Производство материнских плат

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

В конце XX века невозможно представить себе жизнь без персонального  компьютера. Компьютер прочно вошел  в нашу жизнь став главным помощником человека. На сегодняшний день в мире существует множество компьютеров различных фирм, различных групп сложности, назначения и поколений. В данной курсовой работе мы рассмотрим персональные компьютеры (Personal Computer или просто PC), а точнее историю и дальнейшие тенденции развития материнских плат для PC.

Основной частью любой  компьютерной системы является материнская  плата с главным процессором  и поддерживающими его микросхемами. Функционально материнскую плату  можно описать различным образом. Иногда такая плата содержит всю схему компьютера (одноплатные). В противоположность одноплатным, в шиноориентированных компьютерах системная плата реализует схему минимальной конфигурации, остальные функции реализуются с помощью многочисленных дополнительных плат. Все компоненты соединяются шиной. В системной плате нет видеоадаптера, некоторых видов памяти и средств связи с дополнительными устройствами. Эти устройства (платы расширения) добавляются к системной плате путем присоединения к шине расширения, которая является частью системной платы.

Первая материнская  плата была разработана фирмой IBM, и показанная в августе 1981 года (PC-1). В 1983 году появился компьютер с увеличенной системной платой (PC-2). Максимум, что могла поддерживать PC-1 без использования плат расширения — 64 Кб памяти. PC-2 имела уже 256 Кб, но наиболее важное различие заключалось в программировании двух плат. Системная плата PC-1 не могла без корректировки поддерживать наиболее мощные устройства расширения, таких, как жесткий диск и улучшенные видеоадаптеры.

 

1. Материнская плата

Материнская плата — это основной компонент каждого компьютера, которая управляет как и внутренними устройствами, так и внешними. От ее работы зависит стабильность всего компьютера в целом. Тип установленной материнской платы определяет общую производительность, а так же модернизацию ее.

На материнских  платах размещены все основные элементы ПК. Линии их соединения и разъемы  для подключения внешних устройств:

1)  Разъем для процессора типа Socket.

2)  Разъемы (слоты) для установки модулей оперативной памяти

3)  Слоты для установки карт расширения ( видео, звуковая, сетевая карты)

4)  Разъем для подключения накопителей данных (ATA, SATA)

5)  Разъемы для подключения внешней периферии

6)  Набор чипсетов для обмена данными между всеми компонентами ПК.

Мостов у  МП всегда два: Северный и южный мост

Северный мост — его функции заключаются в обеспечение взаимодействия процессора, ОЗУ и видеоадаптера.

Южный мост — его функции в обеспечение взаимодействие шин ввода-вывода с центральным процессором и оперативной памятью (рисунок 1).

Рисунок 1 —  материнская плата

Оба моста могут  быть выполнены на одном чипе или  на двух.

Все компоненты МП связаны друг с другом системой проводников, по которой происходит обмен информации между устройствами (шинами).

Информационные  магистрали, которые связывают воедино  компоненты и устройства ПК называются шины. Шина может представлять собой  набор проводящих линий вытравленных на печатной плате; скрутки проводов; шлейфы (тот же кабель, только плоский). Шина предназначена для обмена информацией между двумя и более устройствами и центральным процессором. Шина связывающая только два устройства называется портом. Исключение это PСI шина – ее портом не назовешь.

По функциям шины различаются:

1)  Системные шины (шины центрального процессора) предназначена для пересылки информации от процессора и обратно.

2)  Шина памяти предназначена для обмена информации ЦП и оперативной памятью.

3)  Шина ввода-вывода предназначена для обмена информацией периферийных устройств с ЦП.

Каждая шина имеет свою собственную архитектуру. При этом включает следующие компоненты (линии):

1)  Каналы для обмена данными;

2)  Шины адреса (каналы для передачи адресов данных);

3)  Шины управления (передает служебные команды управления данными)

Форм-фактор материнской  платы — стандарт, определяющий размеры материнской платы для  персонального компьютера, места  ее крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода/вывода, сокета центрального процессора (если он есть) и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания.

Форм-фактор (как  и любые другие стандарты) носит  рекомендательный характер. Спецификация форм-фактора определяет обязательные и опциональные компоненты. Однако подавляющее большинство производителей предпочитают соблюдать спецификацию, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость материнской платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт расширения) других производителей.

