آناتومی، ساختار و کارکرد مادربرد Motherboard

درباره آناتومی، ساختار و کارکرد مادربرد Motherboard : ممکن است یک کامپیوتر رومیزی در محل کار، مدرسه یا خانه داشته باشید و از آن برای اظهارنامه مالیاتی یا بازی استفاده کنید. حتی ممکن است در حال اسمبل یا سرهم کردن یک کامپیوتر شخصی باشید. اما چقدر راجع مؤلفه ها و قطعات تشکیل دهنده کامپیوتر می دانید؟ باری تواضع مادربرد را در نظر بگیرید، بی سر و صدا همه چیز را اجرا می کند و به ندرت همان توجهی که CPU یا کارت گرافیک دارند را به خود جلب می کند. مادربردها از اهمیت قابل ملاحظه ای برخوردار هستند و پر از فناوری بسیار جالب اند.

یک مرور ساده برای شروع با ...

بگذارید از نقش اصلی مادربرد شروع کنیم که در اصل، این دو هدف را در بر می گیرد:

• انرژی الکتریکی را در اختیار اجزای منفرد قرار دهید
• مسیری را فراهم می کند تا اجزا بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند

کارهای دیگری نیز مادربرد انجام می دهد مثلا قطعات را در جای خود نگه می دارد و بازخوردی در مورد عملکرد همه چیز ارائه می دهد لذا جنبه های فوق برای نحوه کار با کامپیوتر بسیار مهم است و بیشتر مربوط به این دو چیز است. تقریباً هر مادربرد مورد استفاده در رایانه شخصی استاندارد امروزی دارای سوکت هایی برای واحد پردازش مرکزی (CPU)، ماژول های حافظه (تقریباً همیشه نوعی DRAM) ، کارت های توسعه افزودنی (مانند کارت گرافیک)، درایو ذخیره سازی، ورودی ها / خروجی ها و وسیله ای برای برقراری ارتباط با سایر رایانه ها و سیستم ها.

مادربردهای استاندارد در ابتدا از نظر اندازه متفاوت هستند و استانداردهای گسترده ای در صنعت وجود دارد که سازندگان تمایل به رعایت آنها دارند (و بسیاری دیگر که این کار را نمی کنند)

اندازه های اصلی که احتمالاً با آن روبرو می شوید عبارتند از:

• Standard ATX - 12 × 9.6 inches 305 × 244 mm
• Micro ATX - 9.6 × 9.6 inches 244 × 244 mm
• Mini ATX - 5.9 × 5.9 inches 150 × 150 mm

اما دقیقاً مادربرد چیست؟

مادربرد به سادگی یک صفحه مدار چاپی الکترونیکی بزرگ است با تعداد زیادی کانکتور برای وصل کردن اگر نه هزاران بل صدها وسیله به آن. با وجود این برد از نظر تئوری، لازم نیست با استفاده از انبوهی از سیم ها همه چیز را به هم وصل کنید. چرا که در این صورت عملکرد آن بسیار وحشتناک خواهد بود و سیگنال ها با یکدیگر تداخل می کنند و با استفاده از این روش نیز تلفات قابل توجهی وجود خواهد داشت.

ما با استفاده از یک مادربرد معمولی ATX، شکست خود را شروع خواهیم کرد. تصویر زیر مربوط به یک Gamer Asus Z97-Pro است و می توانید ظاهر، ویژگی ها، کارکردها و ده ها مورد دیگر را در آن پیدا کنید.

سیم کشی مغز یک کامپیوتر

نمودار ساختاری با نام LGA1150 دارد. این نامی است که اینتل برای توصیف سوکت در نگه داشتن بسیاری از CPU های خود استفاده کرده است. حروف، LGA، عبارتند از Land Grid Array، نوع متداولی از فناوری برای CPU ها و مدارهای مجتمع دیگر. سیستم های LGA تعداد زیادی پین کوچک در مادربرد دارند که برای تهیه برق و ارتباطات به پردازنده است. شما می توانید آنها را در تصویر زیر مشاهده کنید:

نام این را به خاطر دارید؟ LGA1150 این تعداد پین در این سوکت است. ما در مقاله دیگری اتصالات مربوط به یک CPU را بررسی خواهیم کرد، اما در حال حاضر فقط به این نکته اشاره خواهیم کرد که مادربردها برای سایر CPU ها دارای پین های متعددی هستند. به طور کلی، هرچه CPU توانایی بیشتری داشته باشد (از نظر تعداد هسته، مقدار حافظه نهان و غیره)، پین های بیشتری در سوکت پیدا می شود. تعداد زیاد از این نوع اتصالات برای ارسال و دریافت اطلاعات و داده ها، ویژگی مهم بعدی در مادربرد است.

