Материнская плата (также называемая материнской платой , основной платой , MB , базовой платой , системной платой или, в компьютерах Apple , логической платой ) — это основная печатная плата (PCB) в компьютерах общего назначения и других расширяемых системах. Она удерживает и обеспечивает связь между многими важнейшими электронными компонентами системы, такими как центральный процессор (ЦП) и память , а также обеспечивает разъемы для других периферийных устройств . В отличие от объединительной платы , материнская плата обычно содержит важные подсистемы, такие как центральный процессор, контроллеры ввода/вывода и памяти чипсета , интерфейсные разъемы и другие компоненты, интегрированные для общего использования.
Материнская плата означает, в частности, печатную плату с возможностями расширения. Как следует из названия, эту плату часто называют матерью всех компонентов, подключенных к ней, которые часто включают периферийные устройства, интерфейсные платы и дочерние платы : звуковые карты , видеокарты , сетевые карты , адаптеры хост-шины , карты ТВ-тюнера , карты IEEE 1394 и множество других пользовательских компонентов.
Аналогично термин «материнская плата» описывает устройство с одной платой и без дополнительных расширений или возможностей, например, платы управления в лазерных принтерах, телевизорах, стиральных машинах, мобильных телефонах и других встраиваемых системах с ограниченными возможностями расширения.
До изобретения микропроцессора ЦП цифрового компьютера состоял из нескольких печатных плат в корпусе-каркасе с компонентами, соединенными объединительной платой, содержащей набор взаимосвязанных гнезд, в которые вставлялись печатные платы. В очень старых конструкциях медные провода были дискретными соединениями между штырьками разъема карты, но печатные платы вскоре стали стандартной практикой. Центральный процессор (ЦП), память и периферийные устройства размещались на отдельных печатных платах, которые вставлялись в объединительную плату.
В старых системах на базе микропроцессоров ЦП и некоторые вспомогательные схемы размещались на одной плате ЦП, а память и периферийные устройства — на дополнительных платах, все подключалось к задней панели. Вездесущая шина S-100 1970-х годов является примером такого типа задней панели.
Самые популярные компьютеры 1980-х годов, такие как Apple II и IBM PC, публиковали принципиальные схемы и другую документацию, которая позволяла быстро проводить обратную разработку и замену материнских плат сторонними производителями. Обычно предназначенные для создания новых компьютеров, совместимых с образцами, многие материнские платы предлагали дополнительную производительность или другие функции и использовались для модернизации оригинального оборудования производителя.
В конце 1980-х и начале 1990-х годов стало экономически выгодно переносить все большее количество периферийных функций на материнскую плату. В конце 1980-х годов материнские платы персональных компьютеров начали включать отдельные микросхемы (также называемые чипами Super I/O ), способные поддерживать набор низкоскоростных периферийных устройств: клавиатуру и мышь PS/2 , дисковод , последовательные порты и параллельные порты . К концу 1990-х годов многие материнские платы персональных компьютеров включали встроенные функции аудио, видео, хранения и сети потребительского уровня без необходимости в каких-либо картах расширения вообще; более мощные системы для 3D- игр и компьютерной графики обычно сохраняли только графическую карту в качестве отдельного компонента. Бизнес-ПК, рабочие станции и серверы с большей вероятностью нуждались в картах расширения либо для более надежных функций, либо для более высоких скоростей; эти системы часто имели меньше встроенных компонентов.
Ноутбуки и ноутбуки, разработанные в 1990-х годах, интегрировали наиболее распространенные периферийные устройства. Это включало даже материнские платы без обновляемых компонентов, тенденция, которая продолжилась, когда после начала века появились более мелкие системы (например, планшетные компьютеры и нетбуки ). Память, процессоры, сетевые контроллеры, источники питания и хранилища были интегрированы в некоторые системы.
Материнская плата обеспечивает электрические соединения, посредством которых взаимодействуют другие компоненты системы. В отличие от объединительной платы, она также содержит центральный процессор и размещает другие подсистемы и устройства.
Типичный настольный компьютер имеет свой микропроцессор , основную память и другие важные компоненты, подключенные к материнской плате. Другие компоненты, такие как внешнее хранилище , контроллеры для видеодисплея и звука , а также периферийные устройства, могут быть подключены к материнской плате в качестве сменных карт или с помощью кабелей; в современных микрокомпьютерах все чаще встречается интеграция некоторых из этих периферийных устройств в саму материнскую плату.
Важным компонентом материнской платы является поддерживающий чипсет микропроцессора , который обеспечивает поддерживающие интерфейсы между ЦП и различными шинами и внешними компонентами. Этот чипсет определяет, в определенной степени, характеристики и возможности материнской платы.
