Типорозміри системних плат

Материнська плата (англ. motherboard, MB, також використовується назва англ. mainboard  головна плата; сленг. мама, мати,материнка)  це складна багатошарова плата, на якій встановлюються основні компоненти персонального компьютера(центральний процесор, контроллер ОЗУ і власне ОЗУ , контролери базових інтерфейсів введення-виведення).
Материнська плата розміщується усередині корпусу системного блоку і є листом фольгированного текстоліту, на якому розміщуються електронні компоненти і роз’єми для підключення додаткових плат, зовнішніх пристроїв, блоку живлення. Як правило, материнська плата містить роз’єми (слоти) для підключення додаткових контроллерів, для підключення яких зазвичай використовуються шини USB, PCI і PCI-Express.
Материнська плата містить такі основні компоненти:

  • Набір роз’ємів і портів для підключення окремих пристроїв.
  • Шина — інформаційна магістраль, що зв’язує їх воєдино. Саме по шині передаються сигнали між всіма видами комп’ютерної «начинки» і саме через шини доставляється інформаційний «корм» трудязі -процесору.
  • Базовий набір мікросхем, чіпсетів, за допомогою якого материнська плата і здійснює контроль над тим, що відбувається усередині системного блоку.
  • базову систему введення-виведення – BIOS (BasicInput/OutputSystem);
  • Вбудовані (або інтегровані) додаткові пристрої.

 

Є на системних платах і безліч інших роз’ємів і пристроїв, знання їх можливостей дуже стане в нагоді вам при збірці комп’ютера. Наприклад, перемикачі «джампери», за допомогою яких можна відрегулювати деякі параметри роботи материнської плати або «обнулити» вміст мікросхеми BIOS. Або роз’єми живлення, до них підключається кулер і індикатори системного блоку…

Шини (bus)– це сукупності ліній (провідників на материнській платі), по яких па­ралельно й одночасно обмінюються даними компоненти і пристрої комп’ютера. Шину призначено для обміну даними між двома і більше пристроями. Шину, що сполучає тільки два пристрої, називають портом.
Зазвичай шина має рознім для вмикання зовнішніх пристроїв, які, будучи під­ключеними, самі стають частиною шини і можуть обмінюватися даними з усіма ін­шими пристроями.

Шина має власну архітектуру, що містить такі компоненти:

  • контролер шини;
  • лінії для обміну даними (шини даних);
  • лінії для адресації даних (шини адреси);
  • лінії для керування даними (шини керування).

Контролер шини керує процесом обміну даними і службовими сигналами.
По шині даних відбувається обмін даними між процесором, зовнішніми пристроями й оперативною пам’яттю.
Процес обміну даними можливий лише в тому разі, коли відомі відправник і одержувач цих даних. Кожний компонент комп’ютера, кожний регістр введення — виведення та комірка оперативної пам’яті мають свою адресу і входять у загальний адресний простір комп’ютера. Для адресації до якого-небудь пристрою комп’ютера використовується шина адреси, по якій передається унікальний ідентифікаційний код (адреса). щоб дані були записані (прочитані) у підключені до шини регістри пристроїв, адреси яких зазначені на шині адреси, потрібні службові сигнали: записування зчитування, готовності до приймання — передавання даних, підтвердження прийманні даних і т. ін. Усі ці сигнали передаються по шині керування.

На материнській платі вбудовано такі шини:

  • системна шина, чи шина процесора – для пересилання даних процесору й одержання даних від процесора;
  • шина кеш — пам’яті – для обміну інформацією між процесором і кеш — пам’яттю;
  • шина пам’яті – для обміну інформацією між оперативною пам’яттю і процесором;
  • шини введення — виведення (локальні та стандартні шини).

Локальна шина введення — виведення – це швидкісна шина, призначена для обміну інформацією між периферійними швидкодіючими пристроями (відеокартами, мереже­вими картами й ін.) і системною шиною.
Стандартна шина введення — виведення використовується для підключення до шин повільніших пристроїв («мишки», клавіатури, модемів і т. ін.).
Шини утворюють ієрархію, верхнім рівнем якої є системна шина.

Основні характеристики шини:

  • розрядність (окремо для шини даних і шини адреси);
  • тактова частота;
  • пропускна здатність;
  • стандарт шинного інтерфейсу.

