В статье не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску ). Информация должна быть проверяема , иначе она может быть удалена. Вы можете статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок . ( 28 февраля 2023 )

Матери ́ нская (систе́мная) пла́та. В просторечии: «материнка» или печатная плата , являющаяся основой построения модульного электронного устройства, например — компьютера .

Системная плата содержит основную часть устройства, например, в случае компьютера — процессор , системную шину или шины , оперативную память , «встроенные» контроллеры периферийных устройств, сервисную логику — и разъёмы для подключения дополнительных взаимозаменяемых плат, называемых платами расширений , как правило подключённые к общей шине или шинам — так, например, в начале 2000 годов материнская плата IBM PC-совместимого компьютера , как правило, несла разъёмы трёх различных шин — ISA , PCI и AGP . В отличие от объединительной панели/платы , просто соединяющей между собой разъёмы карт расширения, материнская плата всегда несёт на себе активные компоненты или разъёмы для их установки. В англоязычной литературе также принято разделять системные платы на собственно материнские ( англ. motherboards ), обладающие возможностями расширения и модификации, и «основные платы» ( англ. mainboards ), таких возможностей не имеющие и представляющие собой законченную неизменяемую систему.

История

Самые первые цифровые компьютеры почти не использовали модульный принцип построения и зачастую состояли из мешанины компонентов, связанных между собой отдельными проводниками. Тем не менее, уже к концу 40-х годов модульный принцип, позволявший сильно облегчить поиск неисправностей и ремонт тогдашних крайне ненадёжных ламповых машин, начал широко применяться в индустрии. Например, популярная серия ламповых ЭВМ строилась из модулей стандартных габаритов, содержащих 4-8 ламп и пассивные элементы, и соединённых навесным монтажом . Такие модули реализовывали стандартный компонент — например триггер , — и использовали стандартные разъёмы, они устанавливались в объединительную плату , разъёмы которой соединялись монтажом внакрутку . Накруточный и особенно навесной монтаж был очень быстро заменён печатным , который был значительно дешевле в производстве и легче автоматизировался, уже к началу 60-х использование печатных плат стало общепринятым. Тем не менее, большинство электронных устройств — не только компьютеры, но и аналоговые системы, коммуникационное и управляющее оборудование и т. п. всё ещё состояло из большого количества дискретных компонентов, разбросанных по множеству плат.

Процессор мини-ЭВМ мог состоять из десятка-двух различных плат, устанавливавшихся в стоечную корзину и соединённых объединительной панелью, несущей системную шину . Другие устройства также могли занимать отдельную корзину, или устанавливаться в общую с процессором наподобие современных карт расширения. Понятие «материнской платы» и «плат расширения» стало складываться в конце 70-х, когда распространение микропроцессоров позволило создать компактные одноплатные ЭВМ. В машинах такого типа центральный процессор , память и периферийные устройства обычно были размещены на отдельных печатных платах, которые были подключены к задней панели . Широко распространенная шина S-100 1970-х годов является примером такого типа систем.

Впоследствии, с развитием микроэлектроники, производители домашних и персональных компьютеров пришли к выводу, что выгоднее перенести основные компоненты системы с отдельных карт на объединительную панель — это позволяло удешевить производство и обеспечивало лучший контроль рынка. Один из первых популярных домашних компьютеров, Apple II , стал и первым, обладавшим истинной материнской платой, на которую устанавливались центральный процессор и оперативная память , а остальные функции выносились на дополнительные платы , устанавливавшиеся в семь доступных слотов расширения. Этому же принципу последовала и корпорация IBM при выпуске на рынок своего IBM PC . Обе компании помимо модульного принципа также использовали принцип открытой архитектуры , опубликовав принципиальные схемы, программные интерфейсы и другую документацию, которая позволяла создавать платы расширения, а затем и альтернативные материнские платы (в случае IBM PC-совместимых машин , материнские платы Apple были запатентованы ) сторонним производителям. Обычно предназначенные для создания новых компьютеров, совместимых с образцами, многие материнские платы предлагали дополнительную производительность или другие функции и использовались для обновления оригинального оборудования производителя.

