Płyta główna (ang. motherboard, mainboard) – obwód drukowany

Płyta główna (ang. motherboard, mainboard) – obwód drukowany urządzenia elektronicznego, na
którym montuje się najważniejsze elementy, umożliwiając komunikację wszystkim pozostałym
komponentom i modułom. Na płycie głównej znajdują się: chipset, gniazdo procesora/ów,
regulator napięcia, gniazdo/a pamięci operacyjnej, gniazdo/a do zainstalowania dodatkowych
płyt drukowanych zwanych kartami rozszerzającymi (np. PCI, PCIe), kontroler wraz
z gniazdami do urządzeń składujących (dyski twarde, napędy optyczne itp.), porty I/O, piny
konfiguracyjne, BIOS ROM, zegara czasu rzeczywistego (RTC) wraz z modułem bateryjnego
podtrzymania zegara.
Koncepcję zbudowania komputera osobistego wyposażonego tylko w minimum
potrzebnych urządzeń zmontowanych na jednej płycie drukowanej oraz gniazd, do których
podłącza się dodatkowe urządzenia zapoczątkowała firma IBM wprowadzając komputer
osobisty(PC).
Budowa płyty głównej:
Większość układów zrealizowanych na płycie głównej zgrupowana jest w dwóch układach
scalonych zwanych mostkami. Bliższy procesorowi zwany mostkiem północnym oraz dalszy
mostek południowy. Mostek południowy łączy się z procesorem poprzez mostek północny.
Mostek północy jest połączony z procesorem za pomocą magistrali FSB lub łączy typu
Punkt-Punkt np.: Hyper Transport. W nowszych rozwiązaniach układ ten zawiera podstawowy
kontroler PCIe w starszych AGP. Służy on najczęściej do podłączenia urządzeń z rodzaju kart
graficznych (także zintegrowanych), ale też wszelkich urządzeń wymieniających z procesorem lub
pamięcią duże ilości danych (bardzo często zintegrowane karty sieciowe).
Mostek południowy (jeśli występuje) jest podłączony do mostka północnego za pomocą magistrali
albo łączem typu Punkt-Punkt. Zawiera drugi kontroler PCIe, kontrolery SATA, ATA, USB,
zintegrowany kontroler dźwięku (np. AC97), kontrolery Ethernetu, itd... Jeśli na płycie głównej
występuje tylko jeden układ, to najczęściej wszystkie funkcje mostka południowego i północnego
są w nim zintegrowane. Oba mostki nazywane są często wspólnie Chipsetem.
Gniazdo procesora – socket lub slot do podłączenia procesora.
Regulator napięcia – układ generujący i stabilizujący napięcie dla procesora
na wymaganych przez niego poziomach (np. 1.7 V). Składa się on głównie z
zestawu cewek i kondensatorów. W nowych płytach głównych napięcie do
regulatora jest pobierane z osobnego gniazda ATX 12V
gniazdo/a pamięci operacyjnej – płyta główna umożliwia podłączenie kilku kości pamięci
SDRAM. Wraz z rozwojem płyt głównych rodzaje kości RAM się zmieniały nie zachowując
kompatybilności. Wiec niekiedy płyt główne posiadały 2 rodzaje gniazd pamięci RAM.