درادامه آناتومی، ساختار و کارکرد مادربرد Motherboard

مغزهای بزرگ نیاز به حافظه بزرگ دارند

سوکت ها یا شکاف هایی که همیشه به CPU نزدیک هستند، آنهایی هستند که ماژول های DRAM یا حافظه سیستم را در خود جای می دهند. اینها مستقیماً به CPU وصل شده اند و هیچ چیز دیگری در مادربرد با آنها ارتباطی ندارد. تعداد اسلات های DRAM بیشتر به CPU بستگی دارد، زیرا کنترلر حافظه درون پردازنده مرکزی قرار دارد. در مثالی که می خواهیم ببینیم، CPU که در این مادربرد جا می گیرد، دارای 2 کانال کنترل کننده حافظه است که هر کانال به دو حافظه مستقل می تواند وصل شود و در کل این مادربرد به چهار حافظه RAM مجهز می باشد. می بینید که در این مادربرد، سوکت های حافظه به گونه ای رنگی شده اند تا به شما اطلاع دهند کدام یک توسط کدام کنترلر مدیریت می شوند.

رنگ اسلات های رم

برای این مادربرد خاص، رنگ اسلات ها می تواند کمی گیج کننده باشد. دو شکاف سیاه در واقع یکی از این دو کنترل کننده حافظه (و همان برای خاکستری) است. بنابراین شکاف سیاه نزدیک به سوکت CPU کانال شماره 1 است، و سیاه بعدی کانال شماره 2 است. بنابراین وقتی شما دو ماژول رم داشتید، هر کدام 8 گیگابایت دارند. مهم نیست که از چه شکاف هایی استفاده می کنید، همیشه 16 گیگابایت حافظه در دسترس خواهید داشت. با این حال، اگر هر دو ماژول را درون هر دو شکاف سیاه (یا هر دو شکاف خاکستری) قرار دهید، CPU در اصل مسیرهای ممکن برای دستیابی به آن حافظه را دو برابر خواهد کرد. این کار را به روش دیگر نیز انجام دهید (یک ماژول در هر رنگ) و سیستم مجبور خواهد شد فقط با یک کنترل کننده به حافظه دسترسی پیدا کند و عملکرد بهتری داشته باشد.

پین های کانکتور رم

صنعت کامپیوتر از سال 2004 با استفاده از 240 پین روی ماژول های حافظه ماندگار شده و به زودی هیچ نشانی از تغییر در آن دیده نمی شود. برای بهبود عملکرد حافظه، تراشه ها با نسخه جدیدی که منتشر می شود، سریعتر عمل می کنند. در مثالی که ما در حال بررسی آن هستیم، کنترل کننده های حافظه CPU می توانند هر یک از 64 بیت داده را در هر چرخه کلاک ارسال و دریافت کنند. بنابراین با وجود دو کنترلر، حافظه دارای 128 پین برای انتقال اطلاعات خواهند داشت. پس چرا 240 پین؟

هر تراشه حافظه در DIMM (در کل 16 عدد، 8 طرف) می تواند 8 بیت در هر چرخه کلاک را انتقال دهد. این بدان معنی است که هر تراشه برای انتقال داده فقط به 8 پین نیاز دارد. با این حال، دو تراشه پین های انتقال داده را یکسان به اشتراک می گذارند، بنابراین تنها 64 از 240 پین داده هستند. 176 پین باقیمانده برای زمان بندی و اهداف مرجع، انتقال آدرس داده ها (محل قرار گیری اطلاعات در ماژول)، کنترل تراشه ها و تأمین انرژی الکتریکی مورد نیاز است.

