу, часто-густо зустрічаються плати з двома, а то і з трьома відеорознімами. Також зустрічаються і системні плати (з найдешевших) без відеорознімів взагалі - їхні чіпсети мають вбудоване графічне ядро, і зовнішня графічна карта для них необов'язкова; поруч із слотами для відеокарт зазвичай знаходяться слоти для підключення додаткових карт розширення стандартів PCI або PCI-Express х1 (раніше зустрічалися ще і слоти ISA, але зараз такі плати - музейна рідкість); наступна досить важлива група рознімів - інтерфейси (IDE і/або сучасніший Serial ATA) для підключення дискових накопичувачів - жорстких дисків і оптичних приводів. Також там досі знаходиться рознім для floppy-дисковода (3,5" дискети), хоча все йде до того, що від нього незабаром остаточно відмовляться. Всі дискові накопичувачі підключаються до системної плати за допомогою спеціальних кабелів, в розмовній мові також званих "шлейфами"; недалеко від процесора розташовуються розніми для підключення живлення (частіше за всього два типи - 24-контактний ATX і 4-контактний ATX12V для додаткової лінії +12 V) і двух-, трьох- або чотири-фазний модуль регулювання напруги VRM (Voltage Regulation Module), що складається з силових транзисторів, дроселів і конденсаторів. Цей модуль перетворює, стабілізує і фільтрує напругу, що подається від блоку живлення; задню частину системної плати займає панель з рознімами для підключення додаткових зовнішніх пристроїв - монітора, клавіатури і миші, мережних-, аудіо- і USB-пристроїв тощо. окрім перелічених слотів і рознімів, на будь-якій системній платі є велика кількість допоміжних джамперів (перемичок) і рознімів. Це можуть бути і контакти для підключення системного динаміка, кнопок і індикаторів на передній панелі корпусу, і розніми для підключення вентиляторів, і контактні колодки для підключення додаткових аудіорознімів і рознімів USB і FireWire.

На кожній системній платі в обов'язковому порядку є спеціальна мікросхема пам'яті, найчастіше встановлена в спеціальну панельку; втім, окремі виробники, з метою економії впаюють її в плату. Мікросхема містить прошивку BIOS, плюс батарею, яка забезпечує живлення при зникненні зовнішньої напруги. Таким чином, за допомогою всіх цих слотів і рознімів, а також додаткових контролерів, системна плата об'єднує всі пристрої, що входять до складу комп'ютера, в єдину систему.

Комплектація

Сучасні материнські плати постачаються як правило в окремих коробках, і комплектуються всіма необхідними кабелями для підключення периферії всередені корпуса комп'ютера, і пластиною для зовнішньої периферії документацією (необхідна для конфігурування) драйверами для інтегрованих на платі компонентів і додатковим програмним забезпеченням

Варіант постачання для виробників комп'ютерів (OEM) для економій витрат містить два десятки плат к одній коробці, але з повною комплектацією.

Класифікація материнських плат за форм-фактором

Форм-фактор материнської плати — стандарт, що визначає розміри материнської плати для персонального комп'ютера, місця її кріплення до корпусу; розташування на ній інтерфейсів шин, портів вводу/виводу, сокета центрального процесора (якщо він є) і слотів для оперативної пам'яті, а також тип розніму для підключення блоку живлення.

Форм-фактор (як і будь-які інші стандарти) носить рекомендаційний характер, проте переважна більшість виробників намагаються їх дотримуватися, оскільки ціною відповідності існуючим стандартам є сумісність материнської плати і стандартизованого устаткування (периферії, карт розширення) інших виробників. Застарілими вважаються: Baby-AT; Mini-ATX; повнорозмірна плата AT; LPX. Сучасними вважаються: АТХ; microATX; Flex-АТХ; NLX; WTX. Впроваджуваними вважаються: Mini-ITX і Nano-ITX; Pico-ITX; BTX, MicroBTX і PicoBTX.

Існують материнські плати невідповідні жодним з існуючих форм-факторів (див. таблицю). Зазвичай це обумовлено або тим, що вироблюваний комп'ютер вузько спеціалізований, або бажанням виробника материнської плати самостійно проводити і периферійні пристрої до неї, або неможливістю використання стандартних компонентів (так званий «бренд», наприклад Apple Computer, Commodore, Silicon Graphics, Hewlett Packard, Compaq частіше за інших ігнорували стандарти; крім того в нинішньому вигляді розподілений ринок виробництва сформувався тільки до 1987 р., коли багато виробників вже створили власні платформи). Розвиток архітектури материнських плат

Розвиток архітектури материнських плат

Функціонально материнську плату можна описати різним чином. Іноді така плата містить всю схему комп'ютера (одноплатні). В протилежність одноплатним, в шиноорієнтірованих комп'ютерах системна плата реалізує схему мінімальної конфігурації, решта функцій реалізується за допомогою численних додаткових плат. Всі компоненти з'єднуються шиною. У системній платі немає відеоадаптера, деяких видів пам'яті і засобів зв'язку з додатковими пристроями. Ці пристрої (плати розширення) додаються до системної плати шляхом приєднання до шини розширення, яка є частиною системної плати.

