Материнская плата – системная печатная плата с центральным процессором и поддерживающими его микросхемами. Материнская (системная) плата является основой компьютера и представляет собой плоский лист фольгированного стеклотекстолита, на котором находятся основные электронные элементы: микропроцессор, оперативная память, кварцевый генератор, BIOS, вспомогательные микросхемы и т.д. Необходимые электрические соединения этих элементов выполняются предварительным травлением медной фольги, нанесенной на подложку из стеклотекстолита. Листы стеклотекстолита с нанесенным на каждом из них “рисунком” медной фольги в технологическом цикле соединяются вместе, в результате чего плата имеет многослойную структуру. Именно в этом случае говорят о многослойных печатных платах. Необходимые соединения между слоями выполняются в виде специальных металлизированных отверстий. Все системные платы IBM PC-совместимых компьютеров, как правило, покрыты защитным лаком зеленого цвета.
Существуют IBM PC-совместимые компьютеры, у которых на одной системной печатной плате сосредоточены все элементы, необходимые для его работы. Это так называемые платы All-In-Оnе. Однако у большей части персональных компьютеров системные платы содержат лишь основные узлы, а элементы связи, например, с монитором и другими периферийными устройствами, отсутствуют. В таком случае отсутствующие элементы располагаются на отдельных печатных платах, которые вставляются в специальные разъемы расширения, называемые слотами, предусмотренные для этого на системной плате. Дополнительные платы называют дочерними, а системную плату – материнской. Функциональные устройства, расположенные на дочерних платах, часто именуют контроллерами или адаптерами, а сами дочерние платы – картами расширения.
Контроллер – микросхема, управляющая устройством. Контроллеры, управляющие работой внешних устройств компьютера, находятся на отдельных платах и вставляются в унифицированные разъемы на материнской плате.
Разъемы расширения, в которые вставляются дочерние платы, связаны друг с другом на материнской плате рядом параллельных проводников, по которым осуществляется передача данных и адресов, а также управляющих сигналов. Электрические, временные и логические характеристики этих сигналов всегда отвечают определенному набору правил – протоколу, который общепризнан в международном масштабе и является, таким образом, стандартом на системную шину. Стандарт обычно определяет и тип используемых соединителей (тип контактов, их количество и т.п.).
Для обеспечения надежного соединения разъемы расширения на системной плате имеют позолоченные контакты. Печатные разъемы на дочерних платах также золотятся.
Обязательными атрибутами материнской платы (рис. 3.1) являются базовый микропроцессор, оперативная память, системный BIOS, контроллер клавиатуры, кварцевый генератор, набор вспомогательных микросхем (контроллеров), аккумулятор, разъемы расширения и питания, а также разъем для подключения клавиатуры. В зависимости от типа микропроцессора на ней также могут находиться специальные гнезда для установки микросхем математического сопроцессора, а также кэш-памяти.
Рис. 3.1. Основные компоненты материнской платы
Кэш (cache memory) – сверхоперативная память, необходимая для того, чтобы центральный процессор не снижал производительность из-за низкого быстродействия основной памяти, расположена между процессором и основной памятью.
Кэш-память выполняет функцию буфера между процессором и оперативной памятью. При наличии кэш-памяти данные находятся в специально предназначенной для процессора исключительно быстрой памяти, и при их запросе циклы ожидания отсутствуют. Благодаря этому необходимость доступа к основной памяти сводится к минимуму, и компьютер в целом работает быстрей. В современных компьютерах кэш обычно строится по двухуровневой схеме. Первичный кэш встроен во все процессоры класса 486 и выше; это внутренний кэш. Объем его 8–32 Кбайт. Вторичный кэш для процессоров 486 и Pentium является внешним (устанавливается на системной плате). На современных системных платах кэш-память реализуется или на отдельных микросхемах в DIL-корпусах (Dual-In-Line – двухрядное расположение выводов), или в COAST-модулях (Cache On A STick – кэш на одной панельке), вставляемых в соответствующие гнезда. Кэш-память реализуется на быстродействующих микросхемах статических ОЗУ (SRAM).
Ни один из элементов системной платы (даже микропроцессор) полностью не определяет возможности компьютера, а работоспособность системы зависит практически от любого из них.
Одной из основных характеристик материнской платы является ее геометрический размер в плане, от которого, как правило, зависят число разъемов расширения и соответственно количество дополнительно подключаемых устройств. В настоящее время прослеживается устойчивая тенденция к переходу на платы меньшего размера. Известны три базовых размера системных плат: Full-size AT, Baby-AT и LPX (Low Profile X). Первый типоразмер называется так потому, что полностью соответствует геометрии первых плат для компьютеров IBM PC/ AT – 12 на 13,8 дюйма. В настоящее время полноразмерные системные платы используются, как правило, только в серверах. Для настольных компьютеров речь обычно идет либо о платах половинного (Half) размера, либо еще меньших – так называемых Baby-AT. Размеры Baby-AT практически полностью соответствуют геометрии оригинальной материнской платы для IBM PC/XT – 8,57 на 13,04 дюйма. С точки зрения конструктива подобные изделия даже от различных производителей выполнены примерно одинаково, так как расположение разъема для подключения клавиатуры, слотов расширения и крепежных отверстий подходит даже для плат, немного не совпадающих по размерам. Разновидностью Baby-AT может считаться плата miniAT, размеры которой составляют 8,57 на 9,85 дюйма. Такие платы обычно легко устанавливаются во все стандартные корпуса, за исключением низкопрофильных (slimline). Для корпусов типа slimline используются только платы с габаритными размерами LPX или miniLPX. Впервые такие платы были предложены фирмой Western Digital. Их габаритные размеры могут составлять 9 на 13 и 8,2 на 10,4 дюйма соответственно. Все подобные системные платы имеют встроенные графический контроллер и адаптеры для накопителей, то есть являются платами All-In-Опе.
Фирма Intel недавно предложила собственную спецификацию на системные платы типа АТХ и miniATX с габаритными размерами 12 на 9,6 и 11,2 на 8,2 дюйма соответственно. В частности, данная спецификация рекомендует некое стандартное размещение основных компонентов на самой плате. При установке подобной платы в соответствующий корпус это позволит избежать таких проблем, как недоступность разъема процессора и модулей памяти, невозможность установки полноразмерных плат расширения и т.п.
В среднем материнские платы имеют 1–8 разъемов расширения, четкого стандарта здесь нет и многое зависит от фирмы-производителя платы.
Поскольку современные микропроцессоры используют напряжение питания 3,3–4 В, на системных платах монтируют специальные преобразователи (VRM, Voltage Regulator Module), ряд из которых позволяет регулировать уровень напряжения. Установкой соответствующих перемычек можно изменять напряжение, например, от 3,3 до 3,6 В. От блока питания на системную плату поступает напряжение 5 В.