RAM تنها چیزی نیست که به CPU وصل شده است

حافظه سیستم به منظور افزایش عملکرد به طور مستقیم به پردازنده مرکزی متصل می شود. اما سوکت های دیگری روی مادربرد وجود دارد که کمی شبیه این کانکتور هستند. آنها از فناوری اتصال به نام PCI Express استفاده می کنند و هر CPU مدرن دارای یک کنترلر PCIe است که درون آن قرار دارد و معمولاً به آن خطوط گفته می شود حتی اگر این یک سیستم "نقطه به نقطه" باشد، به این معنی که خطوط موجود در سوکت با هیچ وسیله دیگری به اشتراک گذاشته نمی شود. در مثال ما، کنترلر PCI Express CPU دارای 16 خط است.

تصویر زیر 3 سوکت را نشان می دهد: دو مورد برتر PCI Express هستند. در حالی که سیستم پایین یک سیستم بسیار قدیمی به نام PCI است (مربوط به PCIe ، اما بسیار کندتر). کانکتور کوچکتر که در قسمت بالا قرار دارد دارای برچسب PCIEX1_1 است زیرا این یک سوکت تک خط است. و پایین تر سوکت زیر آن سوکت x16 است.

اگر به عقب بگردید و دوباره به کل مادربرد نگاه کنید، می بینید که وجود دارد:

• 2x PCI Express 1 lane sockets
• 3x PCI Express 16 lane sockets
• 2x PCI sockets

اما اگر کنترلر CPU فقط 16 خط داشته باشد، چه اتفاقی می افتد؟ اول از همه، فقط PCIEX16_1 و PCIEX16_2 به CPU متصل هستند و دو سوکت تک خط به یک پردازنده دیگر در مادربرد وصل می شوند. ثانیاً، اگر هر دو سوکت پر از دستگاه هایی باشد که از 16 خط PCIe استفاده می کنند، CPU تنها 8 خط را به هر یک اختصاص می دهد.

بنابراین چه نوع قطعه ای از آن سوکت ها استفاده می کنند؟ رایج ترین گزینه ها عبارتند از:

• 16 lanes = graphics card
• 4 lanes = solid state drives SSD storage
• 1 lane = sound cards, network adapters

بیایید به سمت جنوب برویم و از روی پل عبور کنیم

اگر ما 15 سال به عقب برگردیم و از آن دوران به مادربردها نگاه کنیم، دو تراشه اضافی برای پشتیبانی از CPU در مادربردها تعبیه شده بود. آنها را باهم در یک مجموعه تراشه (معمولاً چیپ ست) می نامیدند و به صورت جداگانه آنها را تراشه های Northbridge NB و Southbridge SB می نامیدند. اولی کارت حافظه سیستم و کارت گرافیک را اداره می کرد، دومی داده ها و دستورالعمل های مربوط به سایر موارد را پردازش می کرد.

تصویر فوق، از مادربرد ASRock 939SLI32، به وضوح تراشه های NB / SB را نشان می دهد - هر دو در زیر هیت سینک های آلومینیومی پنهان هستند، و نزدیک سوکت CPU در وسط تصویر Northbridge است. چند سال پس از پایان یافتن تولید این مادربرد، هر دو کمپانی اینتل و AMD پردازنده هایی را منتشر کردند که NB را در پردازنده مرکزی ادغام کرده بودند.

اما Southbridge جداگانه مانده است و احتمالاً برای آینده قابل پیش بینی چنین خواهد بود. جالب اینجاست که هر دو تولیدکننده اغلب از آن به عنوان چیپست یاد می کنند. با توجه به نمونه مدرن ما از ایسوس، SB نیز با یک هیت سینک پوشانده شده است، بنابراین در زیر هیت سینک آن را مشاهده خواهید کرد. این تراشه یک کنترلر پیشرفته است و دارای چندین نوع و تعداد اتصالات است.

این یک چیپست Intel Z97 است و ویژگی های زیر را ارائه می دهد:

• 8 PCI Express lanes version 2.0 PCIe
• 14 USB ports 6 for version 3.0, 8 for version 2.0
• 6 Serial ATA ports version 3.0 SATA

همچنین دارای آداپتور شبکه، تراشه صدا، خروجی صفحه نمایش VGA و میزبان کاملی از دیگر سیستم های زمانی و کنترلی است. سایر مادربردها دارای چیپست های اساسی / پیشرفته تری خواهند بود (برای مثال، ارائه ی بیشتر خطوط PCIe) اما به طور کلی، بیشتر چیپست ها همان نوع ویژگی را ارائه می دهند.