В конце 1980-х и начале 1990-х годов стало экономически целесообразным переносить все увеличивающееся количество периферийных функций на материнскую плату. В конце 1980-х годов материнские платы для персональных компьютеров стали включать одиночные ИС (также называемые микросхемами Super I/O ), способные поддерживать набор низкоскоростных периферийных устройств: клавиатуры , мыши , дисковода гибких дисков , последовательных и параллельных портов. К концу 1990-х годов многие материнские платы для персональных компьютеров включали встроенные функции аудио, видео, хранения и сетевых функций потребительского уровня без необходимости использования каких-либо плат расширения, за исключением разве что высококлассных видеокарт для 3D-игр и компьютерной графики . Также карты расширения продолжают применяться в профессиональных ПК, рабочих станциях и серверах , для обеспечения специфических функций, повышенной надежности или увеличенной производительности.

Лэптопы , разработанные в 1990-х годах, объединяли самые распространенные периферийные устройства. Они даже включали в себя материнские платы без обновляемых компонентов, и эта тенденция сохранится даже тогда, когда будут изобретены более мелкие устройства (например, планшеты и нетбуки).

Эволюция материнских плат IBM PC-совместимых компьютеров

• Первая модель IBM PC содержала на материнской плате минимум устройств: процессор , математический сопроцессор , ОЗУ , ПЗУ с BIOS , шину ISA , контроллер клавиатуры и служебную логику. Память была набрана отдельными микросхемами, вставленными в панели, а вся служебная логика была построена на микросхемах малой степени интеграции. Изменение конфигурации осуществлялось перемычками либо DIP-переключателями. Кроме слотов расширения ISA на плате имелись лишь разъёмы для подключения клавиатуры и магнитофона . Все прочие устройства ( видеоадаптер , контроллер гибких и жёстких дисков , COM и LPT — портов) располагались на платах расширения ;
• С появлением IBM PC/AT размер платы и положение точек крепления было стандартизировано как « форм-фактор AT ». От разъёма магнитофона было решено отказаться, так как этот способ хранения данных оказался для ПК бесперспективным. На плате появились часы реального времени и энергонезависимая память , куда были перенесены часть функций настройки системы.
• По мере набора популярности архитектурой IBM PC для взаимодействия процессора с другими компонентами компьютера начали изготавливаться специализированные микросхемы, называемые чипсетом . Это позволило снизить стоимость материнских плат и одновременно перенести на них часть функций, ранее работавших через платы расширения — контроллеры дисков, коммуникационных портов и т. д.
• Для повышения надёжности, облегчения апгрейда и экономии места на материнской плате микросхемы ОЗУ начали объединять в модули, которые устанавливались на плату вертикально — сначала это были SIPP — модули, которые однако оказались недостаточно надёжными и вскоре были вытеснены SIMM , а затем — DIMM .
• По мере роста производительности процессоров росло энергопотребление и соответственно тепловыделение. Поздние модели процессоров 80486 уже требовали активного охлаждения, которое должно крепиться к материнской плате. С целью снижения потребления энергии логические уровни, а следовательно и напряжение питания процессора, были снижены сначала до 3,3В, а потом ещё ниже — вплоть до напряжений около вольта. Для обеспечения столь низкого напряжения требуется располагать вторичный источник питания (так называемый VRM , англ. Voltage regulator module — модуль регулятора напряжений) в непосредственной близости от процессора на материнской плате.
• С 1995 года стандарт ISA начал вытесняться более совершенной шиной PCI . Однако, вскоре пропускной способности этой шины уже не хватало для работы высокопроизводительных видеокарт , и специально для этого в 1996 году был разработан порт AGP , который устанавливался на материнские платы одновременно с разъёмами PCI и иногда даже ISA.
• К середине 1990-х стандарт материнской платы AT устарел, и ему на смену должен был прийти разработанный в 1995 году новый стандарт ATX . Однако из-за того, что он был несовместим с AT по корпусу и блоку питания, платы типа AT продолжали выпускаться до конца 1990-х. Новый стандарт включал выводы управления блоком питания на питающей колодке. Также на корпусе должно быть прямоугольное окно для дополнительных разъёмов, которая закрывается заглушкой, поставляемой в комплекте с материнской платой — количество и расположение разъёмов в этой зоне не регламентируется ограничено только её геометрическими размерами.
• В 1995 году был разработан стандарт USB , однако на материнские платы он стал встраиваться только в конце 1990-х — отчасти благодаря фирме Apple , которая в то время продавала хоть и несовместимые с x86 компьютеры, но поспособствовала разработке периферийных устройств под новый порт. В результате, стандарты ATX и USB получили широкое распространение практически одновременно в начале 2000-х: практически все материнские платы стандарта ATX поддерживали USB, в то время как платы стандарта AT — как правило нет.
• разъёмы процессора вплоть до Socket 7 были универсальными — позволяли устанавливать в них процессоры одного поколения как от Intel , так и от AMD и Cyrix . В дальнейшем Intel и AMD стали изготавливать процессоры, несовместимые друг с другом механически и электрически.
• Процессор Pentium II и некоторые другие распаивались на отдельной плате вместе с кэшем и устанавливались в специальный разъём вертикально, как карты расширения, однако в дальнейшем такая компоновка распространения не получила и встречается в основном на промышленных и встроенных компьютерах.
• По мере роста производительности процессоров и видеокарт, их энергопотребление также росло, из-за чего на материнских платах начали появляться дополнительные разъёмы для питания процессора. Для повышения стабильности и снижения пульсаций преобразователи напряжения для питания процессора и других компонент стали выполнять многофазными.
• С середины 2000-х годов разъём ATA начинает вытесняться разъёмом SATA (некоторое время существуя параллельно). Разъём SATA значительно компактнее и на материнской плате их размещают до десятка, иногда и больше. Только вместе с разъёмом IDE уходят и разъёмы для флоппи-дисков , которые продолжали использоваться, несмотря на то, что их объёма было недостаточно уже для начала 90-х.
• Также с середины 2000-х начали появляться материнские платы на шине PCI Express , призванной заменить как PCI , так и AGP . И если AGP была вытеснена довольно быстро, то для PCI было изготовлено достаточно большое количество устройств, поэтому разъёмы PCI (а иногда даже ISA ) продолжают иногда устанавливаться на материнские платы спустя больше десятка лет после появления PCI Express.
• Также с целью снижения шума при малых нагрузках и увеличения эффективности при больших, материнские платы стали оснащаться термодатчиками и цепями управления вентиляторами. Также термодатчики стали встраивать непосредственно в процессоры. Особенно важно это было энтузиастам оверклокинга .
• Если ранее обновление BIOS было возможно только с использованием программатора , то с середины 2000-х появилась возможность обновления напрямую из операционной системы, что давало больше возможностей для оверклокинга, а также позволяло исправлять ошибки в BIOS.
• В 2013 году был представлен новый формат карт расширения — M.2 . Такие карты имеют небольшой размер и устанавливаются на материнскую плату горизонтально. В основном карты формата M.2 используется для высокоскоростных SSD-накопителей и адаптеров Wi-Fi -сетей. Главное преимущество карт M.2 для SSD-накопителей — возможность использования протокола NVMe вместо AHCI , что позволяет значительно увеличить как скорость последовательного, так и случайного чтения/записи за счёт распараллеливания. Кроме того, SSD-карты формата M.2 устанавливаются на плату, не требуя дополнительных кабелей и креплений, что может быть очень удобно в малогабаритных сборках.
• В конце 2010-х в моду входят ПК с прозрачной стенкой корпуса для демонстрации его содержимого. Производители материнских плат стали наносить на платы шелкографию, устанавливать радиаторы вычурной формы, предназначенные не только для рассеивания тепла, но и часто чисто в декоративных целях. Также материнские платы для энтузиастов могут оснащаться декоративной подсветкой.
• Также в 2010-х годах стали набирать популярность миниатюрные материнские платы стандартов microATX и mini-ITX для сборки высокопроизводительных систем в компактном корпусе.