Чим вища розрядність шини даних, тим більше даних можна передавати за визна­чений проміжок часу і тим вища продуктивність комп’ютера. Якщо перші ІВМ-сумісні комп’ютери мали 8-розрядну шину даних, то комп’ютери з процесорами сім’ї Pentiumмають уже 64-розрядну шину даних.
У перших ІМВ-сумісних комп’ютерах розрядність адресної шини дорівнювала 20, що дозволяло адресувати пам’ять ємністю до 1 Мбайт (220 байт). Для сучас­них комп’ютерів використовується 32-розрядна адресна шина, за допомогою якої можна адресувати ємність пам’яті близько 4 Гбайт (для процесорів сім’ї Pentium), і 64-розрядна адресна шина, що дозволяє адресувати 1024 Тбайт пам’яті (для про­цесорів сім’ї Itanium).
Тактова частота шини і кількість переданих за один такт бітів визначають пропуск­ну здатність, що дорівнює кількості бітів інформації, переданих по шині за секунду. Щоб визначити пропускну здатність шини, потрібно помножити тактову частоту шини на її розрядність та кількість переданих за один такт бітів. Максимальна швидкість пе­редавання даних перших ІМВ-сумісних комп’ютерів дорівнювала 7,9 Мбайт/с (8-роз-рядна шина ISA), а сучасних комп’ютерів – 2 Гбайт/с (шина AGP8X).

Чіпсет
Від типу чіпсета безпосередньо залежать найважливіші характеристики материнської плати — швидкість передачі даних, число підтримуваних моделей процесорів, базовий тип оперативної пам’яті і параметри роботи з нею і так далі.
Оскільки основна функції материнської плати — «наводити мости» між пристроями, то недивно, що головні складові будь-якого чіпсета також називаються «мостами». Кожен з двох наявних в будь-якому чіпсеті «мостів» — це спеціальний чип-мікросхема (сьогодні обидва «мости» іноді уживаються на одному чіпі). У кожного з двох «мостів» існує свій чітко обкреслений крутий завдань:

  1. «північний» міст сполучає між собою процесор, оперативну пам’ять і відеошину AGP:
  2. «південний» міст відповідає за роботу з шиною РСІ і всіма підключеними до комп’ютера периферійними пристроями, а також внутрішніми контроллерами (звук. мережа, порти і т. д.).

Існують материнські плати, у яких всі необхідні для роботи комп’ютера елементи розміщені безпосередньо на платі. Це так звані плати All In One. Проте у більшої частини персональних комп’ютерів системні плати містять лише основні вузли, а елементи зв’язку з периферійними пристроями (плати або карти розширення) встановлюються в слоти розширення. Окрім слотів розширення на материнській платі є роз’єм для підключення блоку живлення, декілька роз’ємів для установки модулів пам’яті, 80-контактиые роз’єми для підключення накопичувачів з інтерфейсами IDE, 7-контактні роз’єми інтерфейсу SATA і деякі інші. Від типу модулів пам’яті, який підтримує материнська плата, залежатимуть можливості модернізації комп’ютера. Наявність на платі інтерфейсу SATA дозволить збільшувати продуктивність комп’ютера за рахунок застосування накопичувачів з високошвидкісним інтерфейсом обміну даними.

