Материнская плата устройство и принцип работы. Что такое VRM, сокет, чипсет, BIOS, немного про контроллеры и разъёмы

Материнская плата — важная часть компьютера (ЭВМ) , так как это основная плата, к которой подключаются все основные компоненты, такие как процессор, оперативная память, видеокарта и накопители.

Она обеспечивает взаимодействие всех подключаемых к ней устройств, а представляет из себя многослойную печатную плату, на которой тонким слоем нанесены дорожки и установлены различные радио-элементы и разъёмы.

Лишь небольшая часть проводников находится снаружи, большая их часть скрыта внутри самой платы, так как она состоит из множества слоев, и включает в себя слой заземления, несколько силовых и сигнальных слоёв. Снаружи плата покрыта диэлектрическим лаком, который защищает дорожки от короткого замыкания и внешних воздействий.

Сбоку платы находится 24-контактный разъём ATX, через него от блока питания, плата получает основные напряжения 12, 5 и 3,3 вольта, эти напряжения получают различные компоненты на самой материнской плате и подключённые через разъёмы, например USB или PCI Express

Чуть выше центра платы находится сокет, это разъём для установки процессора, состоящий из большого массива контактов и прижимной пластины.
(Определенные процессоры могут работать только с определенным типом сокетов.)

Рядом с сокетом располагается 4(ATX12V) или 8(EPS12V) контактный разъём для питания процессора. На материнских платах предназначенных для установки мощных CPU, устанавливаются несколько таких разъёмов.

Но через них подаётся 12 вольт, а современные процессоры работают с напряжением чуть выше 1 вольта и это не фиксированное напряжение, в зависимости от нагрузки, оно может немного меняться, например: в простое, для экономии энергии и уменьшения нагрева, на процессор подаётся менее 0,8 В, а когда все ядра полностью загружены, оно возрастает до 1,4 в.

Поэтому вокруг процессорного сокета находятся модули регулирования напряжения или сокращённо VRM, они нужны для преобразования 12 вольт в напряжение необходимое процессору.

Один такой модуль или фаза, состоит из конденсатора, дросселя, двух мосфетов и драйвера. В современных платах драйвер и два мосфета объединены в один корпус.

Драйвер управляет процессами открытия-закрытия транзисторов с частотой, задаваемой ШИМ-контроллером, а катушка и конденсатор сглаживают напряжение с транзисторов.

Для получения более стабильного напряжения на процессор используют несколько фаз питания, импульсы которых смещены друг относительно друга. Управляет ими ШИМ-Контроллер, который находится рядом.

Обычно устанавливают от 4 до 8 реальных фаз, так как используют столько же фазный ШИМ-контроллеры. Если на плате установлено к примеру 16 фаз, то производитель использует делители, то есть сигнал с одного канала ШИМ-контролера распределяется на два драйвера.

Физически фаз больше, но работают они синхронно и поэтому они не сглаживают пульсации, а лишь позволяют установить более мощный процессор и уменьшить тепловыделение элементов.

Так же рядом с процессорным сокетом размещаются слоты для установки модулей оперативной памяти. У современных модулей рабочее напряжение 1.1 в, поэтому рядом со слотами тоже есть цепи питания, которые преобразовывают напряжение, но для DRAM используют одну или две фазы.

Количество слотов на материнской плате, зависит от контроллера памяти, который находится в процессоре или в северном мосте. Обычно это двухканальный контроллер, то есть шина памяти у него разделена на два канала, что позволяет осуществлять доступ к памяти не один раз за такт контроллера, а два.

На каждый канал можно установить до двух модулей DRAM, что даёт возможность установить 4 модуля оперативной памяти, если на материнской плате есть для них слоты. (Многие контроллеры памяти позволяют осуществлять доступ к памяти не один раз за такт контроллера, а два. Двухканальный режим означает, что два канала памяти будут работать параллельно, это повышает производительность)

В более мощных системах используется четырёхканальный контроллер и к плате можно подключить 8 модулей.

Есть несколько вариантов разводки шины DRAM: обычно используется Прямая, T-образная топология или Daisy Chain.

Прямая топология используется в ITX платах с двумя слотами памяти. С ней можно добиться высоких частот памяти при заполнении 2 слотов. (Электрические характеристики наилучшие)

Т-образная, оптимизированна для заполнения всех слотов памяти, у неё длина проводников до двух модулей одинаковая и с ней можно добиться хороших частот памяти при заполнении всех слотов, но стабильность работы при заполнении 2 слотов будет хуже.

Daisy Chain оптимизированна для установки одного модуля на канал, у неё длина проводников меньше чем с Т-образной и с ней можно добиться больших частот памяти, но стабильность работы при заполнении всех слотов, хуже.

Ниже слотов памяти, в левой части платы размещают разъемы PCI Express. Эти разъёмы предназначены для установки плат расширения.

Они бывают несколько типов, с разным количеством выделенных линий. X16 используются в основном для установки видеокарт, а остальные слоты для установки других плат расширения, например звуковых карт.

Маломощные карты получают питание от самого слота. В качестве силовых линий используются выводы на левой части разъема. Через них подключаемое устройство получает +12 и +3.3 вольта.

С помощью контактов на правой стороне происходит обмен данными. 8 контактов формируют одну линию PCI-E. 2 контакта используются на приём, два на передачу и 4 контакта земли. (Обмен сигналами производится с помощью дифференциальных сигналов по двум проводам, за один цикл передается 1 бит данных. При этом одновременно используется два сигнальных пина и два контакта земли.)

Скорость передачи данных через слот зависит от количества задействованных линий и версий PCIe. Их существует 5 версий и все они полностью совместимы. То есть при установке устройства с интерфейсом PCI Express 5.0 в плату с версией 4.0 устройство будет работать, но на скорости старой версии.