Обычные компоненты материнской платы компьютера

В качестве основных (несъёмных) частей материнская плата имеет:

• разъём процессора (ЦПУ) ,
• разъёмы оперативной памяти (ОЗУ) ,
• микросхемы чипсета (подробнее см. северный мост , южный мост ),
• загрузочное ПЗУ ,
• контроллеры шин (в настоящее время — практически всегда в составе чипсета или даже непосредственно процессора) и их слоты расширения ,
• контроллеры и интерфейсы периферийных устройств . Так, часто отдельными устройствами, не входящими в чипсет, являются звуковые и сетевые контроллеры .

Материнская плата с сопряженными устройствами монтируется внутри корпуса с блоком питания и системой охлаждения , формируя в совокупности системный блок компьютера.

Классификация материнских плат по форм-фактору

Форм-фактор материнской платы — стандарт, определяющий размеры материнской платы для компьютера, места её крепления к шасси ; расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода-вывода , разъёма процессора , слотов для оперативной памяти , а также тип разъёма для подключения блока питания .

Форм-фактор (как и любые другие стандарты) носит рекомендательный характер. Спецификация форм-фактора определяет обязательные и опциональные компоненты. Однако подавляющее большинство производителей предпочитают соблюдать спецификацию, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость материнской платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт расширения) других производителей (что имеет ключевое значение для снижения стоимости владения , англ. TCO ).

