Przewodnik po komputerowych ostępach - co to płyta główna i z czego się składa?

Wszyscy wiemy z czego składa się komputer stacjonarny. Przynajmniej z czterech części - z monitora, klawiatury, myszki i tej skrzynki pod biurkiem. A laptop nawet z jeszcze mniejszej ilości elementów, bo z dwóch - komputera właściwego i użytkownika.
Płyta główna Asus Płyta główna Asus fot. Asus

Czym w ogóle jest płyta główna?

Niniejszy artykuł chcielibyśmy dedykować tym, którzy w reakcji na powyższe nie wybuchnęli śmiechem, tylko z powagą i ze zrozumieniem pokiwali głową.

Podróż po komputerowych ostępach zaczniemy od płyty głównej - jednego z najważniejszych komponentów komputera.

Płyta główna komputera (ang. motherboard), jest - jak już wspomnieliśmy - podstawowym elementem budowy komputera. Każdy komputer (przynajmniej domowy, a takimi się tu będziemy zajmować) zbudowany jest w oparciu o płytę główną. Bez niej działanie jest po prostu niemożliwe.


Płytę główną można porównać do fundamentu domu. Od niej zależy z jakich elementów bedzie się mógł składać komputer, jakie będą możliwości jego rozbudowy w przyszłości, a co za tym idzie - jakie będą właściwości całego urządzenia.


Płyty główne różnią się między sobą czymś więcej, niż tylko marką producenta. Przyczyn występowania tych różnic jest wiele: przede wszystkim ciągły postęp technologiczny w dziedzinie elektroniki, a co za tym idzie - wprowadzanie coraz to nowszych technologii i konieczność dostosowania się do standardów narzucanych przez producentów podstawowych podzespołów komputerów, np. procesorów.

Nie bez znaczenia są także wymagania oraz zasobność portfela potencjalnych klientów, co skutkuje powstawaniem szerokiej gamy produktów - od modeli "ekonomicznych" do "luksusowych". A także wiele innych czynników, których nie ma powodu tu przytaczać.
W niniejszym artykule zajmiemy się omówieniem budowy płyty głównej na przykładzie modelu P5K, wyprodukowanego przez firmę ASUS.


Bez względu jednak na producenta, model czy cenę płyt głównych (przynajmniej tych przeznaczonych do komputerów osobistych), składać się one będą z tego samego rodzaju elementów. Ich omówieniem zajmiemy się w poniższym tekście.

Płyta główna Asus P8P67 EVO Płyta główna Asus P8P67 EVO fot. Asus

Z czego zbudowana jest płyta główna?

Zadaniem płyty głównej jest przede wszystkim umożliwienie połączenia składowych elementów komputera w jedną, funkcjonalną całość, oraz zasilenie ich energią elektryczną. Oprócz tego na płycie głównej umieszczone są różnego rodzaju układy sterujące pracą komputera, bez których jego działanie byłoby po prostu niemożliwe.

Elementy płyty głównej można podzielić na:
a) Złącza i układy wewnętrzne - są to różnego rodzaju złącza kart rozszerzeń, gniazda zasilające, układy sterujące itd., znajdujące się bezpośrednio na płycie i decydujące o parametrach jego pracy.


b) Złącza panelu tylnego - są to również elementy płyty głównej, tyle że wyprowadzone w ten sposób, że znajdują się z tyłu obudowy komputera. Służą do podłączenia urządzeń peryferyjnych, takich jak myszka, klawiatura, kontrolery gier (np. dżojstik, kierownica, pad), a także pamięci przenośnych, dysków zewnętrznych, wtyczki sieciowej i tym podobnych.

Na początek zajmiemy się pierwszą grupą, w której skład wchodzą następujące elementy:
1. Gniazdo procesora
2. Gniazda pamięci RAM
3. Chipset (mostek północny i południowy)
4. Gniazda PCI-e x16
5. Gniazdo PCI-e x1
6. Gniazda PCI
7. Zintegrowana karta dźwiękowa
8. Gniazdo IDE
9. Gniazda SATA
10. Kość BIOS

Płyta główna - fot.1 Płyta główna - fot.1 fot. OC Lab

Gniazdo procesora...