Головним елементом системної плати можна назвати центральний процесор (CPU), що встановлюється в спеціальний роз’єм (або socket). Для живлення процесора на платі є перетворювач, що трансформує напругу, яка поступає від блоку живлення. За допомогою цього перетворювача виробляється цілий ряд напруги, необхідної для живлення процесора. Такий спосіб живлення CPU називається технологією із зменшенням напруги – VRT (Voltage Reduction Technology). Роз’єми процесорів Pentium ІІІ і Pentium 4 мають спеціальні контакти ідентифікатора напруги – VID (Voltage Identifier). З їх допомогою на системну плату поступає код для вироблення точних значень потрібного процесору напруги. Це дає можливість вбудованим в системну плату перетворювачам напруги автоматично встановлювати правильний рівень напруги відразу при установці процесора.
Розпаяними на плату поставляються мікросхеми чіпсета і деякі інші допоміжні мікросхеми. На материнській платі знаходиться мікросхема флэш-памяти, призначена для зберігання системного програмного забезпечення – базової системи введення-виводу або BIOS (Basic Input Output System). Пам’ять годинника реального часу і конфігураційних установок системи – RTC CMOS RAM (Real Time Clock CMOS RAM) є незалежною економічною мікросхемою пам’яті, виконаною за технологією CMOS і призначеною для зберігання показань годинників реального часу, а також зведенні про конфігурацію системи.
Мікросхема пам’яті постійно знаходиться у включеному стані завдяки живленню від вбудованого в материнську плату акумулятора. Ця пам’ять повинна зберігати зведення про настройку комп’ютера (його конфігурації). Для підключення продуктивних відеокарт на материнській платі встановлювався роз’єм стандарту AGР. Останнім часом цей стандарт активно витісняється ще швидкіснішим інтерфейсом – шиною PCI Express. Ця шина є вдосконаленою моделлю існуючої шини PCI 2.2, що дозволяє значно підвищити її швидкодію. Наявність на платі сучасних шин збільшує можливості модернізації комп’ютера в майбутньому.
Інша важлива характеристика материнської плати – чіпсет, на базі якого вона проводиться. Чіпсет, або набір мікросхем, визначає продуктивність локальної шини, через яку процесор спілкується з іншими пристроями, що підключаються до материнської плати. Чіпсет визначає типи шинних інтерфейсів з додатковими пристроями. До цих інтерфейсів в сучасному комп’ютері можна віднести шини PCI і PCI Express і підтримувану ще на деяких платах шину AGP. Вбудовані в плату контроллери портів введення виводу і мережеві карти визначають можливості підключення зовнішніх пристроїв і мережевих підключень. Контроллери SATA і паралельного ATA (IDE ATA) визначають типи дискових накопичувачів, що підключаються. Широкі можливості для підключення зовнішніх пристроїв дає підтримка материнськими платами інтерфейсів USB і FireWire, що дозволяють підключати по декілька пристроїв до одного порту комп’ютера.

Класифікація материнських плат за форм-фактором

Форм-фактор материнської плати – стандарт, що визначає розміри материнської плати та місце її кріплення до корпусу; розташування на ній інтерфейсів шин, сокета центрального процессора (якщо він є) і слотів, а також тип роз’єму для підключення блока живлення.
Форм-фактори материнських плат

Застарілі

Сучасні

Впроваджувані
AT; LPX; baby-AT; mini-ATX ATX; NLX; micro-ATX; flex-ATX ITX; BTX

 

Історія розвитку форм-факторів

Назва форм-фактору

Рік впровадження

Розмір плати

Характерні властивості

XT

1983

–

 Збільшилась кількість слотів, зменшилась відстань між ними.

AT

1984

30,5×33

 Встановлювались в корпуси Desktop і Tower.

Baby-AT

1990

22,5×33

 Зменшення розмірів.

LPX

1987

33×22,9

 Призначені для встановллення в корпуси Slimline, Desktop.

ATX

1995

30,5×24,4

 Всі роз’єми портів введення-виведення розташовані в лівому кутку. Змінилося розташування процесорного гнізда та слотів пам’яті. Змінився роз’єм підключення БЖ.

NLX

1997

25,4×20,3

 Є розвитком ф-ф LPX для використання у нових низькопрофільних системах. Була створена з урахуванням появи AGP, модулів DIMM, інтегрованих аудіо/відео компонентів на мат. Платах. Має більшу зручність в обслуговуванні.

Micro–ATX

1997

24,4×24,4

Flex–ATX

1999

22,9×20,3

BTX

2005

26,7×32,5

 Сумісний з ATX корпусами. Підтримка низькопрофільних пристроїв. Дизайн для ефективного тепловідводу, оптимізоване кріплення плат. Піддтримка графічної шини, PCI-EXPRESS 16x, новий стандарт слотів розширення PCI-X для підключення високошвидкісних пристроїв.

 

На сьогоднішній день існує чотири переважаючих типоразмера материнських плат – AT, ATX, LPX і NLX. Крім того, є зменшені варіанти формату AT (BABY-AT), ATX (MINI-ATX, microATX) і NLX (microNLX). Більш того, недавно випущено розширення до специфікації microATX, що додає до цього списку новий форм-фактор, – FLEXATX. Всі ці специфікації, що визначають форму і розміри материнських плат, а також розташування компонентів на них і особливості корпусів, і описані нижчим.

