3.5.9. Matična ploča

Iako je mikroprocesor komponenta po kojoj ljudi najviše identificiraju PC računalo, suštinski dio računala odgovoran za sve je matična ploča (motherboard). Na njoj je gotovo sve potrebno da računalo može obavljati osnovne zadaće, osobito ako posjeduje chipset s grafičkim sustavom. Komponente koje joj treba dodati su mikroprocesor, radna memorija, optički uređaj i diskovni uređaj, i sve se smješta u kućište s ispravljačem. Disketni uređaj još uvijek se dodaje za nuždu, mada se umjesto njega sve više ugrađuje uređaj za čitanje raznih vrsta memorijskih kartica kao kartice digitalnog foto-aparata i sličnih uređaja. Kvaliteta i osobitosti dodatnih komponenti mogu ukupnu cijenu koštanja računala višestruko uvećati. Ako se ugradi moćna grafička kartica i uzmu komponente koje će zadovoljiti 'igračke sposobnosti', ukupna cijena računala vrtoglavo raste, tri i više puta u odnosu na računalo za uredske potrebe. Kada se pridodaju monitor, tipkovnica i miš PC računalni sustav je raspoloživ za uporabu. Matična ploča nije veliki izdataka u odnosu na ukupnu cijenu računalnog sustava i nije preporučljivo na njoj štediti. Proizvođači obično za isti model nude više verzija tako da se može izabrati rješenje sukladno potrebama.

Na matičnoj ploči je BIOS (Basic Input Output System), kojemu je zadaća da objedini sve komponente u funkcionalnu cjelinu. Današnje verzije izvode se kao FLASHROM tako da se uočene neispravnosti u programskom kodu mogu lako ispraviti. Upravo po redovitom periodičkom izdavanju na Internetu 'zakrpi' programskog koda BIOS-a i novih verzija upravljačkih programa za uređaje na matičnoj ploči, prepoznaje se kvalitetan proizvođač matičnih ploča. Dobar BIOS je u suštini kao dobro napravljen cjevovod u sustavu navodnjavanja, kojemu se ne može dogoditi da po puštanju u pogon voda negdje curi ili ne prolazi ili kaplje.

Matične ploče u osnovi se razlikuju prema vrsti procesora koji se ugrađuje i danas prevladavaju dvije koncepcije: AMD ili INTEL orijentirane matične ploče, prema najpoznatijim proizvođačima mikroprocesora. No svima je jedno zajedničko; PCI-Express sabirnica (PCI-E). Chipset-i još uvijek imaju podršku za standardne PCI kartice da se 'stare' kartice ne bace (TV kartica, A/D pretvornik, modem ..). AGP-port podržava rijetko koja matična ploča tipa PCI-Express; AGP-port definitivno odlazi u 'mirovinu'. Na sličan način 'umirovljena' je i ISA sabirnica, naime prve PCI matične ploče imale su u chipset-u podršku za ISA kartice s nekoliko ISA utora, što je s vremenom potpuno ukinuto. Posebnost u odnosu na naredni opis su matične ploče poslužitelja, no to neka ostane zabava za profesionalce.

PCI-Express nasljednik je PCI sabirnice. Radi po načelu korištenja jednog ili više koridora (lane) 'širine' 8 bit-a u jedinstvenu sabirnicu. To je serijska sabirnica s odvojenim parovima za prijenos podataka u oba smjera u svakom koridoru s niskim naponima signalizacije. Odlazni i dolazi promet odvojeni su, svaki u svom kanalu unutar jednog koridora - FULL DUPLEX. Jedan koridor (x1) je oko četiri puta brži od standardne PCI sabirnice, a korištenjem više koridora (x2, x4, x8, x16 ili x32) moguće je značajno povećati propusnost. Svaki koridor ima propusnost od 500MB/s, odnosno 250MB/s po smjeru. Osim toga uređaji predviđeni za rad u x1 utoru mogu raditi na primjer x8 utoru, što znači da je osigurana i fizička i električka kompatibilnost za uređaje s manjim zahtjevima po propusnosti. 'Manja' kartica koristi samo dio koridora raspoloživih u 'većem' utoru. No kad se pogledaju pin-ovi utora za karticu vide se samo dva pina-a za prijam i dva pin-a za predaju u jednom koridoru.

