Печатная плата

Основу материнской платы составляет печатная плата. На печатной плате располагаются сигнальные линии, часто называемые сигнальными дорожками, соединяющими между собой все элементы материнской платы. Если сигнальные дорожки расположены слишком близко друг к другу, то передаваемые по ним сигналы будут создавать помехи друг для друга. Чем длиннее дорожка и выше скорость передачи данных по ней, тем больше она создает помех для соседних дорожек и тем больше она уязвима для таких помех.

В результате, могут возникать сбои в работе даже сверхнадежных и дорогих компонентов ЭВМ. Поэтому основная задача при производстве печатной платы так разместить сигнальные дорожки, чтобы минимизировать действие помех на передаваемые сигналы. Для этого печатную плату делают многослойной, многократно увеличивая полезную площадь печатной платы и расстояние между дорожками.

Обычно современные материнские платы имеют шесть слоев: три сигнальных слоя, слой заземления и две пластины питания.

Однако количество слоев питания и сигнальных слоев может варьироваться, в зависимости от особенностей материнских плат.

Разметка и длина дорожек крайне важна для нормальной работы всех компонентов ЭВМ, поэтому при выборе материнской платы надо особое внимание уделять качеству печатной платы и разводке дорожек. Особенно это важно, если вы собираетесь использовать компоненты ЭВМ с нестандартными настройками и параметрами работы. Например, разгонять процессор или память.

На печатной плате располагаются все компоненты материнской платы и разъемы для подключения плат расширения и периферийных устройств. Ниже на рисунке изображена структурная схема расположения компонентов на печатной плате.

Рассмотрим более подробно все компоненты материнской платы и начнем с главного компонента – чипсета.

Основа любой системной платы — чипсет, то есть набор микросхем, обеспечивающих взаимодействие между процессором, памятью, накопителями и другими устройствами. В его состав входят два основных чипа, которые обычно называются северным (Northbridge) и южным (Southbridge) мостами.

Иногда северный мост называют системным контроллером, а южный — функциональным контроллером. В чипсетах для процессоров Intel северный мост обозначается МСН (Memory Controller Hub), а южный — ICH (Input/Output Controller Hub).

Основная задача северного моста — обеспечить связь процессора с оперативной памятью и видеосистемой. Данными процессор и северный мост обмениваются с помощью шины FSB, северный мост и оперативная память — с помощью специальной шины памяти, северный мост и видеосистема — с помощью PCI Express (в устаревших чипсетах — с помощью шины AGP). В некоторых чипсетах в состав северного моста также входит интегрированный видеоадаптер.

Северный мост сильно нагревается во время работы, поэтому для его охлаждения используют радиатор, а в некоторых случаях и вентилятор.

В чипсетах для процессоров Athlon 64/Х2 и Phcnom контроллер оперативной памяти интегрирован непосредственно в процессор, а северный мост выполняет функции контроллера PCI Express. Чипсеты для современных процессоров Athlon/Phenom выпускают компании AMD, nVidia и VIA, причем чипсеты nVidia могут состоять всего из одного чипа, который совмещает функции северного и южного мостов.
Южный мост (от англ. Southbridge) (функциональный контроллер), также известен как контроллер-концентратор ввода-вывода (от англ. I/O Controller Hub, ICH).

Обычно это одна микросхема, которая связывает «медленные» (по сравнению со связкой «Центральный процессор-ОЗУ») взаимодействия (например, Low Pin Count, Super I/O или разъёмы шин для подключения периферийных устройств) на материнской плате с ЦПУ через Северный мост, который, в отличие от Южного, обычно подключён напрямую к центральному процессору.

Функционально южный мост включает в себя:

• контроллер шины PCI (устаревший);
• контроллер шины PCI Express;
• контроллер шины SMBus или I2C;
• DMA контроллер;
• контроллер прерываний;
• PATA (IDE) и SATA контроллеры;
• контроллер шины LPC;
• часы реального времени (Real Time Clock);
• управление питанием (Power management (APM и ACPI);
• энергонезависимую память BIOS (CMOS);
• звуковой контроллер (обычно AC97 или Intel HDA).

Опционально южный мост также может включать в себя контроллер Ethernet, RAID-контроллеры, контроллеры USB, контроллеры FireWire и аудио-кодек.

Реже южный мост включает в себя поддержку клавиатуры, мыши и последовательных портов, но обычно эти устройства подключаются с помощью другого устройства — Super I/O (контроллера ввода-вывода). Поддержка шины PCI включает в себя традиционную спецификацию PCI, но может также обеспечивать поддержку шины PCI-X и PCI Express. Хотя поддержка шины ISA используется достаточно редко, она осталась, что интересно, неотъемлемой частью современного южного моста. Шина SM используется для связи с другими устройствами на материнской плате (например, для управления вентиляторами). Контроллер DMA позволяет устройствам на шине ISA или LPC получать прямой доступ к оперативной памяти, обходясь без помощи центрального процессора.

Контроллер прерываний обеспечивает механизм информирования ПО, исполняющегося на ЦПУ о событиях в периферийных устройствах. IDE интерфейс позволяет «увидеть» системе жёсткие диски. Шина LPC обеспечивает передачу данных и управление SIO (это такие устройства, как клавиатура, мышь, параллельный, последовательный порт, инфракрасный порт и флоппи-контроллер) и BIOS ROM (флэш).

APM или ACPI функции позволяют перевести компьютер в «спящий режим» или выключить его.

Системная память CMOS, поддерживаемая питанием от батареи, позволяет создать ограниченную по объёму область памяти для хранения системных настроек (настроек BIOS).