1. Gniazdo procesora.
Gniazdo procesora (ang. Socket), jest to element płyty głównej, umożliwiający podłączenie bazowego składnika komputera, stanowiącego niejako jego mózg, czyli procesora.

Procesor (ang. CPU, czyli Central Processing Unit) jest niczym innym jak układem scalonym, "zarządzającym" pracą wszystkich podzespołów, wchodzących w skład komputera. Komunikując się z pamięcią komputera i wykonując kolejne ciągi rozkazów wpływa na to, jakie działania, w jakiej kolejności oraz z jaką szybkością będą wykonywane.

Gniazdo procesora, oprócz styków elektrycznych, wyposażone jest najczęściej w elementy mocująco-zabezpieczające. W tym przypadku jest to widoczna z boku dźwigienka, a także blaszka zabezpieczająca.

Proces montażu procesora sprowadza się najczęściej do odciągnięcia elementu zabezpieczającego, włożeniu procesora, a następnie jego dociągnięciu. Warto zauważyć, że dzięki specjalnym podcięciom oraz kształtowi procesora ryzyko niepoprawnego montażu jest niezwykle niskie.

Procesory są jednym z najszybciej rozwijających się elementów przemysłu komputerowego. Zmienia się proces technologiczny, w jakim są produkowane, zwiększa się ilość operacji na sekundę, rośnie ilość rdzeni. To wszystko sprawia, że co jakiś czas pojawia się nowy typ gniazda procesora, a w takim przypadku konieczne staje się także opracowanie nowej płyty głównej.

Oprócz tego, obecnie na rynku komputerów osobistych dominują dwie duże i konkurujące ze sobą firmy, produkujące procesory. Są to: AMD oraz Intel. Każda z nich opracowała dla swoich produktów gniazda, z którymi produkty drugiej firmy nie współpracują. Pociąga to za sobą konieczność wybrania różnych płyt głównych, w zależności od wybranego producenta procesora.

Na szczęście nie jest tak, że każdy model procesora wymaga zastosowania innego gniazda, a co za tym idzie, innej płyty głównej. W niektórych przypadkach nowa rodzina procesorów jest kompatybilna z istniejącym już wcześniej rodzajem gniazda procesora.

Pojęcia "rodzina" używamy tu celowo, albowiem producent wypuszcza zazwyczaj całą serię procesorów, różniących się możliwościami, a co za tym idzie, także i ceną. W zależności od przeznaczenia komputera, możliwości finansowych czy wreszcie osobistych preferencji, można wybrać ten właściwy. Dodatkowo, każda płyta główna posiada tzw. "listę procesorów kompatybilnych", tzn. wykaz procesorów, które na pewno będę współpracowały z daną płytą główną. Listę tę znaleźć można najczęściej na stronie internetowej producenta.

Na koniec pozostaje tylko podać kilka przykładów, jak oznacza się różne rodzaje gniazd procesorów - a więc będą to na przykład Socket A, Socket 939, Socket AM3, LGA 775, LGA 1366 i wiele innych. Widoczna na zdjęciu płyta główna ASUS P5K wyposażona jest w gniazdo oznaczane jako LGA 775, co oznacza, że przeznaczona jest do współpracy z określoną generacją procesorów firmy Intel.

HyperX Kingstona z dużym radiatorem HyperX Kingstona z dużym radiatorem HyperX Kingstona z dużym radiatorem

...i pamięci RAM

2. Gniazda pamięci RAM.
Dane, potrzebne procesorowi do wykonywania rozkazów, a także ich wyniki pośrednie i końcowe są przechowywane w specjalnych układach elektronicznych, zwanych pamięciami RAM (ang. Random Acces Memory). Innymi słowy, procesor komunikuje się z pozostałymi podzespołami komputera za pośrednictwem pamięci RAM.