AT

Форм-фактор АТ ділиться на дві, модифікації, що відрізняються за розміром, – AT і Baby AT. Розмір повнорозмірної плати AT досягає до 12″ завширшки, а це означає, що така плата навряд чи поміститься в більшість сьогоднішніх корпусів. Монтажу такої плати напевно заважатиме відсік для дисководів і жорстких дисків і блок живлення. Крім того, розташування компонентів плати на великій відстані один від одного може викликати деякі проблеми при роботі на великих тактових частотах. Тому після материнських плат для процесора 386, такий розмір вже не зустрічається.

Всі AT плати мають загальні риси. Майже всі мають послідовні і паралельні порти, що приєднуються до материнської плати через сполучні планки. Вони також мають один роз’єм клавіатури, упаяний на плату в задній частині. Гніздо під процесор встановлюється на передній стороні плати. Слоти SIMM і DIMM знаходяться в різних місцях, хоча майже завжди вони розташовані у верхній частині материнської плати.

LPX

Ще до появи ATX, першим результатом спроб понизити вартість РС став форм-фактор LPX. Призначався для використання в корпусах Slimline або Low-profile. Завдання було вирішене шляхом досить новаторської пропозиції – введення стійкі. Замість того, щоб вставляти карти розширення безпосередньо в материнську плату, в цьому варіанті вони збожеволіють у вертикальну стійку, що підключається до плати, паралельно материнській платі. Це дозволило помітно зменшити висоту корпусу, оскільки зазвичай саме висота карт розширення впливає на цей параметр. Розплатою за компактність стала максимальна кількість карт, що підключалися, – 2-3 штуки. Ще одне нововведення, що почало широко застосовуватися саме на платах LPX, – це інтегрований на материнську плату відеочіп. Розмір корпусу для LPX залишає 9 х 13”, для Mini LPX – 8 x 10”. Після появи NLX, LPX почав витіснятися цим форм-фактором.

ATX

1. Інтегровані роз’єми портів введення-виводу. На всіх сучасних платах коннектори портів введення-виводу присутні на платі, тому цілком природним виглядає рішення розташувати на ній і їх роз’єми, що призводить до досить значного зниження кількості сполучних проводів усередині корпусу. До того ж, заразом серед традиційних паралельного і послідовного портів, роз’єму для клавіатури, знайшлося місце і для новачків – портів PS/2 і USB. Крім всього, в результаті дещо знизилася вартість материнської плати, за рахунок зменшення кабелів в комплекті.

2. Зручність доступу, що значно збільшилася, до модулів пам’яті. В результаті всіх змін гнізда для модулів пам’яті переїхали далі від слотів для материнських плат, від процесора і блоку живлення. В результаті нарощування пам’яті стало у будь-якому випадку хвилинною справою, тоді як на Baby AT материнських платах деколи доводиться братися за викрутку.

3. Зменшена відстань між платою і дисками. Роз’єми контроллерів IDE і FDD перемістилися практично впритул до під’єднуваних до них пристроїв. Це дозволяє скоротити довжину використовуваних кабелів, тим самим підвищивши надійність системи.

4. Розноситься процесора і слотів для плат розширення. Гніздо процесора переміщене з передньої частини плати на задню, поряд з блоком живлення. Це дозволяє встановлювати в слоти розширення повнорозмірні плати – процесор їм не заважає. До того ж, вирішилась проблема з охолоджуванням – тепер повітря, що засмоктується блоком живлення, обдуває безпосередньо процесор.

5. Покращувана взаємодія з блоком живлення. Тепер використовується один 20-контактний роз’єм, замість двох, як на AT платах. Крім того додана можливість управління материнською платою блоком живлення – включення в потрібний час або по настанню певної події, можливість включення з клавіатури, відключення операційною системою, і так далі

6. Напруга 3.3 В. Теперь напруга живлення 3.3 В, вельми широко використовуване сучасними компонентами системи, (узяти хоч би карти PCI!) поступає з блоку живлення. У AT-платах для його отримання використовувався стабілізатор, встановлений на материнській платі. У ATX-платах необхідність в нім відпадає.