سوکت M.2، برای اتصال حافظه SSD، از سیستم سریع نیز استفاده می کند و در برخی از ترکیبات CPU / مادربرد، پریزهای M.2 مستقیماً به CPU متصل می شوند.

در امتداد سمت چپ مادربرد ما یک ردیف کانکتور وجود دارد که معمولاً مجموعه I / O نامیده می شود (ورودی / خروجی) و در این مورد تراشه Southbridge (یا چیپست) تنها تعدادی از آنها را کنترل می کند:

• PS/2 connector - for keyboards/mice , top left
• VGA connector - for older/cheaper monitors , top middle
• USB 2.0 ports - black in color , bottom left
• USB 3.0 ports - blue in color , bottom middle

تراشه های اضافی برای کمک بیشتر

CPU ها و چیپست ها محدودیتی در پشتیبانی از اتصال آن ها دارند بنابراین اکثر تولید کنندگان مادربرد محصولاتی را با ویژگی های اضافی ارائه می دهند به لطف استفاده از مدارهای مجتمع دیگر. به عنوان مثال، این ممکن است فراهم کردن پورت های SATA اضافی یا اتصال دستگاه های قدیمی تر باشد. به عنوان مثال، تراشه Nuvoton NCT6791D تمام کانکتورهای کوچک و فن ها و سنسورهای دما را کنترل می کند. پردازنده Asmedia ASM1083 در کنار آن، دو سوکت PCI را مدیریت می کند، زیرا تراشه Intel Z97 چنین توانایی ای ندارد.

مادربردها با قابلیت اوركلاك CPU

چیپست و حافظه سیستم در حال حاضر امری عادی هستند و بسیاری از آنها با مدارهای مجتمع اضافی برای مدیریت این كار آمده اند. در صفحه نمونه ما، که به رنگ قرمز برجسته شده است، ایسوس از طراحی خود به نام TPU ("واحد پردازش TurboV") استفاده می کند که سرعت و ولتاژ کلاک را به یک سطح مناسب تنظیم می کند. دستگاه کوچک Pm25LD512 در کنار آن، با رنگ آبی برجسته شده، یک تراشه حافظه فلش است که هنگام خاموش شدن مادربرد، تنظیمات ساعت و ولتاژ را ذخیره می کند بنابراین لازم نیست هر بار که کامپیوتر را روشن کنید، آنها را دوباره تنظیم کنید.

هر مادربرد تنها دارای حداقل یک دستگاه حافظه فلش است و این برای ذخیره بایوس مادربرد است. این تراشه Winbond دارای اندازه 8 مگابایت است اما برای نگه داشتن تمام نرم افزارهای مورد نیاز آن کافی است. این نوع از حافظه های فلش به گونه ای طراحی شده است که در هنگام استفاده از قدرت بسیار کمی استفاده می کنند و به مدت چند دهه داده های خود نگه می دارد.

هنگامی که کامپیوتر را روشن می کنید، محتویات حافظه فلش مستقیماً در حافظه نهان CPU یا حافظه سیستم کپی می شود و حداکثر عملکرد را از آنجا اجرا می کند. با این حال، تنها چیزی که این حافظه قادر به نگه داشتن آن نیست، زمان است. این مادربرد مانند هر مادربرد دیگری از یک سلول CR2032 برای تغذیه یک مدار زمان بندی ساده استفاده می کند که داده ها و زمان مادربرد را ردیابی می کند. البته قدرت یک سلول برای همیشه دوام نمی آورد و به محض اینکه صاف باشد، مادربرد به طور پیش فرض به زمان شروع / تاریخ در حافظه فلش می رسد.

ایگور قدرت را برای من بیاور!

برای تأمین ولتاژ و جریان مورد نیاز برای اجرای مادربرد و بسیاری از دستگاه های متصل به آن واحد منبع تغذیه رایانه (PSU) تعدادی کانکتور استاندارد برای این منظور خواهد داشت. اصلی ترین آن یک سوکت 24 پین ATX12V نسخه 2.4 است. میزان جریانی که می توان از پین ها گرفت، بستگی به PSU دارد، اما ولتاژ ها در صنعت تنظیم شده اند به 3/3 ، +5 و +12 ولت. برای حل این مشکل، یک کانکتور برق 8 پین اضافی وجود دارد که چهار مجموعه دیگر از پین های 12 ولت دیگر را برای استفاده فراهم می کند.

