Системна (материнська) плата, архітектура та конструктивне виконання. Стандарти материнських плат

Формфактори системної плати

Найважливішим вузлом комп'ютера є системна плата (system board), іноді звана материнською (motherboard), основною або головною платою (main board).

Існує декілька найпоширеніших формфакторів, що враховуються при розробці системної плати. Формфактор (form factor) є фізичними параметрами плати і визначає тип корпусу, в якому вона може бути встановлена. Формфактори системної плати можуть бути стандартними (тобто взаємозамінними) або нестандартними. Нестандартні формфактори, на жаль, є перешкодою для модернізації комп'ютера, тому від їх використання краще відмовитися. Найвідоміші формфактори системної плати перераховані нижче.

Застарілі:

• Baby-AT;

• повнорозмірна плата AT;

• LPX. Сучасні:

• АТХ;

• Micro-ATX;

• Flex-АТХ;

• NLX;

• WTX(B теперішній час не виробляються).

Інші:

• незалежні конструкції (розробки компаній Compaq, Packard Bell, Hewlett-Packard, портативні/мобільні системи і т.д.).

За останні декілька років відбувся перехід від системної плати оригінального форм-фактора Baby-AT, який використовувався в перших комп'ютерах IBM PC і XT, до плати формфактора АТХ і NLX, використовуваної в більшості повнорозмірних настільних і вертикальних систем. Існує декілька варіантів формфактора АТХ, до числа яких входять Micro-ATX (який є зменшеною версією формфактора АТХ, використовуваного в системах малих розмірів) і flex-АТХ (ще більш зменшений варіант, призначений для домашніх комп'ютерів нижчого цінового рівня). Формфактор NLX призначений для корпоративних настільних систем; WTX, у свою чергу, розроблявся для робочих станцій і серверів з середнім режимом роботи, але широкого поширення не набув.

Не дивлячись на широке розповсюдження плати Baby-AT, повнорозмірної AT і LPX, їм на зміну прийшла системна плата сучасніших формфакторів, які фактично є промисловим стандартом, що гарантує сумісність кожного типу плати. Це означає, що системна плата АТХ може бути замінена іншою платою того ж типу, замість системної плати NLX може бути використана інша плата NLX і т.д. Завдяки додатковим функціональним можливостям сучасної системної плати, комп'ютерна індустрія змогла швидко перейти до нових формфакторів.

Системна плата, параметри яких не вписуються в якій-небудь з формфакторів промислового стандарту, відносяться до плати незалежних конструкцій. Купувати комп'ютери з нестандартною системною платою слід тільки у разі особливих обставин. Ремонт і модернізація таких систем досить дорогі, що зв'язане, в першу чергу, з неможливістю заміни системної плати, корпусів або джерел живлення іншими моделями. Системи незалежних формфакторів іноді називаються "одноразовими" PC, що стає очевидним, коли приходить час їх модернізації або ремонту після закінчення гарантійного терміну.

Таблиця 4.1. Формфактори системної плати

Формфактор	Область застосування
АТХ	Стандартні настільні комп'ютери в корпусах mini-tower і full-tower; найприйнятніша конструкція як для новачків, так і для досвідчених користувачів, серверів і молодших моделей робочих станцій, а також домашніх систем вищого рівня. Плата ATX підтримує до семи роз'ємів розширення
Mini-ATX	Зменшена версія ATX, яка використовується там же, де і плата АТХ. Багато які з так званих системних плат АТХ насправді є платами Mini-ATX.Системна плата Mini-ATX підтримує до шести розширювальних гнізд
Micro-ATX	Настільні комп'ютери або вертикальні системи mini-Tower середнього рівня
Flex-ATX	Недорогі або менш продуктивні настільні або вертикальні системи mini-Tower, використовувані в найрізноманітніших цілях
NLX	Корпоративні настільні або вертикальні системи mini-Tower, відмінні простотою і зручністю обслуговування

ATX

Конструкція ATX була розроблена порівняно недавно. У ній поєднуються якнайкращі риси стандартів Baby-AT і LPX і закладено багато додаткових удосконалень. По суті, АТХ — це "лежача на боку" плата Baby-AT із зміненим роз'ємом і місцеположенням джерела живлення. Головне, що необхідно запам'ятати, — конструкція АТХ фізично не сумісна ні з Baby-AT, ні з LPX. Іншими словами, для системної плати АТХ потрібен особливий корпус і джерело живлення.