BIOS ROM(akronim ang. Basic Input/Output System – podstawowy system wejścia-wyjścia) –
zapisany w pamięci stałej zestaw podstawowych procedur pośredniczących pomiędzy systemem
operacyjnym a sprzętem. Posiada on własną pamięć, w której znajdują się informacje dotyczące
daty, czasu oraz danych na temat wszystkich urządzeń zainstalowanych na naszym komputerze. Jest
to program zapisany w pamięci ROM płyty głównej oraz innych kart rozszerzeń takich jak np. karta
graficzna. Obecnie większość BIOS-ów zapisywana jest w pamięciach typu EEPROM, co
umożliwia ich późniejszą aktualizację. BIOS wykonuje POST Power-On Self Test - testuje sprzęt
po włączeniu komputera, zajmuje się wstępną obsługą urządzeń wejścia/wyjścia, kontroluje transfer
danych pomiędzy komponentami takimi jak dysk twardy, procesor czy napęd CD-ROM. Inicjuje
program rozruchowy. BIOS potrzebny jest w komputerach osobistych ze względu na architekturę
płyt głównych, gdzie dzięki ACPI kontroluje zasilanie, jak również monitoruje temperaturę
itp.BIOS można zmieniać za pomocą programu BIOS SETUP, np. parametry podłączonych
dysków twardych lub zachowanie się komputera po jego włączeniu (np. szybkość testowania
pamięci RAM), a także włączać/wyłączać niektóre elementy płyty głównej, np. porty
komunikacyjne, przetaktowywać procesor i pamięci RAM.
Producenci sprzętu komputerowego umieszczają na płytach głównych często dodatkowy moduł
pamięci flash, który stanowi zabezpieczenie dla podstawowego BIOS-u, gdy ten zostanie np.
uszkodzony/zniszczony przez wirusa komputerowego lub w niewłaściwy sposób zaktualizowany.
W takim przypadku zawartość zapasowego układu przepisywana jest do
pierwszego, podstawowego modułu pamięci flash(DualBIOS).
Zegar czasu rzeczywistego (ang. Real-Time Clock RTC) – element
systemów komputerowych służący do odliczania czasu niezależnie od stanu
maszyny (pracy, zablokowania, wyłączenia), montowany jest niemalże we
wszystkich komputerach osobistych. Konstrukcja zegaru czasu rzeczywistego
może być oparta na prostym układzie scalonym zliczającym impulsy z
generatora kwarcowego. Są one zasilane z baterii umożliwiającej im pracę
również, gdy komputer jest wyłączony. Rzadziej są stosowane akumulatory (np. w nowszych
laptopach, gdzie trudniej jest wymienić baterię).
Najważniejsi producenci płyt głównych:
Asus Gigabyte MSI Asrock Foxconn
Rodzaje (formaty) płyt głównych:
Można wyróżnić kilka popularnych formatów płyt głównych stosowanych w komputerach PC.
Różnią się one rozmiarem, rozmieszczeniem głównych elementów, gniazd i otworów montażowych
Do bardziej popularnych należy zaliczyć:
AT (ang. Advanced Technology) – standard konstrukcji płyt głównych oraz zasilaczy i obudów
komputerowych do nich. Standard AT został udostępniony w 1984 r. przez IBM. W odróżnieniu od
wcześniejszych standardów: PC i XT, rozpowszechnił się bardzo szeroko ze względu na rozkwit
rynku komputerów w latach 80.
Standard ten wyróżnia się między innymi:
• przełącznikiem stanowym, który ma stan włączony lub wyłączony, najpierw
należy zamknąć system operacyjny, a następnie wyłączyć komputer,
• jednym złączem DIN służącym do podłączenia klawiatury,
• brakiem jednolitego standardu umiejscowienia elementów, skutkującym
umiejscowieniem niektórych elementów w taki sposób, że uniemożliwiają
instalację innych, np: umiejscowienie zasilacza uniemożliwia dostęp do pamięci
operacyjnej,
• dwa prawie jednakowe złącza zasilania, których jednakowy wygląd często
doprowadzał do uszkodzenia płyty głównej,
• znajdowały się tam 2 napięcia zasilania 5v i 12v,
• gniazda szeregowe i równolegle podłączone były za pomocą taśmy.
Baby AT – standard konstrukcji płyt głównych oraz zasilaczy i obudów komputerowych
wprowadzony przez firmę IBM w 1985 roku. Płyty Baby-AT miały wymiary 220x330 mm i były
wykorzystywane z procesorami Intel 80286 i wczesnymi modelami Pentium.