به عنوان مثال، CPU های Intel که برای این مادربرد Asus Z97 طراحی شده اند، ولتاژهای بین 0.7 تا 1.4 ولت مصرف می کنند. این یک ولتاژ ثابت نیست، زیرا CPU های امروزی برای صرفه جویی در مصرف برق و کاهش گرما، میزان ولتاژ مصرفی را تغییر می دهند. بنابراین هنگام کار در دسکتاپ، CPU می تواند با کمتر از 0.8 ولت کار کند. واحدهای منبع تغذیه برای تبدیل ولتاژ جریان برق طراحی شده اند. در ولتاژهای ثابت DC، بنابراین باید مدارهای اضافی استفاده شود تا آنها را پایین بیاوریم و در صورت لزوم آنها را تغییر دهیم. این مدارها به ماژول های تنظیم ولتاژ گفته می شوند و به راحتی در هر مادربرد قابل مشاهده است.

هر VRM معمولاً شامل 4 جزء است:

• x2 MOSFET - ترانزیستورهای سوئیچینگ جریان بالا (آبی)
• سلف 1x - همچنین به عنوان کاهنده شناخته می شود (بنفش)
• خازن 1x (زرد)

معمولاً هر VRM یک فاز نامیده می شود و چندین مرحله لازم است زیرا یک نفر به تنهایی نمی تواند جریان کافی را برای یک CPU مدرن تأمین کند. VRM ها معمولاً توسط یک تراشه جداگانه اداره می شوند که دستگاه را مانیتور می کند و ماژول ها را برای ولتاژ مورد نیاز سوئیچ می کند. کنترل کننده های تعدیل کننده عرض پالس چند فاز نامیده می شوند. ایسوس آنها را EPU می نامد. همه این موارد هنگام کار، بسیار داغ می شوند، بنابراین اغلب به کمک هیت سینک فلزی پوشانده می شوند.

آخرین اتصال دهنده هایی که می توان در مورد آنها صحبت کرد، مواردی هستند که می توانند عملکرد اصلی مادربرد را کنترل کنند و دستگاه های خارجی را به آن وصل نمود. تصویر زیر مجموعه اصلی چراغ های کنترل و راهنما و پین بلندگو را نشان می دهد:

• سوئیچ قدرت 1x
• سوئیچ تنظیم مجدد 1x
• کانکتورهای LED 2x
• اتصال بلندگو 1x

سوئیچ پاور "صاف" است زیرا در واقع مادربرد را روشن و خاموش نمی کند در عوض، مدارهای روی برد، ولتاژ را در دو پین برای سوئیچ و هنگامی که آنها به هم وصل هستند، نظارت می کنند. بسته به وضعیت فعلی آن، مادربرد یا روشن یا خاموش خواهد شد. همین در مورد سوئیچ تنظیم مجدد یا ریست نیز صدق می کند، مگر اینکه در اینجا مادربرد همیشه خاموش شود و بعد بلافاصله دوباره روشن شود.

بیشتر مادربردها دارای آرایه مشابهی از کانکتورهای اضافی هستند:

• رابط پنل صوتی - اگر کیس کامپیوتر دارای جکهای هدفون / میکروفون است که در آن قرار دارد ، می توان آنها را به تراشه صدا پردازنده وصل کرد.
• اتصال صوتی دیجیتال - همان اتصال دهنده صوتی دیگر ، اما برای S / PDIF
• BIOS jumper clear - این اجازه می دهد تا BIOS به تنظیمات پیش فرض کارخانه تنظیم شود. همچنین یک کانکتور پروب حرارتی نیز در پشت آن پنهان شده است
• اتصال دهنده ماژول Platform Trusted - برای کمک به ایمن تر شدن مادربرد و سیستم از آن استفاده می شود
• رابط پورت سریال (COM) - رابط باستانی. کسی اصلاً از اینها استفاده میکنه؟

منبع: آناتومی، ساختار و کارکرد مادربرد Motherboard techspot