Вперше офіційна специфікація АТХ була опублікована компанією Intel в липні 1995 року і представлена як відкрита промислова специфікація. Системна плата АТХ з'явилася на ринку приблизно у середині 1996 року і швидко зайняла місце раніше використовуваної плати Baby-AT. У лютому 1997 року з'явилася версія 2.01 специфікації АТХ, після чого було зроблено ще декілька незначних змін. У травні 2000 року випускається остання (на сьогоднішній день) редакція специфікації АТХ (що містить рекомендацію Engineering Change Revision PI), яка одержала номер 2.03. Компанія Intel опублікувала докладну специфікацію АТХ, тим самим відкривши її для сторонніх виробників. Технічні характеристики існуючих специфікацій АТХ, а також інших типів системної плати можна одержати на Web-вузлі Desktop Form Factors за адресою: www.formfactors.org. В даний час АТХ є найпоширенішим формфактором системної плати, рекомендованим для більшості нових систем. Система АТХ залишиться розширюваною протягом ще багатьох років, в чому вона схожа на попередню їй системну плату Baby-AT.

Конструкція АТХ дозволила удосконалити стандарти Baby-AT і LPX.

• Наявність вбудованої подвійної панелі роз'ємів вводу-виводу. На задній стороні системної плати є область з роз'ємами вводу-виводу шириною 6,25 і висотою 1,75 дюйма. Це дозволяє розташувати зовнішні роз'єми безпосередньо на платі і виключає необхідність використання кабелів, що сполучають внутрішні роз'єми і задню панель корпусу, як в конструкції Baby-AT.

• Наявність одноключового внутрішнього роз'єму джерела живлення. Це спрощує заміну роз'ємів на джерелі живлення типа Baby-AT. Специфікація АТХ містить одноключовий роз'єм джерела живлення, який легко вставляється і який неможливо встановити неправильно. Цей роз'єм має контакти для підведення до системної плати напруги 3,3 В, а це означає, що для АТХ не потрібні вбудовані перетворювачі напруги, які часто виходять з ладу. У специфікацію АТХ були включені два додаткові роз'єми живлення, що одержали назву допоміжних силових роз'ємів (3,3 і 5 В), а також роз’єм ATX12V, використовуваний в системах, споживаючих більшу кількість електроенергії, чим передбачено оригінальною специфікацією.

• Переміщення процесора і модулів пам'яті. Змінені місця розташування цих пристроїв: тепер вони не заважають платам розширення, і їх легко замінити новими, не виймаючи при цьому жодного зі встановлених адаптерів. Процесор і модулі пам'яті розташовані поряд з джерелом живлення і обдуваються одним вентилятором, що дозволяє обійтися без спеціального вентилятора для процесора, який не завжди ефективний і часто схильний до поломок. Є також місце і для великого пасивного тепловідводу. Висота вільного простору, призначеного для установки процесора і тепловідводу, досягає приблизно 70 мм (2,8 дюйми).

• Успішніше розташування внутрішніх роз'ємів вводу-виводу. Ці роз'єми для накопичувачів на гнучких і жорстких дисках зміщені і знаходяться не під роз'ємами розширення або самими накопичувачами, а поряд з ними. Тому можна зменшити довжину внутрішніх кабелів до накопичувачів, а для доступу до роз'ємів не потрібно прибирати одну з плати або накопичувач.