Bit-ovi se prenose serijski po načelu 8B/10B kodiranja. Svrha 8B/10B kodiranja je pretvaranja znaka od 8 bit-a u novi oblik od 10 bit-a radi bolje sinkronizacije između prijama i predaje, kontrole na greške i upravljanja prijenosom. Dodatno ubrzanje je što navedeno kodiranje može koristiti shemu 3B/4B i 5B/6B kada je puno vodećih "0". Ukupni rezultat kodiranja je mnogo veća brzina prijenosa. Utor na matičnoj ploči za PCI-Express kartice predviđa prvih 11 parova kontakata (pin-ova) za upravljanje, napajanje i signalizaciju, dok naredni parovi pin-ova idu u skupinama po koridorima za odlazni i dolazni promet te svaka skupina ima pin za detektiranje uređaja (hotplug detect). Od parova pin-ova 12-18, prema prethodnoj tablici nastavlja se po približno sedam parova pin-ova za svaki naredni koridor. I nema +5V napajanja. Pin 1 je naravno prema stražnjem rubu matične ploče.

Osobitost 'Hotplug' tehnologije - umetanje kartice u računalni sustav dok računalo radi omogućava dodatni utor za umetanje nove vrste kartica - EXPRESSCARD u prijenosna računala (notebook). Kartice bi trebale imati debljinu od 5mm i širinu od 34mm i 54mm. Ove kartice predviđene su i verziji za rad s USB sučeljem. Svi su izgledi da će PCMCIA kartica i ostale srodne vrste kartica pomalo u zaborav.

Na sličnoj filozofiji povezani su 'sjeverni' i 'južni' chipset, a i sama memorijska sabirnica doživjela je značajne promjene. Koristi se dvokanalni pristup memoriji s DDR (Double Data Rate) tehnologijom. PCI-Express sabirnica eliminirala je potrebu za AGP portom, kojeg u varijanti x16 nadmoćno nadmašuje, a kao prava sabirnica omogućava, ako treba, uporabu više grafičkih kartica. Na narednoj slici prikazan je sustav s jednim 'x16' utorom.

Iako je inovacija u samom podnožju od velikog značaja, u uputi za montažu grafičke kartice stoji nešto kao: 'Umetnuti karticu u utor nježno i ravnomjerno'? Nije ni čudo što same ispadaju iz ležišta ako je kućište računala malo naopako (jeftino) napravljeno. Gdje je doba ISA utora! Sa širokim, pozlaćenim i čvrstim kontaktnim perima! Stoga treba koristiti matične ploče s ugrađenim držačem za grafičku karticu, treba osigurati kvalitetna kućišta s kvalitetnim napajanjem - izvorom energije zbog znatno povećanje potrošnje uređaja, osobito mikroprocesora i grafičke kartice. A i sam 'North bridge' poprilično zahtijeva (vidi se po hladnjaku na slici). Oprez pri nabavi; napajanje od 400W ne mora dati 400W ma što mi govorili o tom.

Iako se pri vrednovanju računala polazi o mikroprocesora i njegovih mogućnosti, ne smije se zanemariti uloga skupa elektroničkih komponenti objedinjenih u jednom ili više integriranih krugova (CHIPSET) kojima je zadaća uspješno upravljanje i razmjena podataka između pojedinih uređaja računala. Kako se mikroprocesor i ostali uređaji tehnološki razvijaju tako je i pred chipset-om sve više zadaća koje mora uspješno obaviti. Kako postoje različite vrste procesora tako se i čipset izrađuje prema njima. Vrlo je interesantan trend da se većina uređaja koji su se u osnovi dodavali na matičnu ploču kao zasebne kartice sada nalazi integrirana u sam CHIPSET matične ploče ili u dodatnim integriranim krugovima na ploči (mreža, glazba, grafika ..). Otkaz nekog od njih znači u najbolju ruku isključivanje istog u BIOS-u matično ploče i dodavanje novog uređaja u jedan od predviđenih slot-ova. No, ono što je bitno je to da je cijena matičnih ploča za uredska računala prihvatljiva te eventualna neispravnosti ne mora biti veliki izdatak.