Różne generacje procesorów komunikują się z różnymi rodzajami pamięci RAM. Podobnie, jak w przypadku procesorów, także w przypadku pamięci pojawiają się kolejne ich generacje, różniące się zazwyczaj od poprzedniczek większą szybkością pracy. Pomijając układy "prehistoryczne", w obecnych komputerach można zetknąć się z pamięciami oznaczanymi jako DDR1 (ang. DDR, czyli Double, Data Rate), DDR2 i DDR3. Skonstruowano już pierwsze moduły pamięci DDR4, jednak do momentu pojawienia się ich w sklepach upłynie jeszcze trochę czasu.

Obecnie produkowane płyty główne współpracują w ogromnej większości z pamięciami DDR3 (istnieją modele, które można wyposażyć, do wyboru, w jeden z dwóch wybranych rodzajów pamięci, np. DDR2 lub DDR3, ale nimi nie będziemy się tu zajmować).

Płyty główne mogą być wyposażone w różną ilość gniazd pamięci - 2, 4 lub nawet 6 gniazd - z pewnych powodów ilość gniazd pamięci jest liczbą parzystą, przy czym nie oznacza to, że zawsze należy zaopatrzyć się w dwa, cztery lub sześć modułów pamięci. Do prawidłowego działania wystarczy wyposażyć płytę główną w jeden moduł pamięci. Poprzez jeden moduł rozumiemy tu jeden układ pamięci (nazywany też czasem "kością pamięci"), zajmujący jedno gniazdo.

Oczywiście, im więcej modułów pamięci zostanie zamontowane w gniazdach, lub im większa będzie ich pojemność, (czyli - im większa będzie całkowita pojemność pamięci RAM, współpracującej z procesorem), tym wydajność całego komputera będzie większa. Oczywiście, należy mieć tu na uwadze możliwości wykorzystania dostępnej pamięci przez system operacyjny.

Pamięć RAM produkowana jest w różnych, określonych pojemnościach, np. 512 MB, 1 GB, 2 GB itp. Podane wartości odnoszą się do pojedynczego modułu, a użyte jednostki (MB - megabajt, GB - gigabajt) oznaczają tak zwaną pojemność i są stosowane także do innych urządzeń (np. dysków twardych).

Istnieje dość duża grupa producentów pamięci RAM, jednak na szczęście jeśli płyta główna wyposażona jest np. w gniazda przeznaczone dla pamięci DDR3, to każda pamięć tego rodzaju, bez względu na producenta, będzie współpracować z tego rodzaju płytą (czy raczej tak być powinno). Ponadto, przykładowo pamięci jednej generacji nie da się zmusić do współpracy z płytą wyposażoną w gniazda przeznaczone dla innej generacji ze względu na inną ich budowę.

W obrębie danej generacji pamięci istnieją moduły pracujące z większą lub mniejszą prędkością, wyposażone w dodatkowe elementy, jak np. radiatory, elementy oświetleniowe itp., ale mają one raczej znaczenie drugorzędne.

Montaż pamięci w gnieździe jest banalnie prosty i polega na odciągnięciu na zewnątrz elementów zabezpieczających, znajdujących się po obu stronach gniazda pamięci, a następnie jej wsunięciu w gniazdo do momentu, kiedy elementy zabezpieczające wskoczą z powrotem na swoje miejsce. Demontaż jest równie prosty i ogranicza się do odciągnięcia na zewnątrz elementów zabezpieczających i wyciągnięciu modułu z gniazda pamięci.

Płyta główna ASUS P5K posiada cztery gniazda pamięci, w których można zamontować do 8 GB pamięci DDR2, pracującymi z częstotliwościami od 800 do 1333 MHz (MHz - jednostka częstotliwości, w tym przypadku oznaczającej szybkość pracy pamięci). To, z jakimi pamięciami - oraz o jakiej maksymalnej pojemności - współpracować będzie płyta główna, podane jest w dołączonej do niej dokumentacji, ewentualnie na stronie internetowej producenta płyty.