Современные материнские платы включают в себя:
Кроме того, почти все материнские платы включают логику и разъемы для поддержки часто используемых устройств ввода, таких как USB для мыши и клавиатуры . Ранние персональные компьютеры, такие как Apple II и IBM PC, включают только эту минимальную периферийную поддержку на материнской плате. Иногда видеоинтерфейсное оборудование также интегрировалось в материнскую плату; например, на Apple II и редко на IBM-совместимых компьютерах, таких как IBM PCjr . Дополнительные периферийные устройства, такие как контроллеры дисков и последовательные порты, предоставлялись в качестве карт расширения.
Учитывая высокую теплоотдачу высокоскоростных компьютерных процессоров и компонентов, современные материнские платы почти всегда оснащены радиаторами и точками крепления вентиляторов для рассеивания избыточного тепла.
Материнские платы производятся в различных размерах и формах, называемых форм-факторами , некоторые из которых специфичны для отдельных производителей компьютеров. Однако материнские платы, используемые в IBM-совместимых системах, разработаны для установки в корпуса различных размеров. По состоянию на 2024 год [обновлять]большинство материнских плат настольных компьютеров используют стандартный форм-фактор ATX — даже те, которые используются в компьютерах Macintosh и Sun , которые не были построены из стандартных компонентов. Форм-фактор материнской платы и блока питания (PSU) корпуса должны совпадать, хотя некоторые материнские платы с меньшим форм-фактором того же семейства подойдут для корпусов большего размера. Например, корпус ATX обычно вмещает материнскую плату microATX . Ноутбуки обычно используют высокоинтегрированные, миниатюрные и настраиваемые материнские платы. Это одна из причин, по которой ноутбуки трудно модернизировать и дорого ремонтировать. Часто выход из строя одного компонента ноутбука требует замены всей материнской платы, что обычно дороже, чем материнская плата настольного компьютера.
Разъем ЦП (центральный процессор) или слот — это электрический компонент, который крепится к печатной плате (ПП) и предназначен для размещения ЦП (также называемого микропроцессором). Это особый тип разъема интегральной схемы, разработанный для очень большого количества контактов. Разъем ЦП выполняет множество функций, включая физическую структуру для поддержки ЦП, поддержку радиатора, облегчение замены (а также снижение стоимости) и, что наиболее важно, формирование электрического интерфейса как с ЦП, так и с ПП. Разъемы ЦП на материнской плате чаще всего можно найти в большинстве настольных и серверных компьютеров (в ноутбуках обычно используются ЦП с поверхностным монтажом), особенно тех, которые основаны на архитектуре Intel x86 . Тип разъема ЦП и чипсет материнской платы должны поддерживать серию и скорость ЦП.
С неуклонным снижением стоимости и размера интегральных схем , теперь можно включить поддержку многих периферийных устройств на материнской плате. Объединяя множество функций на одной печатной плате , можно уменьшить физический размер и общую стоимость системы; высокоинтегрированные материнские платы, таким образом, особенно популярны в компьютерах с малым форм-фактором и бюджетных компьютерах.
Типичная материнская плата будет иметь разное количество соединений в зависимости от ее стандарта и форм-фактора .
Стандартная современная материнская плата ATX обычно имеет два или три разъема PCI-Express x16 для видеокарты, один или два устаревших слота PCI для различных карт расширения и один или два PCI-E x1 (который заменил PCI ). Стандартная материнская плата EATX имеет от двух до четырех разъемов PCI-E x16 для видеокарт и различное количество слотов PCI и PCI-E x1. Иногда она также может иметь слот PCI-E x4 (будет отличаться в зависимости от бренда и модели).
Некоторые материнские платы имеют два или более слотов PCI-E x16, что позволяет использовать более 2 мониторов без специального оборудования, или используют специальную графическую технологию SLI (для Nvidia ) и Crossfire (для AMD ). Они позволяют объединять от 2 до 4 графических карт, что обеспечивает лучшую производительность в интенсивных графических вычислительных задачах, таких как игры, редактирование видео и т. д.
В новых материнских платах слоты M.2 предназначены для SSD и/или контроллера беспроводного сетевого интерфейса .
Материнские платы обычно охлаждаются воздухом с помощью радиаторов, часто устанавливаемых на более крупные чипы в современных материнских платах. [4] Недостаточное или неправильное охлаждение может привести к повреждению внутренних компонентов компьютера или вызвать его сбой . Пассивное охлаждение или один вентилятор, установленный на блоке питания , было достаточным для многих процессоров настольных компьютеров до конца 1990-х годов; с тех пор большинству из них требуются вентиляторы ЦП, установленные на радиаторах , из-за роста тактовой частоты и энергопотребления. Большинство материнских плат имеют разъемы для дополнительных компьютерных вентиляторов и встроенные датчики температуры для определения температуры материнской платы и ЦП, а также управляемые разъемы вентиляторов, которые BIOS или операционная система могут использовать для регулирования скорости вращения вентилятора. [5] В качестве альтернативы компьютеры могут использовать систему водяного охлаждения вместо множества вентиляторов.