Перша материнська плата була розроблена фірмою IBM, і показана в серпні 1981 року (PC-1). У 1983 році з'явився комп'ютер зі збільшеною системною платою (PC-2). Максимум, що могла підтримувати PC-1 без використання плат расширенія — 64К пам'яті. PC-2 мала вже 256К, але найбільш важлива відмінність полягала в програмуванні двох плат. Системна плата PC-1 не могла без коректування підтримувати найбільш могутні пристрої розширення, таких, як жорсткий диск і покращені відеоадаптери.

Мікропроцесори Докладніше у статті: Мікропроцесор

Архітектура материнської плати безпосередньо залежить від зовнішньої архітектури мікропроцесора. У 1976 році фірма Intel почала посилено працювати над мікропроцесором 8086. Розмір його регістрів в порівнянні з 8080 був збільшений в два рази, що дало можливість збільшити його продуктивність в 10 разів. Крім того розмір інформаційних шин був збільшений до 16 розрядів, що дало можливість збільшити швидкість передачі інформації на мікропроцесор і з нього в два рази. Розмір його адресної шини також був істотно збільшений - до 20 біт. Це дозволило 8086 прямо контролювати 1М оперативної пам'яті.

У 1982 році Intel створила процесор 80286. Замість 20-розрядної адресної шини 8088/8086, 80286 мав 24-розрядну шину. Ці додаткові 4 розряди давали можливість збільшити максимум пам'яті, що адресувалася, до 16 М.

Intel 80386 був створений в 1985 році. Із збільшенням шини даних до 32 біт, число адресних ліній також було збільшене до 32. Саме по собі це розширення дозволило мікропроцесору прямо звертатися до 4Гб фізичної пам'яті. Крім того він міг працювати з 16 трильйонами байт віртуальної пам'яті. Існує модифікація процесора Intel 80386 — 386SX. Головна відмінність його від 80386 це 16-бітовий вхід/вихід шини даних. Як наслідок його внутрішні регістри заповнюються в два кроки. Всі процесори сімейства 486 мають 32-розрядну архітектуру, внутрішню кеш-пам'ять 8 Кб (у DX4 - 16 КВ). Моделі SX не мали вбудованого співпроцесора, він був винесений на плату. Моделі DX2 реалізують механізм внутрішнього подвоєння частоти (наприклад, процесор 486DX2-66 встановлюється на 33-мегагерцовую системну плату), що дозволяє підняти швидкодію практично в два рази, оскільки ефективність кешування внутрішньої кеш-пам'яті складає майже 90 відсотків. Процесори сімейства DX4 486DX4-75 і 486DX4-100 призначені для установки на 25-ти і 33-мегагерцові плати.

Створені в середині 1989 і 1995 року процесори Pentium і Pentium Pro значно відрізнялися по своїй архітектурі від своїх попередників. У основу архітектури була покладена суперскалярна архітектура, яка і дала можливість отримати п'ятикратну продуктивність Pentium в порівнянні з моделлю 80486. Хоча Pentium проектувався як 32-розрядний, для зв'язку з рештою компонентів системи використовувалася зовнішня 64-розрядна шина.

Шини Докладніше у статті: Комп'ютерна шина

Комп'ютерна шина - це канал пересилки даних, що спільно використовується різними блоками системи. Інформація передається по шині у вигляді груп бітів. До складу шини для кожного біта слова може бути передбачена окрема лінія (паралельна шина), або всі біти слова можуть послідовно в часі використовувати одну лінію (послідовна шина).

Першою системною шиною, розробленою для комп'ютерів PC/XT, в основі яких лежали мікропроцесори, була шина PC/XT-bus. Вона була 8-и розрядною, а її контролер забезпечував роботу на чистоті мікропроцесора (4,77 мгц). З появою машин типа PC/AT, що використовували 16-и розрядні мікропроцесори 80286, а пізніше і 80386 (версія SX), була створена шина PC/AT-bus. У зв'язку із зростанням тактової частоти мікропроцесорів до 12-16 Мгц контролер виконував її ділення навпіл для забезпечення прийнятної тактової частоти роботи шини.

ISA Докладніше у статті: ISA

На базі цих двох шин був розроблений міжнародний стандарт ISA (англ. Industry Standard Architecture), що тривалий час широко використовувалася в комп'ютерах. Типова тактова частота — 8 Мгц. Ділення частоти залишається функцією контролерів системних шин, але оскільки відбулося подальше збільшення тактової частоти мікропроцесори до 25, 33 і 50 Мгц, коефіцієнт ділення був збільшений. Окрім збільшення розрядності збільшилася кількість переривань (IRQ) і каналів прямого доступу до пам'яті (DMA) (у ISA 15 і 7 відповідно), а також функціональних і діагностичних можливостей. У теж час зберігалася спадкоємність системних шин, зокрема на рівні контактів разнімів. Завдяки цьому в нових системах можна використовувати розроблені раніше контролери і карти. Теоретична пропускна спроможність шини — 16 Мбайт/с, практично вона нижче оскільки обмін даними по шині проводиться за три такти роботи процесора. Для слотів розширення на материнській платі комп'ютерів з шиною ISA-16 встановлюється стандартна пара разнімов (або один здвоєний рознім) з числом контактів 62+36, а на шині ISA-8 встановлюється розніми з 64-контактами.