ATX (ang. Advanced Technology Extended) – standard konstrukcji płyt głównych oraz zasilaczy i
obudów komputerowych do nich. Standard ATX został opatentowany przez firmę Intel w 1995
roku. Był to spory krok naprzód w porównaniu do wcześniejszych konstrukcji typu AT, które
królowały przez wiele lat.
Zmiany
• Układ płyty głównej. Ścisłe określenie położenia niektórych elementów pozwoliło na pewną
niwelację niedociągnięć w budowie wcześniejszych płyt. Standard ATX jednoznacznie
określa, w którym miejscu ma się znajdować procesor. Pozwoliło to na instalowanie
dłuższych kart w slotach PCI oraz ISA. Wcześniej przeszkadzała w tym lokalizacja
procesora. Lepsze rozmieszczenie poszczególnych komponentów zezwoliło na
zredukowanie plątaniny kabli oraz łatwiejszy dostęp do niektórych części (np. moduły
pamięci umieszczone na środku, kontrolery FDD i IDE bliżej samych napędów).
Gniazdo zasilające płytę główną zastąpiono większymi, jednoczęściowym gniazdem.
Porty. Niewiele portów, zwykle tylko port klawiatury, widocznych na tylnej ściance
obudowy w konstrukcjach AT wychodziło bezpośrednio z płyty głównej. Trzeba było
korzystać z dodatkowych przejściówek (np. w przypadku portów szeregowych i
równoległych). Standard ATX zakładał taką konstrukcję płyt i obudów, aby możliwe było
umieszczenie portów bezpośrednio na tylnej ścianie obudowy.
• Funkcja Soft Power. Umożliwia ona kontrolę zasilania z poziomu systemu operacyjnego
oraz umożliwia oszczędzanie energii, poprzez wprowadzanie komputera w stan uśpienia po
dłuższej bezczynności.
• Chłodzenie. Dzięki zmienionej konstrukcji obudowy, poprzez jednoczesny nawiew i
wywiew powietrza, chłodzenie komputera stało się bardziej wydajne.
• Urządzenia zintegrowane. W starszej wersji płyty AT nie było żadnego urządzenia
zintegrowanego. W nowej wersji typu ATX pojawiły się już zintegrowania(karty graficzne,
karty dźwiękowe, karty sieciowe)
Konstrukcje ATX używały 20-pinowego łącza zasilania zlokalizowanego na płycie głównej.
Nowsza specyfikacja zaleca używanie 24-pinowych łączy aby umożliwić zasilanie szyny PCI
Express.
microATX (µATX) – zmodyfikowana wersja standardu ATX.
Zmiany
• Płyta główna została pomniejszona do wielkości 244 x 244 mm (9.6" x 9.6") głównie przez
ograniczenie liczby slotów do 4 slotów AGP, PCI, ISA lub PCI Express.
• Opracowano równolegle standard zasilacza o pomniejszonej wielkości (SFX) pozostawiając
jednak możliwość korzystania w płytach microATX z zasilaczy w standardzie ATX.
FlexATX – standard konstrukcji płyty głównej, powstałej jako zmniejszona wersja płyt ATX.
Specyfikacja formatu została wydana przez firmę Intel w 1999 roku jako rozszerzenie specyfikacji
microATX. Używa takiego samego rozmieszczenia otworów montażowych co microATX oraz
takich samych paneli I/O jak ATX i microATX. Płyta FlexATX nie może być większa niż 229 × 191
mm i nie może mieć więcej niż 2 gniazda rozszerzeń.
BTX (ang. Balanced Technology Extended) – standard konstrukcji płyt głównych oraz zasilaczy i
obudów komputerowych, który został zaproponowany w 2004 roku przez firmę Intel jako następca
standardu ATX.