Некоторые малогабаритные компьютеры и домашние кинотеатры, разработанные для тихой и энергоэффективной работы, могут похвастаться безвентиляторной конструкцией. Обычно для этого требуется использование маломощного ЦП, а также тщательная компоновка материнской платы и других компонентов , чтобы обеспечить размещение радиатора.
Исследование 2003 года показало, что некоторые ложные сбои компьютеров и общие проблемы с надежностью, начиная от искажения изображения на экране и заканчивая ошибками чтения /записи ввода-вывода, можно отнести не к программному обеспечению или периферийному оборудованию , а к старению конденсаторов на материнских платах ПК. [6] В конечном итоге было показано, что это является результатом неправильной формулы электролита, [7] проблема, называемая конденсаторной чумой .
Современные материнские платы используют электролитические конденсаторы для фильтрации постоянного тока, распределяемого по плате. Эти конденсаторы стареют со скоростью, зависящей от температуры, поскольку их электролиты на водной основе медленно испаряются. Это может привести к потере емкости и последующим неисправностям материнской платы из-за нестабильности напряжения . Хотя большинство конденсаторов рассчитаны на 2000 часов работы при температуре 105 °C (221 °F), [8] их ожидаемый расчетный срок службы примерно удваивается на каждые 10 °C (18 °F) ниже этого значения. При 65 °C (149 °F) можно ожидать срока службы от 3 до 4 лет. Однако многие производители поставляют некачественные конденсаторы, [9] которые значительно сокращают ожидаемый срок службы. Недостаточное охлаждение корпуса и повышенные температуры вокруг сокета ЦП усугубляют эту проблему. С верхними вентиляторами компоненты материнской платы могут поддерживать температуру ниже 95 °C (203 °F), что фактически удваивает срок службы материнской платы.
С другой стороны, материнские платы среднего и высокого класса используют исключительно твердотельные конденсаторы . На каждые 10 °C меньше их средний срок службы умножается примерно на три, что приводит к 6-кратному увеличению ожидаемого срока службы при 65 °C (149 °F). [10] Эти конденсаторы могут быть рассчитаны на 5000, 10000 или 12000 часов работы при 105 °C (221 °F), что увеличивает прогнозируемый срок службы по сравнению со стандартными твердотельными конденсаторами.
В настольных ПК и ноутбуках решения по охлаждению и мониторингу материнской платы обычно основаны на микросхеме суперввода-вывода или встроенном контроллере .
Материнские платы содержат ПЗУ (и позже EPROM , EEPROM , NOR flash ), в котором хранится прошивка , которая инициализирует аппаратные устройства и загружает операционную систему с периферийного устройства . Термины самозагрузка и загрузка происходят от фразы «lifting yourself by your bootstraps» («поднимать себя за свои затычки»). [11]
Микрокомпьютеры, такие как Apple II и IBM PC, использовали чипы ПЗУ, установленные в гнездах на материнской плате. При включении питания центральный процессор загружал свой программный счетчик адресом ПЗУ загрузки и начинал выполнять инструкции из ПЗУ загрузки. Эти инструкции инициализировали и тестировали аппаратное обеспечение системы, отображали системную информацию на экране, выполняли проверки ОЗУ , а затем пытались загрузить операционную систему с периферийного устройства. Если периферийное устройство, содержащее операционную систему, было недоступно, то компьютер выполнял задачи из других хранилищ ПЗУ или отображал сообщение об ошибке, в зависимости от модели и конструкции компьютера. Например, как Apple II, так и оригинальный IBM PC имели Cassette BASIC (ROM BASIC) и запускали его, если операционная система не могла быть загружена с дискеты или жесткого диска.
Загрузочная прошивка в современных IBM PC-совместимых материнских платах содержит либо BIOS , как и загрузочное ПЗУ на оригинальном IBM PC, либо UEFI . UEFI является преемником BIOS, который стал популярным после того, как Microsoft начала требовать его для системы, сертифицированной для работы с Windows 8. [12] [13]
Когда компьютер включен, загрузочная прошивка тестирует и настраивает память, схемы и периферийные устройства. Этот тест Power-On Self Test (POST) может включать в себя тестирование некоторых из следующих вещей:
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )System.Fundamentals.Firmware.CS.UEFISecureBoot.ConnectedStandby ... Платформы должны быть UEFI Class Three (см. UEFI Industry Group, Evaluating UEFI using Commercially Available Platforms and Solutions, version 0.3, для определения) без установленного или устанавливаемого модуля поддержки совместимости. Эмуляция BIOS и устаревшая загрузка PC/AT должны быть отключены.