• Поліпшене охолоджування. Процесор і оперативна пам'ять сконструйовані і розташовані так, щоб максимально поліпшити охолоджування системи в цілому. При цьому необхідність в окремому вентиляторі для охолоджування корпусу або процесора знижується (правда, не настільки, щоб відмовитися від нього зовсім). Додаткове охолодження все ще є насущною потребою більшої частини швидкодійних систем. Одна з особливостей оригінальної специфікації АТХ полягала у тому, що вентилятор блоку живлення направляє потік повітря всередину корпусу. Зворотний потік або схема нагнітання повітря приводить до підвищення тиску в корпусі, що перешкоджає проникненню бруду і пилу. Проте напрям потоку повітря в специфікації АТХ був переглянутий і перевага віддана вентилятору, що працює на видування, що приводить до пониження тиску повітря в корпусі. В цілому схема нагнітання повітря менш ефективна для охолоджування системи. І оскільки існуюча специфікація допускає практично будь-яку схему повітрообміну, більшість виробників поставляє блоки живлення АТХ в комплекті з вентиляторами, що відсмоктують повітря з системи або, кажучи інакше, з конструкцією негативного тиску.

• Зниження вартості. Конструкція АТХ не вимагає наявності гнізда кабелів до роз'ємів зовнішніх портів, що зустрічаються на системній платі Baby-AT, додаткового вентилятора для процесора і 3,3-вольтного стабілізатора на системній плати. У цій конструкції використовується один-єдиний роз'єм живлення. Крім того, ви можете укоротити внутрішні кабелі дискових накопичувачів. Все це істотно зменшує вартість не тільки системної плати, але і всього комп'ютера, включаючи корпус і джерело живлення.

На мал. 4.1 показано, як виглядає нова конструкція системи АТХ в настільному виконанні із знятою верхньою кришкою або у вертикальному з видаленою бічною панеллю. Зверніть увагу: системна плата практично не закривається відсіками для установки дисководів, що забезпечує вільний доступ до різних компонентів системи (таких, як процесор, модулі пам'яті, внутрішні роз'єми дисководів) і не заважає доступу до роз'ємів шини. Крім того, процесор розташований поряд з блоком живлення.

Системна плата АТХ, по суті, є конструкцією Baby-AT, переверненою на бік. Роз'єми розширення паралелі коротшій стороні і не заважають гніздам процесора, пам'яті і роз'ємам вводу-виводу. Окрім повнорозмірної схеми АТХ, компанія Intel описала конструкцію mini-АТХ, яка розміщується в такому ж корпусі. Повнорозмірна плата АТХ має розміри 305x244 мм (12x9,6 дюймів), а плата mini-ATX — 284x208 мм (11,2x8,2 дюймів).

Крім того, існують два зменшені варіанти системної плати АТХ, які носять назви Micro-ATX і flex-АТХ .

Мал. 4.1. Системна плата АТХ, встановлена в корпусі, розташовується таким чином, що гніздо процесора знаходиться поряд з вентилятором блоку живлення (і з вентилятором, вбудованим в корпус, якщо такий існує)

Не дивлячись на те що отвори в корпусі розташовуються так само, як і в Baby-AT, конструкції АТХ і Baby-AT несумісні. Для джерел живлення необхідний змінний роз'єм, але основна конструкція джерела живлення АТХ аналогічна конструкції стандартного джерела живлення Slimline. Розміри материнських плат АТХ і mini-АТХ показані на мал. 4.2.

Мал. 4.2. Специфікація плати АТХ версії 2.03, співставляючи розміри плати АТХ і micro-ATX

Не знімаючи кожух комп'ютера, можна визначити, чи має встановлена в ньому плата формфактор АТХ. Зверніть увагу на задню панель системного блоку. АТХ має дві відмінні риси. По-перше, всі роз'єми плати розширення підключені безпосередньо до системної плати; немає ніякої виносної плати, як у LPX або NLX. Роз'єми перпендикулярні до площини системної плати. По-друге, плата АТХ має унікальну платформу подвоєної висоти для всіх вбудованих роз'ємів на системній платі (мал. 4.3).

Мал. 4.3. Типове розташування роз'ємів на плати АТХ (вигляд ззаду): А — клавіатура або миша PS/2, В — клавіатура або миша PS/2, З — порт USB 1, D — nopm USB, Е — послідовний порт А, F — паралельний порт, G — послідовний порт В, Н — порт MIDI або ігровий (необов'язковий), I—лінійний вихід (необов'язковий), J—лінійний вхід (необов'язковий), К—мікрофон (необов'язковий)

Вся необхідна інформація, що відноситься до специфікацій формфакторов АТХ, mini-АТХ, micro-ATX, flex-ATX або NLX, може бути одержана на Web-вузлі Form Factors (раніше Platform Developer), який знаходиться за адресою: http://www.formfactors.org. Web-вузол Form Factors надає специфікації формфакторів і технічні характеристики конструкцій системної плати, а також містить огляд нових технологій, дані по різних постачальниках і дискусійний форум.