Устаревшие: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата AT; LPX.

Современные: АТХ; microATX; Flex-АТХ; NLX; WTX, CEB.

Внедряемые: Mini-ITX и Nano-ITX; Pico-ITX; BTX, MicroBTX и PicoBTX.

Существуют  материнские платы, не соответствующие  никаким из существующих форм-факторов. Обычно это обусловлено либо тем, что производимый компьютер узкоспециализирован, либо желанием производителя материнской платы самостоятельно производить и периферийные устройства к ней, либо невозможностью использования стандартных компонентов (так называемый «бренд», например Apple Computer, Commodore, Silicon Graphics, Hewlett Packard, Compaq чаще других игнорировали стандарты; кроме того в нынешнем виде распределённый рынок производства сформировался только к 1987 году, когда многие производители уже создали собственные платформы).

Наиболее известными производителями материнских плат на российском рынке в настоящее  время являются фирмы Asus, Gigabyte, MSI, Intel, Elitegroup, AsRock. Ранее большой известностью пользовались платы фирм Abit и Epox. На сегодня обе фирмы прекратили выпуск материнских плат. Из российских производителей материнских плат можно упомянуть только компанию Формоза, которая производила платы, используя компоненты фирм Lucky Star и Albatron. Из украинских — корпорацию «Квазар-Микро».

 

2. Начальные стадии производства

Материнские платы, являющиеся важнейшими компонентами современных  компьютеров и работающие на высоких  частотах, требуют особых условий  производства, обеспечиваемых на специальных  заводах

Эра электронных  вычислительных машин насчитывает всего несколько десятков лет. За столь короткое по историческим меркам время сменилось уже несколько поколений компьютерных устройств. Представленные в первые годы ламповыми монстрами они быстро набирали вычислительную мощь за счет совершенствования элементной базы и архитектуры. Но настоящий прорыв наступил только после полупроводниковой революции, обеспечившей появление сравнительно сложных микросхем, например таких как микропроцессоры. Именно это позволило создать настольные компьютеры.

Первые модели состояли из огромного числа разных элементов, расположенных на сравнительно большом числе плат, соединенных кабелями. Это негативно отражалось не только на надежности, но и на себестоимости компьютеров. Решая эти проблемы, конструкторы постепенно пришли к варианту, предусматривающему одну большую плату к которой подключается относительно несложные карты расширения, а также ряд внешних компонентов компьютера. Такая плата, ставшая центральным, объединяющим элементом, получила специальное наименование: материнская плата.

• Центральный компонент

В настоящее  время материнские платы являются наиболее важной и, пожалуй, наиболее сложной  частью современного компьютера. Эти  платы несут на себе большинство  полупроводниковых элементов, реализующих  основные контроллеры большинства внутренних и внешних интерфейсов. В дополнение к этому, материнские платы являются своеобразными центрами, осуществляющими электрические и логические связи с остальными компонентами. К таким компонентам относятся центральные процессоры, модули оперативной памяти, видеоадаптеры, жесткие диски, а также периферийные устройства.

Для осуществления  связи с компьютерными компонентами и периферийными устройствами в  архитектуру материнских плат интегрированы  соответствующие разъемы и специальные  электронные цепи.

2. Проблемы архитектуры

Работа интегрированных  в архитектуру современных материнских  плат элементов, как и  перечисленных важнейших компонентов, осуществляется на очень высоких частотах.

Это обеспечивает высокую  производительность, однако накладывает и особые, довольно жесткие требование на архитектуру материнских плат. Прежде всего это относится к топологии расположения электронных элементов и их многочисленных соединений. Особо затейливые рисунки соединений в области видеоадаптера, модулей памяти и процессорной шины (Рисунок 2).

Рисунок 2 —  Пример рисунка соединительных линий на материнской плате

Используемые в архитектуре элементы и линии их соединения образуют чрезвычайно сложную систему, обладающую специфическими электромагнитными параметрами, трудно поддающимися точному анализу.

К сожалению, элементы рисунка  обладают взаимными емкостями и  индуктивностями. Данные паразитные емкости и индуктивности в совокупности с активными составляющими полных сопротивлений проводников играют негативную роль (Рисунок 3). Они искажают формы высокочастных импульсных сигналов, передаваемых по этим проводникам от элементов к элементам.