Primjer VII

Jedno od moćnijih rješenja s potporom mikroprocesoru s više jezgri iz porodice INTEL, za kućnu i uredsku uporabu je matična ploča sa CHIPSET-om INTEL x48 razvijena za PC sustav s potporom za mikroprocesore tipa Core DUO. Set logike chipset-a uobičajeno je podijeljen je na dva dijela:

• North Bridge - MCH
  MCH, odnosno GMCH čip (Graphics and Memory Controller Hub) ako ima integrirani grafički podsustav. Podržava komunikaciju između procesora, radne memorije tipa DDR3 i udvojenog grafičkog CrossFire sustava od dvije kartice ugrađene u PCI-E 2.0 x16 utore u funkciji brze obrade podataka. Povezan je sa 'South Bridge' hub arhitekturom koji vodi brigu o periferijama.
  
  
• South Bridge - ICH
  Brine o radu s internim i vanjskim uređajima računala (I/O Controller Hub) i koji podržava multimedijske i Internet zahtjeve, te ima integriranu potporu za polje diskova (RAID), optičke uređaje (CD-DVD), USB (Universal Serial Bus) uređaje, više kanalnu potporu za obradu zvuka (HDA), te mrežnu potporu za LAN komunikaciju. Osobitost je podrška za vanjske uređaje povezane SATA sučeljem (eSATA - external SATA).

Slika* 3.5.26 Blok shema sustava s PCI-Express sabirnicom

Integrirani grafički podsustav (GMCH) za svoj rad koristi dio fizičke radne memorije, te je operativni sustav uskraćen za dio resursa. Ovo rješenje je dobro ako se računalo koristi za manje zahtjevne potrebe ili za 'prvu ruku' ako matična ploča ima x16 utor za grafičku karticu. Naknadnom ugradnjom samostalne grafičke kartice s njenim vlastitim memorijskim resursima treba u BIOS-u isključiti integriranu grafiku. Prilikom odabira matične ploče treba paziti na verziju, jer neke ne podržavaju RAID tehnologiju iako imaju više SATA-II priključaka za diskove (na primjer ICH9 / ICH9DH ne podržava, a ICH9R / ICH9DO podržava), ako se misli koristiti više diskova u RAID polju. Prije nabave matične ploče obavezno treba pomno proučiti upute, kojih ne nedostaje na Internetu.

Prikazana matična ploča chipset-a nema više podršku za klasično serijsko RS232c sučelje i PIO sučelje, PS/2 priključke za miša i tipkovnicu, kao ni konektor za FDD pogon (diskete) u prikazanoj verziji iako je od ICH podržan, što ne znači da uređaje koji koriste ovakvo sučelje nije moguće spojiti jer postoje različite vrste adaptera ili kartica upravo za ovu svrhu. Navedeni logički sklopovi dizajniraju se kao dva odvojena čipa ali se u budućnosti može očekivati njihovo objedinjavanje u jednu zajedničku cjelinu. Propusna moć PCI-E x16 je 16GB/s, a X48 MCH prema procesoru može komunicirati s FSB na taktu od 800/1067/1333/1600MHz kao i prema DDR3 radnoj memoriji. Iskoristivost MCH u tom smislu vezana je sa što bržom radnom memorijom i procesorom s većim FSB taktom, dakle cijenom. MCH i ICH komuniciraju međusobno s 2GB/s. PCI-E x4 u suštini ne treba tako dugačak konektor jer većina predviđenih priključaka za duljinu x16 nije u funkciji, ali je postavljen veći konektor radi tipizacije proizvodnje (manji troškovi).