Micro-atx

Формфактор системної плати micro-ATX був вперше представлений компанією Intel в грудні 1997 року як варіант зменшеної плати АТХ, призначений для невеликих і недорогих систем. Зменшення формфактора стандартної плати АТХ привело до зменшення розмірів корпусу, системної плати і блоку живлення і кінець кінцем до зниження вартості системи в цілому. Крім того, формфактор micro-ATX сумісний з формфактором АТХ, що дозволяє використовувати системну плату micro-ATX в повнорозмірному корпусі АТХ. Але вставити повнорозмірну плату АТХ в корпус micro-ATX, як ви розумієте, не можна. На початку 1999 року цей формфактор стрімко захопив ринок недорогих комп'ютерних систем. В даний час системи mini-tower домінують на ринку дешевих PC, не дивлячись на те що їх невеликі розміри і вузький корпус серйозно обмежують можливу модернізацію.

Системна плата формфакторів micro- ATX і ATX має наступні основні відмінності:

• зменшена ширина (244 мм (9,6 дюйми) замість 305 мм (12 дюймів) або 284 мм (11,2 дюйми));

• зменшене число роз'ємів;

• зменшений блок живлення (формфактор SFX).

Максимальні розміри системної плати micro-ATX досягають всього лише 9,6x9,6 дюймів (244x244 мм) в порівнянні з повнорозмірною платою АТХ (12x9,6 дюймів, або 305x244 мм) або mini-ATX (11,2x8,2 дюймів, або 284x208 мм). Розміри системної плати можуть бути зменшені, якщо розташування її кріпильних отворів і роз'ємів відповідатиме промисловому стандарту. Зменшена кількість роз'ємів не складе проблеми для звичного користувача домашнього або офісного комп'ютера, оскільки деяка частина системних компонентів, до числа яких відносяться, наприклад, звукова і графічна плата, часто вбудовується в системну плату. Висока інтеграція компонентів зменшує вартість системної плати і відповідно всієї системи. Зовнішні роз'єми USB, 10/100 Ethernet, іноді SCSI або 1394 (FireWire) також можуть містити додаткові слоти розширення. Специфікація системної плати micro-ATX показана на мал. 4.4.

Мал. 4.4. Специфікація плати micro-atx версії 1.0

У системах micro-ATX завдяки відповідності роз'ємів з успіхом використовувався стандартний блок живлення АТХ. Але, не дивлячись на це, спеціально для таких систем був розроблений зменшений формфактор блоку живлення, що одержав назву SFX. Зменшення розмірів блоку живлення, у свою чергу, дозволяє поліпшити компоновку елементів і відповідно зменшити в цілому розміри системи і споживану нею потужність. Але при використанні блоку живлення SFX можна зіткнутися з нестачею вихідної потужності для швидших або повністю конфігурованих систем. Споживана потужність сучасних систем істотно виросла, тому шасі більшої частини систем micro-ATX розроблене під стандартний блок живлення АТХ.

Сумісність плати micro-ATX з АТХ означає наступне:

• викорисання одного і того ж 20-контактного роз'єму живлення;

• стандартне розташування роз'ємів вводу-виводу;

• однакове розташування кріпильних гвинтів.

Схожість геометричних параметрів дозволяє встановити системну плату micro-ATX як в корпус АТХ, що містить стандартний блок живлення, так і в зменшений корпус micro-ATX, що використовує менший за розмірами блок живлення SFX.

Загальні розміри системи micro-ATX достатньо малі. Типова система, створена на основі плати вказаного формфактора, має наступні розміри: висота 304,8 або 355,6 мм (12 або 14 дюймів), ширина 177,8 мм (7 дюймів), довжина 304,8 мм (12 дюймів), що відповідає корпусу класу micro-tower або desktop. Типова системна плата micro-ATX показана на мал. 4.5.