NorthBridge NorthBridge fot. Benchmark Reviews

Chipset i jego "mostki"

3. Chipset płyty głównej.
Chipset obecnie stosowanych w komputerach osobistych płyt głównych składa się zazwyczaj z dwóch, ściśle ze sobą współpracujących układów:
- mostka północnego (ang. Northbridge, stąd skrótowe określenie NB)
- mostka południowego (ang. Southbridge)
Określenia ?północny? i ?południowy? wzięły się stąd, że przy odpowiednio ustawionej płycie głównej mostek północny znajduje się powyżej południowego, stąd geograficzne odniesienia. 
Przy okazji warto wspomnieć, że w starszych (aczkolwiek wciąż jeszcze spotykanych płytach głównych) chipset ograniczał się jedynie do mostka północnego, który integrował w sobie także funkcje mostka południowego. W przypadku takich układów pojęcia ?chipset płyty głównej? i ?mostek północny? są sobie równoważne.

a) Mostek północny.
Mostek północny jest głównym układem sterującym pracą płyty głównej. Najczęściej, tak jak w przypadku naszej przykładowej płyty, zamontowany jest na nim radiator. Ma ona za zadanie odprowadzenia ciepła, wydzielającego się w trakcie pracy, które ? gdyby nie radiator ? mogłoby doprowadzić do wzrostu temperatury, którego skutkiem mogłoby być nawet uszkodzenie układu.
Jak już wspomnieliśmy, mostek północny płyty głównej odpowiada między innymi za wymianę informacji pomiędzy procesorem, pamięcią RAM, kartami rozszerzeń w gniazdach PCI-e, oraz mostkiem południowym.
Jest to ściśle wyspecjalizowany układ elektroniczny, wlutowany w płytę główną, i mający decydujący wpływ na to, jakie będą jej podstawowe możliwości, takie jak ilość i rodzaj urządzeń korzystających z gniazd PCI-e, maksymalna możliwa do zamontowania pojemność pamięci RAM, rodzaj procesora, oraz ? oczywiście ? z jakimi prędkościami współpraca wymienionych urządzeń będzie się odbywała.
Nasza poglądowa płyta główna, czyli ASUS P5K, posiada mostek północny o oznaczeniu INTEL P35.

b) Mostek południowy.
Mostek południowy jest ? podobnie jak mostek północny ? wyspecjalizowanym układem elektronicznym, odpowiadającym za komunikację z takimi układami jak dyski twarde, magistrale PCI czy złącza USB.
W przypadku naszej płyty widoczny jest zamontowany na nim - podobnie, jak w przypadku mostka północnego ? radiator, mający za zadanie odbieranie i rozpraszanie ciepła, wydzielającego się w trakcie jego pracy.
Płyta ASUS P5K posiada mostek południowy o oznaczeniu INTEL ICH9.

Podsumowując temat chipsetu: podobnie jak procesory czy pamięci RAM, także chipsety płyt głównych wytwarzane są przez wielu producentów i charakteryzują się bardzo zróżnicowanymi możliwościami i budową. Na szczęście, znajomość ich rodzajów, oznaczeń, a tym bardziej budowy nie jest wcale konieczna. Oczywiście, dla entuzjastów komputerów wiedza o poszczególnych układach jest ważnym elementem ich ?hobby?. Dużo częściej ważniejszy niż na przykład producent płyty jest dla nich rodzaj chipsetu, w jaki dany model został wyposażony. Jednak do codziennej eksploatacji komputera wiedza ta nie jest niezbędna, dlatego możemy przejść do omówienia następnych podzespołów płyt głównych.

Płyta główna Asus Maximus IV Extreme Płyta główna Asus Maximus IV Extreme fot. Asus

Gniazda rozszerzeń...

4. Gniazda kart rozszerzeń.
Płyta główna ASUS P5K wyposażona jest w dwa rodzaje gniazd, przeznaczonych do zamontowania w nich tzw. kart rozszerzeń:
- gniazda PCI-e:
- magistrale (gniazda) PCI:

Pomimo prawie identycznych oznaczeń, różnice pomiędzy nimi są dość zasadnicze.
Cechą wspólną jest ich przeznaczenie, otóż są to gniazda umożliwiające rozbudowę komputera poprzez zamontowanie w nich kart rozszerzeń, czyli układów, powodujących zwiększenie jego możliwości.

Kartami rozszerzeń mogą być urządzenia takie jak karta dźwiękowa, karta sieciowa, karta grafiki itd.