EISA Докладніше у статті: EISA

З появою 32-розрядних мікропроцесорів 80386 (версія DX) фірмами Compaq, NEC і низкою інших була створена 32-розрядна шина EISA (англ. Extended ISA), повністю сумісна з ISA. Спадкоємність EISA з ISA забезпечується використанням “двоповерхового” розніму. Перший "поверх" — стандартна шина ISA, що дозволяє використовувати ISA контролери і карти, розроблені як для ISA-16, так навіть і для ISA-8. Шина EISA дозволяє автоматично проводити конфігурацію і арбітраж запитів на обслуговування (bus mastering), що вигідно її відрізняє від шини ISA.

Але через дорожнечу реалізації такі материнські плати не набули популярності.

VLB (VESA local bus) Докладніше у статті: VLB

Локальною шиною (англ. local bus) зазвичай називається шина, що електрично виходить безпосередньо на контакти мікропроцесора, тобто це шина процесора. Вона зазвичай об'єднує процесор, пам'ять, схеми буферизації для системної шини і її контролер, а також деякі інші допоміжні схеми. Роботи зі створення локальної шини велися різними фірмами паралельно, але врешті-решт була створена асоціація стандартів відео устаткування — англ. Video Equipment Standard Association (VESA). Перша специфікація на стандарт локальної шини з'явилася в 1992 році. Багато було запозичено з архітектури локальної шини 80486. Були розроблені тільки новий протокол обробки сигналів і топологія рознімов.

Первагою VLB є висока швидкість обміну інформації (шина могла працювати в системі з процесором 80486DX-50). Але виникає залежність від частоти роботи процесора (конструювання плат з широким частотним діапазоном). Електричне навантаження не дозволяє підключати більше трьох плат (на практиці часто два). Крім того, VLB не розрахована на використання з процесорами, що прийшов на заміну 486-у або що паралельно існували з ними: Alpha, PowerPC тощо. Тому з середині 1993 року з асоціації VESA вийшли ряд виробників на чолі з Intel. Ці фірми створили спеціальну групу для розробки нового альтернативного стандарту, названого Peripheral Component Interconnect (PCI).

PCI Докладніше у статті: PCI

Розробка шини і виробництво відповідних компонентів зайняли більше часу, ніж для VLB, і перші системи з шиною PCI з'явилися тільки рік потому. Строго кажучи шина PCI не є локальною, а відноситься до класу mezzanine bus, оскільки має між собою і локальною шиною процесора спеціальний вузол — узгоджуючий міст. При цьому стандарт PCI передбачає використання контроллера, який піклується про розділення управляючих сигналів шини і процесора, і здійснює арбітраж по шині PCI, а також акселератор. Це робить шину процесорно незалежною.

Стандарт PCI передбачає кілька способів підвищення пропускної спроможності. Один з них — блокова передача послідовних даних (наприклад графіка, дискові файли), що не вимагає часу на установку адреси кожного елементу. Більш того, акселератор може накопичувати інформацію в буферах, що забезпечує одночасний з читанням даних з пам'яті блоковий обмін з периферійним пристроєм. Другий спосіб прискорення передачі — мультиплексування — передбачає передачу послідовних даних по адресних лініях, що подвоює пропускну спроможність шини. Шина PCI використовує установку переривань за рівнем, що робить її надійнішою і привабливішою (на відміну від VLB). Ще одна відмінність — PCI працює на 33 Мгц, незалежно від частоти процесора. Теоретично пропускна спроможність шини 132 Мбайт/с. Реальна ж пропускна спроможність дещо більша половини від теоретичної. Стандарт PCI передбачає і 64-розрядну версію. Для 32-розрядної шини PCI використовується 124-контактний рознім, причому в ньому передбачені ключі і контакти, призначені для оцінки необхідного для роботи плати розширення напруги живлення (5В або 3,3В).

Виробники материнських плат

Більшу частину світового ринку материнських плат держать під собою тайванські виробники (які втім активно переносять виробництво у континентальний Китай). П'ять найбільших постачальників плат - це Asus, Micro-Star (MSI), Gygabyte, Elitegroup, Intel. В класі серверних материнських плат найбільшими виробниками є Intel та Supermicro.

В районі 2000 року помітних виробників материнських плат було більше, біля двох десятків. Але жорсткіші умови конкуренції змушують виробників другого ешелону або йти з ринку, або намагатися найти для себе нішеву спеціалізацію.