• Устаревшими являются форматы: Baby-AT ; полноразмерная плата AT ; LPX ; BTX , MicroBTX и PicoBTX.
• Современные и массово применяемые форматы: ATX ; microATX ; Mini-ITX .
• Внедряемые форматы: Nano-ITX ; Pico-ITX ; FlexATX ; NLX; WTX , CEB .

Существуют материнские платы, не соответствующие никаким из существующих форм-факторов ( см. таблицу ). Это принципиальное решение производителя, обусловленное желанием создать на рынке несовместимый с существующими продуктами «бренд» ( Apple , Commodore , Silicon Graphics , Hewlett-Packard , Compaq чаще других игнорировали стандарты) и эксклюзивно производить к нему периферийные устройства и аксессуары.

Предназначение компьютера (бизнес, персональный, игровой) в значительной степени влияют на выбор поставщика материнской платы.

• Для нужд SOHO или предприятия выгоднее приобретение готового компьютера (или решения, например, « клиент-сервер » или блейд-сервер с закупкой или лизингом готового решения).
• Для персонального пользования в качестве основного устройства позиционируется портативный компьютер ^{[ почему? ] [ источник не указан 3103 дня ]} . Материнские платы ноутбуков существенно отличаются от материнских плат настольных компьютеров : для сокращения габаритов компьютера в плату оригинальной схемотехники встраивается (интегрируется) множество отдельных периферийных плат (например, встраивается видеокарта ) — это обеспечивает компактные габариты и низкое энергопотребление ноутбука, но приводит к меньшей надёжности, проблемам с теплоотводом , значительному увеличению стоимости материнских плат, а также отсутствию взаимозаменяемости.

Таким образом, покупка отдельной материнской платы обоснована созданием компьютера «особой» конфигурации, например, малошумного или игрового .

Определение модели

Определить модель установленной материнской платы можно

• визуально, с помощью заводских этикеток и надписей на плате
• с помощью программного инструментария типа DMI
• программно, с помощью утилиты типа CPU-Z . В Linux можно использовать утилиту dmidecode, в Windows — SIW или AIDA64

Технологии энергосбережения

Повышенное внимание к «зеленым» технологиям, требующим энергосберегающих и экологически безопасных решений, и обеспечение важных для материнских плат характеристик, вынудило многие компании-производители разрабатывать различные решения в этой области.

С постоянным увеличением популярности электронных приборов на протяжении ближайших 20—30 лет Евросоюз решил ввести эффективную стратегию для решения вопросов энергопотребления. Для этого были выпущены требования по энергоэффективности — (Energy-related Products) и EuP (Energy Using Product). Стандарт разработан для определения энергопотребления готовых систем. По требованию ErP/EuP, система в выключенном состоянии должна потреблять менее 1 Вт мощности.

Спецификации ErP/EuP 2.0 намного строже первой версии. Для соответствия ErP/EuP 2.0 (вступила в действие в 2013 году) полное энергопотребление компьютера в выключенном состоянии не должно превышать 0,5 Вт.

• EPU Engine
• Ultra Durable (версии 1, 2 и 3) — технология от Gigabyte , призванная улучшить температурный режим и надежность работы материнской платы, которая подразумевает:
  • Увеличенная (удвоенная) толщина медных слоев толщиной 70 мкм (2 унции/фут²) как для , так и для слоя заземления системной платы снижает полное сопротивление платы на 50 %, что обеспечивает снижение рабочей температуры компьютера, повышение энергоэффективности и улучшение стабильности работы системы в условиях разгона.
  • Использование полевых транзисторов, обладающих пониженным сопротивлением в открытом состоянии (RDS(on)). Транзисторы преобразователей питания +12 вольт выделяют относительно много тепла и, когда говорят об охлаждении подсистемы питания процессора, то подразумевают именно их.
  • Использование дросселей с ферритовым сердечником — эти дроссели обеспечивают меньшие потери энергии и меньший уровень электромагнитного излучения .
  • Использование бессвинцового припоя.
  • Повторное использование и картона и пластика упаковки.

Комментарии

Примечания

Литература

• Скотт Мюллер. Модернизация и ремонт ПК = Upgrading and Repairing PCs. — 17-е изд. — М. : , 2007. — С. 241—443. — ISBN 0-7897-3404-4 .

Ссылки

• от 22 марта 2013 на Wayback Machine
• — Techquickie ( )
• —