(Чем больше выделенных линий тем больше высокоскоростных устройств можно подключить к плате.)

Так же, рядом с разъемами PCI Express, иногда устанавливают разъём PCI — он нужен для подключения старых плат расширения и сейчас практически не используется.

Ещё на плату устанавливают один или несколько разъёмов М. 2(NGFF). Этот разъём используется для подключения специальных SSD и карт расширения. Их бывает 2 типа, с «B» и «M» ключом.

Правее, находится главный элемент материнской платы, это чипсет. Именно от него зависит какой процессор и какой тип оперативной памяти можно установить, сколько устройств можно подключить и как быстро, и стабильно все они будут работать.

Если посмотреть на блок схему, то видно что чипсет, состоит из двух микросхем: Северного моста и Южного.

Северный мост обеспечивает работу самых быстрых узлов компьютера. Он управляет работой шины процессора, контроллера ОЗУ и шины PCI Express. Именно он определяет какой тип памяти можно установить, её максимальный объём и в каких режимах она может работать. В некоторых случаях северный мост может содержать встроенный графический процессор.

(Во многих случаях именно параметры и быстродействие северного моста определяют выбор реализованных на материнской плате шин расширения (PCI, PCI Express) системы

Северный мост соединён с южным мостом посредством специальной шины или через несколько каналов из шины PCI Express.)

Южный мост обеспечивает работу медленных устройств: накопителей, портов ввода/вывода, сетевых интерфейсов и многих других. Он управляет связью между медленными компонентами

Северный и южный мост это классическая схема, в современных системах функции северного моста переносят в центральный процессор, из-за чего уменьшаются задержки и увеличивается производительность всей системы.

Поэтому чипсет в новых платах представлен одной микросхемой — южным мостом.

Так же важна микросхема BIOS. BIOS — это базовая система ввода-вывода, программа записанная во флэш-память, которая отвечает за проверку работоспособности контроллеров, встроенных в материнскую плату и большинства подключённых к ней устройств. Именно BIOS устанавливает базовые параметры работы, например, частоту работы системной шины, контроллера памяти, процессора.

(Иногда используют две микросхемы, для хранения текущей версии и резервная)

Рядом находится 3х вольтовая батарейка, она питает схему часов и память CMOS. Без неё бы сбрасывалось системное время и параметры работы некоторых устройств.

(CMOS-энергозависимая память с настройками BIOS)

На правом краю платы размещают SATA порты, они служат для подключения накопителей с интерфейсом SATA. Обычно с помощью чипсета реализуют 4 порта, а остальные с помощью внешних дополнительных контроллеров.

(Существует три версии SATA, это SATA 1.0, SATA 2.0 и SATA 3.0. Все эти версии полностью совместимы и отличаются только скоростью передачи данных. Для SATA 1.0 скорость составляет 1.5 Гбит/с, для SATA 2.0 – 3 Гбит/с, а для SATA 3.0 – 6 Гбит/с.)

На левом краю материнской платы размещают Мультиконтроллер (Super i/o).
Он следит за состоянием платы, мониторит напряжения, следит за показаниями температурных датчиков и задает скорость вращения подключенных вентиляторов. В некоторых платах отвечает за устаревшие порты ввода-вывода, такие как COM порт и PS/2.

Под мультиконтроллером обычно находится звуковая подсистема состоящая из аудиокодека, резисторов и твердотельных конденсаторов. Кодек содержит в своём корпусе ЦАП и АЦП, что позволяет воспроизводить и принимать звук всего одной микросхемой.

Задачи аудиокодека:

(1. прием, передача, буферизация цифровых данных;

2. преобразование данных из цифровой в аналоговую форму и обратно;

3. микширование данных, поступающих от разных источников (аналоговых и цифровых);

4. управление уровнем сигнала, поступающего от разных источников (т. е. управление громкостью);

5. усиление сигнала, поступающего на микрофонный звук;

6. реализация расширения стереобазы для улучшения звучания на дешевых компьютерных колонках.)

Если посмотреть на схему, то легко понять как работает интегрированный звук. Центральный процессор полностью кодирует сигнал, а южный мост обеспечивает обмен данными.

В современных платах для уменьшения помех и наводок, аудиотракт изолируют от остальной части платы, а левый и правый канал размещают на разных слоях текстолита.

Так же в левой части платы находится панель с разъёмами для подключения внешних устройств – клавиатуры, мыши, флешек и многого другого.

Сбоку панели находятся микросхемы, которые обеспечивают работу этих портов, обычно устанавливают Ethernet и usb Контроллеры.

Помимо этих микросхем, есть много дополнительных элементов обеспечивающие работу платы. Например, ре-драйверы - это усилители сигнала шины. Есть свитчи PCI Express, помогающие процессору и Южному мосту управлять слотами PCIe, распределяя линии по устройствам.

Есть несколько кварцевых резонаторов, задающие базовые частоты. Так же есть внешние генераторы частот и специальные контроллеры, которые задают и управляют частотами шин.

В самой нижней части платы, размещают разъёмы для подключения помп СЖО, термодатчиков, аудиокабеля, есть колодка для кнопок и индикаторов передней панели корпуса, есть кнопки или перемычки для сброса настроек BIOS и переключения режимов работы.

Устройство материнской платы показано на примере форм фактора EATX, существует множество стандартов плат с разным размером из-за чего их устройство может показаться разным, но отличаются они лишь плотностью компонентов, расположением и количеством разъёмов, так что на этом всё.

#материнскаяплата #vrm #сокет #комплектующие #компьютеры #bios #электроника #творчество #blender #пк #чипсет #процессоры #3d