Magistrala PCI (ang. Peripheral Component Interconnect) jest złączem, które lata świetności ma już dawno za sobą. Ze względu na chęć zachowania kompatybilności z istniejącymi na rynku urządzeniami wyposażonymi w to złącze, oraz mimo wszystko - jego pewne zalety, producenci płyt głównych wyposażają swoje produkty zazwyczaj w kilka złącz PCI.
Jak można zauważyć, płyta główna ASUS P5K wyposażona jest w trzy gniazda PCI.
Złącze to w większości zastosowań jest jednak wypierane przez swojego "następcę", czyli PCI-e.

Jedną z zalet złącza PCI-e (ang. Peripheral Component Interconnect Express) jest szybkość przesyłania danych. Dzięki temu znalazło ono zastosowanie tam, gdzie parametr ten jest jednym z najważniejszych, czyli przede wszystkim do współpracy z nowoczesnymi kartami grafiki. Coraz częściej wykorzystywane jest także w urządzeniach takich jak np. karty dźwiękowe, czy nawet karty zawierających dodatkowe gniazda USB.

W zależności od przeznaczenia (budowy oraz przepustowości złącza), gniazdo PCI-e może mieć oznaczenie x1, x2, x4 itd. Gniazda o oznaczeniu PCI-e x16 przeznaczone są do współpracy z tzw. kartami grafiki, czyli kartami rozszerzeń umożliwiającymi wykorzystanie w komputerze zaawansowanych efektów graficznych. Ze względu na swoje zalety wyparło ono na tym polu swojego poprzednika, czyli złącze AGP (ang. Advanced Graphic Port), które również było przeznaczone dla kart grafiki. Chociaż wciąż można spotkać płyty główne wyposażone w złącze AGP, to w nowych konstrukcjach stosuje się już wyłącznie gniazda PCI-e x16.

Nasza przykładowa płyta - ASUS P5K - wyposażona jest w dwa gniazda PCI-Express x16, co umożliwia podłączenie jednej, lub dwóch naraz, kart graficznych. W zależności od ilości złącz PCI-e na płycie głównej, nowoczesne komputery można wyposażyć w jedną, dwie, cztery a nawet więcej kart graficznych, co oczywiście zwiększa ich możliwości. Dotyczy to zwłaszcza jakości wyświetlanego przez monitor obrazu oraz szybkości działania komputera, przede wszystkim w zastosowaniach graficznych, choć nie tylko. Oprócz złącz PCI-e x16 nasza płyta ma także jedno gniazdo PCI-e x1.


Kartę rozszerzeń, którą będziemy chcieli zamontować w komputerze, musi posiadać taki sam rodzaj złącza jak to, które znajduje się na płycie głównej. Czasem należy także uwzględnić, że zamontowana w jednym z gniazd karta rozszerzeń, ze względu na swoje gabaryty, może przysłonić drugie z gniazd, uniemożliwiając tym samym jego wykorzystanie, ale to już jest osobny temat.

Montaż karty rozszerzeń w gnieździe PCI lub PCI-e jest bardzo prosty, i polega na wsunięciu złącza karty rozszerzeń w odpowiednie gniazdo, ewentualnie - w przypadku złącza PCI-e - po wcześniejszym odciągnięciu specjalnego zaczepu. Ponadto wymaga przykręcenia lub zamocowania za pomocą zatrzasku tzw. "śledzia" karty (mocowanego w wycięciu w tylnej ściance obudowy, często także podłączenia do niej wtyczek z dodatkowym zasilaniem.

...i karta dźwiękowa

5. Zintegrowana karta dźwiękowa.
Zintegrowana karta dźwiękowa to wlutowany w płytę układ elektroniczny, odpowiedzialny za sterowanie i przetwarzanie dźwięku. Dzięki niemu możemy podłączyć do komputera słuchawki, głośniki stereo, a nawet systemy kina domowego, składające się z 5+1 lub nawet 7+1 głośników, i cieszyć się dźwiękiem. To, kto będzie producentem zintegrowanej karty dźwiękowej, zależy od tego, na jaki układ zdecyduje się wytwórca wybranej przez nas płyty głównej, i tak naprawdę dla znacznej części osób i w większości zastosowań nie ma dużego znaczenia.