Chipset ovakvih performansi nije namijenjen prosječnom uredskom računalu te u 'North Bridge' nema ugrađene podrške za grafiku, već se moraju uporabiti jedna ili dvije spregnute grafičke kartice. Stoga su na narednoj slici s priključcima prikazana sučelja dviju grafičkih kartica, a po dimenzijama u usporedbi sa sučeljem kartice na slici 3.5.9c može se zaključiti da su prikazane kartice u narednom primjeru NISKOG profila po visini, pogodne za ugradnju u tanja 'desktop' kućišta. Osobitost prikazanih kartica uz VGA konektor je i HDMI sučelje (High-Definition Multimedia Interface). Svojstvo ovog sučelja je da omogućava prijenos audio zapisa prema novijim TV i njima srodnim uređajima, dakle prijenos video i audio zapisa jednim kabelom. Samo noviji chipset-i, grafičke kartice i operativni sustavi podržavaju ovu mogućnost. Kvalitetan kabel omogućava prijenos navedenih signala na udaljenosti veću od 10m, a pretvorbom signala odgovarajućim uređajima (extender) može se ostvariti prijenos signala preko UTP kabela duljine 50-100m.

Slika 3.5.27 I/O priključci PCI-Express matične ploče

Dakle, bitna značajka u odnosu na chipset-ove iz ranijih razdoblja je potpuna dominacija USB koncepta kao mehanizama priključivanja perifernih uređaja za računalo, uz LAN i Audio uređaje ukomponirane na matičnoj ploči, kao i značajno povećana propusna moć svih sabirnica u drugoj reviziji PCI-Express standarda. Matična ploča sa slike ima programsku podršku koja omogućava fino podešavanje pojedinih osnovnih sklopova (mikroprocesora, sabirnice i memorije) glede 'preopterećenja' (overlocking) pojedinih komponenti u skladu s učinkovitošću njihovog hlađenja. Može se pratiti zagrijavanje pojedinih komponenti i finim dotjerivanjem parametara postići najbolje moguće performanse u skladu s okolnostima.

Iako se na slikama 3.5.26b i 3.5.27 vidi mnoštvo priključaka, bez straha se sve može spojiti jer su svi važniji priključci fizički različiti. To je jedna od predviđenih mjera predostrožnosti proizvođača i dizajnera standarda priključaka. Treba velika SILA da bi se neki konektor spojio na pogrešan priključak. Priključivanje konektora mora se moći obaviti 's dva prsta', bez ikakve uporabe velike sile, a ako postupak priključivanja ne ide lagano moguće je da je neki od pin-ova konektora savijen ili je upalo kakvo strano tijelo u konektor ili nešto slično. Isto vrijedi i za priključke napajanja na matičnoj ploči i prema uređajima, kao i za utore kartica ili memorijskih modula. DDR ili DDR2 memorijski modul ne može se umetnuti u DDR3 utor ili PCI-E kartica ne može se umetnuti u PCI standardni utor i tome slično. Fizički raspored različitih vrsta utora na matičnoj ploči ilustrira slika 3.5.7 te je zabuna je gotovo nemoguća.

Matične ploče PC kompatibilnog računala proizvode se u nekoliko različitih veličina, koje su standardizirane (preporučene), te pored ostalog propisana mjesta za utore kartica i mjesta otvora za vijke. No svi proizvođači ne nude 'rupe' na istim mjestima te stoga treba paziti pri zamijeni matične ploče. U osnovu nude se dva formata matičnih ploča: ATX (nasljednik AT formata) i BTX. U odnosu na AT format ATX format donio je nekoliko značajnih promjena, kao što su napajanje s elektroničkim prekidačem pa se računalo može ugasiti iz operativnog sustava, napredniji raspored komponenti na matičnoj ploči i integrirane konektore poput paralelnog i serijskog porta na stražnjoj stranu ATX ploče. To je o osnovi pojednostavnilo sastavljanje računala. BTX format bi u narednim godinama trebao zamijeniti ATX format.

• ATX (Advanced Technology eXtended)
  • ATX (12.00" x  9.60" [304.80mm X 243.84mm])
  • microATX (9.60" X 9.60" [243.84mm X 243.84mm])
• BTX (Balanced Technology eXtended)
  • BTX (12.80" X 10.50" [325.12mm X 266.70mm])
  • microBTX (10.40" X 10.50" [246.16mm X 226.70mm])
  • picoBTX (8.00" X 10.50" [203.20mm X 266.70mm])