NLX  

З часом, специфікація LPX, подібно Baby AT, перестала задовольняти вимогам часу. Виходили нові процесори, з’являлися нові технології. І вона вже не була в змозі забезпечувати прийнятні просторові і теплові умови для нових низькопрофільних систем. Для збірки/розбирання багатьох систем на базі цього форм-фактора викрутка не потрібна взагалі.  Як видно на схемі, основні риси материнської плати NLX, це:

1. Стійка для карт розширення, що знаходиться на правому краю плати. Причому материнська плата вільно від’єднується від стійки і висувається з корпусу, наприклад, для заміни процесора або пам’яті.

2.Процесор, розташований в лівому передньому кутку плати, прямо навпроти вентилятора.

3.Взагалі, угрупування високих компонентів, на зразок процесора і пам’яті, в лівому кінці плати, щоб дозволити розміщення на стійці повнорозмірних карт розширення.

4.Знаходження на задньому кінці плати блоків роз’ємів введення/виводу одинарної (в області плат розширення) і подвійної висоти, для розміщення максимальної кількості коннекторів.

Взагалі, стійка – дуже цікава річ. Фактично, це одна материнська плата, розділена на дві частини, – частина, де знаходяться власне системні компоненти, і приєднана до неї через 340 контактний роз’єм під кутом в 90 градусів частина, де знаходяться всілякі компоненти введення/виводу – карти розширення, коннектори портів, накопичувачів даних, куди підключається живлення. Таким чином, по-перше підвищується зручність обслуговування – немає необхідності діставати доступ до непотрібних в даний момент компонентів. У других, виробники в результаті мають велику гнучкість – робиться одна модель основної плати, і стійка під кожного конкретного замовника, з інтеграцією на ній необхідних компонентів.

Зазвичай плати, що вписуються в мінімальні розміри, позначаються як Mini NLX. Варто також згадати цікаву подробицю: у NLX корпусу порти USB розташовуються на передній панелі

BTX

І ось тепер прийшов час нового формфактора  BTX (BalancedTechnologyeXtended), раніше відомого під кодовою назвою Big Water. Необхідність переходу до нового стандарту викликана перш за все появою нових шин (USB 2.0, SATA, PCI Express), а також вимогами, що змінилися, до енергоспоживання ПК (а отже, і до тепловідводу) і до акустичних характеристик ПК. (При цьому відразу відзначимо, що формфактор BTX назад сумісний з ATX, тобто плату з формфактором BTX можна буде встановлювати і в старий корпус стандарту ATX, хоча зворотнє неможливе.)

 
Серед основних переваг нового формфактора можна назвати підтримку низькопрофільних пристроїв для створення компактних ПК, розташування компонентів плати з урахуванням забезпечення термобаланса, продуманий дизайн для максимально ефективного тепловідводу і оптимізовану структуру кріплення плат.
Система охолоджування плат стандарту BTX заслуговує окремого розгляду. Як відомо, ніж більше вентиляторів встановлюється всередину корпусу, тим більше «галасливу» систему ми отримуємо. Для плат з формфактором BTX передбачається використання всього одного вентилятора. Конструкція самого вентилятора (тобто кількість лопатей і кривизна їх вигину) зазнала істотні зміни, а крім того, став іншим і дизайн радіатора процесора, який тепер встановлений в спеціальний направляючий патрубок. У специфікації BTX система охолоджування називається модулем термічного балансу (ThermalModule). Під цим терміном мається на увазі комплект з системи охолоджування процесора і направляючого патрубка для оптимізації потоків повітря усередині корпусу. Зараз розроблено два типи таких модулів  повнорозмірний і низькопрофільний.
Плати стандартів BTX, microBTX і picoBTX трохи інакше (в порівнянні з платами стандарту ATX) кріпляться до корпусу. По-перше, якщо формфактором ATX передбачена мінімальна відстань між шасі корпусу і материнською платою 0,25  дюйма, то в стандарті BTX ця відстань збільшена до 0,4 дюйма.
Кріплення плат формфактора BTX до шасі проводитиметься за допомогою модуля SRM (SupportandRetentionModule). SRM-модуль забезпечує підтримку оптимального режиму охолоджування компонентів системи, особливо процесора, а крім того, запобігає можливому вигину материнської плати.

 

 

Домашня робота:
С. р. № 7 «Сучасні системні плати» ([6] – c. 41-46)

Наступный урок – Підсумкове заняття.

Використана література до лекції 11: [5] – c. 48-49, [6] – c. 131-174, [5] – c. 94-100