Zmiany dotyczą przede wszystkim takiego rozmieszczenia elementów płyty głównej, aby strumień
chłodzącego powietrza przepływał od przodu do tyłu obudowy komputera, a wydzielające dużą
ilość ciepła komponenty oddawały je w jego kierunku. W przedniej części obudowy umieszczony
jest duży, dobrej jakości wentylator, który chłodzi radiator procesora oraz wymusza obieg powietrza
we wnętrzu obudowy. Elementy wydzielające ciepło, takie jak karta graficzna czy moduły pamięci,
umieszczone są równolegle do strumienia, by nie powodować jego zaburzeń.
Jednocześnie zmniejszono wymagania odnośnie przestrzeni potrzebnej do budowy
pełnowymiarowych konstrukcji (zwłaszcza pod względem wysokości), co stanowi krok w kierunku
platform serwerowych, zwłaszcza kasetowych.
Z planów firmy Intel wynika, że firma zamierza uśmiercić standard płyt głównych BTX,
niedoszłego następcę zadomowionego na rynku od lat formatu ATX.
NLX - standard konstrukcji obudów i płyt głównych komputerów wprowadzony na rynek przez
firmę Intel w 1996 roku.
Specyfikacja ta powstała po to, aby ułatwić montaż i demontaż urządzeń w komputerze (np. dyski
twarde montowane są na zaczepach, a nie za pomocą śrub), a także dostęp do poszczególnych
komponentów komputera, takich jak pamięć RAM czy płyta główna.
Komputery oparte na architekturze NLX są produkowane i rozprowadzane przez dużych
sprzedawców i praktycznie nieosiągalne w obrocie detalicznym, gdzie najpopularniejszym
•
•
formatem jest ATX.
WTX (ang. Workstation Technology Extended) – rodzaj płyty głównej stworzonej przez firmę Intel
w 1998 roku.
Głównym zastosowaniem płyt w standardzie WTX są serwery i stacje robocze typu high-end często
wieloprocesorowe wyposażone w kilka twardych dysków. WTX posiada architekturę
umożliwiającą łatwiejsze uaktualnienie konfiguracji poprzez wymianę modułu specjalnego karty
rozszerzającej "Riser Card" zawierającej układy oraz złącza komunikacyjne.
mini-ITX – standard płyt głównych o wymiarach 17x17 cm, zaprojektowany przez VIA
Technologies w 2001 roku.
Płyty te cechują się zazwyczaj jednym złączem PCI bądź PCI Express Posiadają one dość słabe
akceleratory graficzne i niemożliwy do wymiany procesor wlutowany w płytę główną, gdy procesor
ulegnie uszkodzeniu płyta główna jest już bezużyteczna.
Nano-ITX - format miniaturowej płyty głównej o wymiarach 120 x 120 mm. Istnieje jeszcze
mniejszy format płyty głównej o nazwie Pico-ITX o wymiarach 100 x 72 mm.
ROM (ang. Read-Only Memory - pamięć tylko do odczytu) - rodzaj pamięci półprzewodnikowej
urządzenia elektronicznego, w szczególności komputera, z której dane można tylko odczytywać, a
zapis jest niemożliwy, trwa długo lub może wymagać dodatkowych czynności lub sprzętu. W tego
typu pamięciach przechowywane są dane, które muszą być zachowane, nawet jeśli urządzenie nie
jest zasilane.
Określenie ROM stosowane jest też także do niepółprzewodnikowych niekasowalnych nośników
danych, na przykład CD-ROM, DVD-ROM.
Ze względu na metodę zapisu najpopularniejsze rodzaje pamięci ROM to:
• ROM (MROM) - pamięci tylko do odczytu. Ten typ pamięci programowany jest w trakcie
procesu produkcyjnego. Czasami ROM określana jako MROM (Mask-programmable
ROM).
• PROM (ang. Programmable ROM) - programowalna pamięć tylko do odczytu. Jest to
pamięć jednokrotnego zapisu. Pierwsze pamięci tego typu były programowane przez
przepalenie cieniutkich drucików wbudowanych w strukturę (tzw. „przepalanie połączeń”),
które zazwyczaj przeprowadza się w programatorach.