Slika* 3.5.28 ATX i BTX raspored komponenti PC računala

Osnovna razlika u ATX i BTX formatu je u rasporedu osnovnih elemenata matične ploče; stražnjeg sučelja, utora za proširenja s karticama, utora za memorijske module i ležišta mikroprocesora. BTX je nedavno predložen raspored od strane Intel-a koji bi u suštini trebao omogućiti bolje HLAĐENJE komponenti, što za ATX nije bio problem jer se negdašnje komponente nisu jako grijale, na primjer mikroprocesori su trošili ispod 25W a grafičke kartice oko 10W. Po BTX specifikaciji hlađenje treba omogućiti namjenski sustav za hlađenje i ventiliranje, termalni modul - TM (Thermal Module), koji usmjerava strujanje zraka preko hladila mikroprocesora, a pričvršćuje se za SRM modul (Support and Retention Module) na kućištu. SRM modul je profilirana metalna podloga koja stoji između matične ploče i kućišta u svrhu smanjenja krivljenja matične ploče u području mikroprocesora, nastalog zbog zagrijavanja.

Navedene dimenzije ATX matične ploče vrijedi za specifikacije u verziji 2.2, a prethodne verzije specifikacije predviđale su matične ploče manjih dimenzija od navedenih, te uz uobičajene PCI utore i pokoji ISA utor kao verzija specifikacije 2.01. Specifikacije sadrže i zahtjeve za izvor napajanja (konektori, naponi, tolerancije napona ..). Neka naredna specifikacija vjerojatno će 'umiroviti' i standardi PCI utor kada na tržištu prevladaju kartice tipa PCI-Express. Navedene dimenzije BTX matične ploče su prema specifikaciji u verziji 1.0b. Postoje formati matičnih ploča van navedenih, koji su obično interno rješenje nekog proizvođača kao i kućište u koje je smještena. Nestandardno kućište, napajanje i matična ploča mogu dovesti do naknadnih problema u održavanju. Stoga ove posebnosti neka ostanu izvan sadržaja ovog prikaza.

SAŽETAK:

TEMPERATURA komponenti danas je značajan problem o kojem treba voditi računa u dizajnu PC računala, a to je učinkovitije riješeno u BTX koncepciji. ATX matična ploča u punoj (full) verziji proširena je s lijeve strane u odnosu na prikazanu na slici, a matična ploča BTX proširena je na punu verziju ili smanjena na 'pico' verziju s desne strane u odnosu na prikazanu na slici 3.5.28.

Bitne novine u BTX koncepciji je i termalni modul za hlađenje CPU s usmjerenim strujanjem zraka od pročelja računala izravno na CPU i na izlazu iz termalnog modula strujanje preko hladila MCH chipset-a, te promjena strane matične ploče u 'tower' kućištu. Eh, ta TEMPERATURA! Sve je prihvatljivo što se nikad ne ugrije više od 55°C, mjereno na hladilu ili kućištu uređaja. Unutar čipa (jezgra) temperature su znatno veće, do 150°C. Dakle, BTX matična ploča ne može u ATX kućište. Neki proizvođači nude uspravna ATX/BTX kompatibilna kućišta, u kojima je BTX matična ploča na istoj strani kućišta kao da je u pitanju ATX ploča, samo se mijenja stražnja maska, što nije po BTX specifikaciji do verzije 1.0b. Ni položaj TM i SRM tada nije po specifikaciji, ali su uvijek na istom mjestu u kućištu bez obzira na veličinu matične ploče i visinu kućišta. Kako to olakšava ugradnju sve tri vrste BTX ploča u uspravno kućište moguće je da će tako i ostati. TM i SRM modul obično se nude kao opcija koju treba doplatiti. Osim znatnog smanjenja krivljenja matične ploče zbog temperature, SRM modul smanjuje naprezanje i kompenzira vibracije nastale udarom.

Matične ploče za poslužitelje nemaju ovako striktno definirane formate osim za položaje utora kartica i stražnjeg sučelja prema preporukama za PC kompatibilna računala. A kad se pogleda unutrašnjost nekog od njih ne može se ne primijetiti dobro riješen sustav ventiliranja koji osigurava učinkovit besprekidan rad. No poslužitelji nisu osobna računala, oni su posebna vrsta sklopovlja, tako na primjer CHIPSET i DRAM koji se ugrađuje nije istih osobina kao za PC računala.