Рисунок 3 —  Взаимное влияние соединительных линий

Значения частот этих сигналов в ряде случаев достигают  сегодня многих сотен мегагерц. Чтобы в этом убедиться достаточно вспомнить о частотах шин процессора, оперативной памяти, видеоадаптера.

На высоких  частотах каждая микросхема, каждая ее ножка, каждый миллиметр соединяющих  эти микросхемы проводников излучают в окружающее пространство радиоволны. В результате образуются высокочастотные помехи и наводки, влияющие на работу близко расположенных элементов. А еще теряется мощность сигналов, их уровни уменьшаются, форма искажается. Остается отметить, что материнская плата является многослойной, что означает, что проводники расположены в несколько слоев, расположенных в толще платы. Но это означает, что на емкостные и индуктивные параметры влияет еще и состав стеклопластика, из которого состоит материнская плата (Рисунок 4). А этот состав может иметь некоторые флуктуации (случайные отклонения от среднего значения физических величин), что может оказать дополнительное влияние на прохождение сигналов и параметры цепей материнских плат.  

Рисунок 4 — Взаимное влияние соединительных линий с учетом материала платы.

В случае сильных  искажений, усиливаемых внешними помехами, компьютерным подсистемам приходится повторять передачу информации, что самым негативным образом влияет на общую производительность компьютера.

Минимизировать указанные  негативные факторы и добиться устойчивой и производительной работы компьютеров  благодаря высокому качеству исполнения материнских плат. Некоторые особенности их производства приведены в следующих частях данной статьи.

3. Выпуск материнских плат

Итак, искажения высокочастотных сигналов в материнских платах тесно связаны с потерями, вызванными взаимным влиянием элементов и линий передачи сигналов, комплексным характером нагрузок, излучением энергии сигналов в окружающее пространство и т.п.

Минимизация негативного  влияния осуществляется за счет высокого качества исполнения самих плат. Работоспособность  данных плат определяется референс-дизайном, представляющим тщательно рассчитанный эталон. Требования на расположение контактных площадок микросхем и рисунка межсоединений очень жесткие. Так например, допуски на следование референс-дизайну в ряде случаев измеряются микронами. При этом учитывается не только рисунок, но и расположение отверстий, служащих соединительными мостиками между проводниками разных слоев печатной платы. А это требует особо жестких, качественных условий производства.

Выполнить все эти требования настолько сложно, что иногда вызывает удивление сама возможность выпуска подобной продукции, да еще и массовыми тиражами по вполне умеренным ценам. Это становится еще более удивительным, если учитывать, что перечислены далеко не все проблемы, встающие перед дизайнерами, конструкторами и технологами.

• Завод материнских плат

Следует отметить, что все сказанное выше приведено  только для иллюстрации сложности  и ответственности современного производства материнских плат. В  свете этого совсем иначе воспринимается экскурсия, которую для ряда специалистов и журналистов устроила компания Gigabyte на одно из своих предприятий в Нан-Пинге (Nan-Ping). Экскурсия состоялась в рамках мероприятий Computex-2008 на Тайване.

Данный завод  расположен в пригороде Тайбэя в  местности Нан-Пинг (Nan-Ping), в большом, многоэтажном здании (Фотография 1). На нескольких этажах данного предприятия большое количество людей и специальных механизмов занимаются производством материнских плат (а также видеокарт и мобильных телефонов).

Мощность завода в Нан-Пинге составляет 400 000 экземпляров материнских плат в месяц. 

Фотография 1 — Завод  Gigabyte

Производство  является особо точным, поэтому везде  предприняты особые меры по очистке  воздуха и по борьбе с возможной  пылью, представляющей опасность для  оборудования и изделий. Так, например, прежде чем получить доступ во внутрь сборочного цеха, каждый сотрудник или возможный сторонний посетитель должен пройти специальный шлюз (Фотография  2), где сильный воздушный поток сдует с одежды мельчайшие частицы пыли, влияющих не только на производительность, но даже на  работоспособность вообще. Дело в том, что пыль может изменить физические параметры незащищенных участков поверхности материнских плат. А это негативно отражается на передачах высокочастотных сигналов.