• EPROM (ang. Erasable Programmable ROM) - kasowalna pamięć tylko do odczytu. Do
której zaprogramowania potrzebne jest specjalne urządzenie, zwane programatorem PROM
(PROM Programmer albo PROM Burner). Pamięć tego typu do powtórnego
zaprogramowania wymaga kasowania, które przeprowadza się poprzez naświetlanie
ultrafioletem. Pamięci tego typu montowane są zazwyczaj w obudowie ceramicznej z
„okienkiem” ze szkła kwarcowego umożliwiającym skasowanie.
• EEPROM (ang. Electrically Erasable Programmable ROM) - pamięć kasowalna
elektrycznie. Wykonywana w różnych postaciach, różniących się sposobem organizacji
kasowania i zapisu.
• Flash EEPROM - rodzaj pamięci EEPROM, w których kasowanie odbywa się
jednocześnie dla określonej w danym modelu części pamięci. Przy zapisywaniu dane są
gromadzone w buforze i zapisywane razem.
Test POST jest przeprowadzany w kilku fazach. Faza pierwsza to sprawdzenie obecności i
prawidłowości działania układów niezbędnych do działania komputera. Na tym etapie nie jest
dostępna jeszcze żadna karta rozszerzenia i błędy są komunikowane przez miniaturowy głośnik
(ang. PC speaker) umieszczony w obudowie jednostki systemowej. W pierwszej kolejności jest
testowana poprawność pracy procesora, później pamięci RAM i następnie karty graficznej.
Niepomyślny wynik POSTu skutkuje serią odgłosów wydanych przez głośnik. Odgłosy te, a
dokładniej ich ilość i czas trwania są kodem błędu. Korzystając z instrukcji obsługi możemy ustalić,
co jest przyczyną problemów.
ACPI (ang. Advanced Configuration and Power Interface, zaawansowany interfejs zarządzania
konfiguracją i energią) – otwarty standard opracowany przez firmy Intel, Microsoft i Toshiba.
ACPI zwiększa możliwości systemów zarządzania energią oferowane przez wcześniejsze
rozwiązanie APM. Umożliwia systemowi operacyjnemu kontrolowanie ilości energii dostarczanej
do poszczególnych urządzeń komputera (napędu CD-ROM, twardego dysku oraz urządzeń
peryferyjnych) i, podobnie jak APM, umożliwia ich wyłączanie, gdy nie są używane a konieczne
jest oszczędzanie energii. Najnowsza wersja specyfikacji - 5.0 - ogłoszona została 6 grudnia 2011.
Program rozruchowy (ang. boot loader) – działający na zasadzie bootstrapu (z ang. „pull oneself
up by one’s bootstraps” – podnieść się ciągnąc za własne sznurowadła) program uruchamiany jako
pierwszy po wykonaniu BIOS-u (lub EFI), służący do załadowania systemu operacyjnego do
pamięci operacyjnej komputera.
Unified Extensible Firmware Interface (UEFI) – interfejs pomiędzy systemem operacyjnym a
firmware, opracowywany jako następca BIOS-u w komputerach osobistych. Pomysł EFI został
opracowany w firmie Intel na potrzeby procesora serwerowego Itanium. Obecnie prace nad
systemem koordynowane są przez organizację Unified EFI Forum.
Jedną z cech EFI jest możliwość pisania dla niego sterowników. W takim wypadku sterownik jest
niezależny od systemu operacyjnego. Ponadto UEFI pozwala na obsługę dysków twardych
większych od 2 TB, maksymalnie 8192 EB dzięki nowej procedurze do zarządzania dyskami o
nazwie GPT. W UEFI są także minisystemy operacyjne (UEFI Shell), które obsługuje się
poleceniami tekstowymi. Ta funkcja przeznaczona jest dla serwisantów komputerowych. Niektórzy
producenci oferują własne minisystemy dla UEFI które uruchamiane są z płyty CD/DVD.
Apple od roku 2006 stosuje EFI w swoich komputerach,nie ma natomiast możliwości wejścia w
jego opcje.