Oczywiście, jeśli jest się np. audiofilem, lub po prostu dysponuje nadmiarem gotówki, nic nie stoi na przeszkodzie, aby komputer wyposażyć dodatkowo w dźwiękową kartę rozszerzeń preferowanego producenta i zamontować ją w jednym z gniazd omówionych poprzednio, czyli PCI lub PCI-e.

Na koniec należy wspomnieć, że istnieją również płyty główne wyposażone dodatkowo w zintegrowaną kartę grafiki. Jak łatwo się domyślić, komputer taki do działania nie potrzebuje oddzielnej, to znaczy wkładanej do gniazda rozszerzeń, karty. Zintegrowana karta grafiki będzie zapewniała poprawne wyświetlanie obrazu na monitorze, oraz umożliwiała wykorzystanie niektórych efektów graficznych, choć nie tak wielu i nie tak zaawansowanych, jak oddzielna karta grafiki.

Kable SATA Kable SATA

Gniazda IDE, SATA, oraz kość BIOSu

6. Gniazda IDE oraz SATA.
Choć różnią się wyglądem, budową oraz możliwościami, gniazda te zostały umieszczone w tym samym punkcie opisu ze względu na to, że ich przeznaczenie jest identyczne - służą do podłączenia do płyty głównej dysków twardych oraz napędów optycznych (napędów CD, nagrywarek DVD itd.).

Początkowo do tego celu wykorzystywano równoległe złącze IDE (ang. Integrated Drive Electronics), a napędy do niego podłączane nazywano "napędami ze złączem ATA", lub skrótowo - "napędami ATA" (ang. Advanced Technology Attachments). Rozwój technologiczny przyczynił się do opracowania następcy złącza IDE, czyli szeregowego złącza Serial ATA, oznaczanego też jako S-ATA lub SATA (ang. Serial Advanced Technology Attachment). Dla lepszego rozróżnienia złącze równoległe zaczęto oznaczać jako P-ATA lub PATA (ang. Parallel Advanced Technology Attachment).

Ze względu na korzyści, jakie oferuje złącze SATA, producenci dysków twardych i napędów optycznych zaczęli produkować coraz częściej urządzenia wyposażone w złącze szeregowe, w związku z czym producenci płyt głównych zaczęli umieszczać na nich coraz więcej złącz SATA, ograniczając ilość złącz IDE. Obecnie można spotkać już płyty główne wyposażone tylko w jedno, lub nawet nie posiadające w ogóle złącza IDE.

Obecność złącza IDE na płycie głównej będzie pożądana jedynie wtedy, jeśli posiadamy już dysk twardy lub napęd wyposażony w złącze ATA. Jeśli zamierzamy zaopatrzyć się w nowe podzespoły, to na pewno wyposażone będą w złącze SATA. Nasza płyta ASUS P5K, dla przykładu, posiada jedno złącze IDE oraz pięć złącz SATA.

7. Kość BIOS-u.
Tak zwana kość BIOS-u jest układem pamięci stałej, zawierającej program zwany BIOS-em (ang. Basic Input/Output System), który steruje pracą komputera jeszcze przed uruchomieniem systemu operacyjnego. Podczas rozruchu komputera przeprowadza szereg testów, sprawdzając poprawność działania poszczególnych podzespołów. Modyfikując jego zawartość można np. zmieniać parametry pracy elementów komputera, takie jak np. częstotliwość, która decyduje o szybkości działania.

Niektórzy producenci płyt głównych wyposażają swoje produkty w tzw. "Dual BIOS", czyli dodatkowy układ zawierający BIOS, co powoduje, że nawet w przypadku awarii jednego z nich, system może zostać poprawnie uruchomiony dzięki obecności drugiego, rezerwowego układu.

Płyta główna Asus Płyta główna Asus fot. Asus

Koniec części pierwszej

W ten sposób omówiliśmy podstawowe elementy płyty głównej. W dalszej, nie tak obszernej już - jak pierwsza - części, zajmiemy się komponentami o trochę mniejszym dla funkcjonowania komputera znaczeniu. Zapraszamy wkrótce

 

OC Lab

Więcej o: