آناتومی مادربرد؛ هر آنچه باید درباره ساختار آن بدانید

مادربرد مجموعه پیچیده‌ای از بردهای مدار محسوب می‌شود که دارای پردازنده‌ها، سوئیچ‌ها، کانکتورها و تراشه‌های حافظه است. تا چه حدودی با بخش‌های مختلف مادربرد و ساختار آن‌ها آشنا هستید؟ آیا می‌دانید این بخش از کامپیوتر چگونه عمل می‌کند؟ در این مطلب به‌صورت کاملاً مفصل به این سؤال‌ها پاسخ خواهیم داد.

مادربرد یکی از مهم‌ترین قطعات کامپیوتر است که سایر قطعات روی آن نصب می‌شود. این بخش از کامپیوتر که به‌اندازه مهم‌ترین قطعات یعنی سی‌‌پی‌یو و کارت گرافیک اهمیت دارد، فناوری‌های جالب و پیچیده زیادی دارد. در این مطلب قصد داریم آناتومی مادربرد را به زبان ساده و خلاصه تشریح کنیم.

نقش اصلی مادربرد

اجازه دهید ابتدا ببینیم نقش اصلی مادربرد در کامپیوتر چیست؟ این قطعه برای دو هدف بسیار مهم یعنی تأمین جریان الکتریکی موردنیاز هریک از قطعات و ایجاد یک مسیر برای برقراری ارتباط بین قطعات مختلف با یکدیگر استفاده می‌شود. مادربرد وظایف دیگری نیز بر عهده دارد که شامل نگه داشتن قطعات در سر جای خود یا واکنش نشان دادن به میزان مناسب بودن عملکرد هر یک از قطعات می‌شود؛ اما دو وظیفه اصلی فوق‌الذکر در نحوه عملکرد یک کامپیوتر تأثیر زیادی دارند و تقریباً عملکرد همه قطعات نصب‌شده روی مادربرد در گرو انجام صحیح این دوظیفه است.

تقریباً تمام مادربردهای مورداستفاده در کامپیوترهای دسکتاپ امروزی دارای سوکت‌هایی برای واحد پردازش مرکزی (CPU)، ماژول رم (که اغلب برای رم‌های DRAM قابل‌استفاده هستند)، کارت‌های توسعه افزوده‌شده (مثل کارت گرافیک)، حافظه ذخیره‌سازی اطلاعات، ورودی‌ها و خروجی‌ها و سیستمی برای برقراری ارتباط با سایر کامپیوترها و سیستم‌ها هستند.

مادربردهای استاندارد در اندازه‌های متفاوتی تولید می‌شود و استانداردهای صنعتی گسترده‌ای برای مادربردها ایجاد شده است که سازندگان مادربرد در ساخت محصولات خود مطابق آن‌ها عمل می‌کنند (البته عده‌ای از سازندگان هم از این استانداردها پیروی نمی‌کند!). اندازه‌های اصلی مادربرد به شرح زیر هستند:

• ATX استاندارد با اندازه ۳۰۵ در ۲۴۴ میلی‌متر
• ATX میکرو با اندازه ۲۴۴ در ۲۴۴ میلی‌متر
• ATX با اندازه ۱۵۰ در ۱۵۰ میلی‌متر

برای مشاهده فهرست جامع‌تری از اندازه‌های مختلف مادربرد می‌توانید به این صفحه ویکی‌پدیا مراجعه کنید؛ البته ما در ادامه برای ساده شدن مقاله تنها مادربرد ATX استاندارد را مورد بررسی قرار می‌دهیم؛ زیرا تفاوت بین این مادربردها معمولاً تنها به تعداد سوکت‌های در دسترس برای اتصال قطعات به آن‌ها و انتقال نیرو به قطعات از طریق آن‌ها، ختم می‌شود؛ هرچقدر مادربرد بزرگ‌تر باشد، سوکت‌های بیشتری دارد. اجازه دهید در ابتدا ببینیم اصلاً مادربرد دقیقاً چیست؟

مادربرد چیست؟

در تعریف ساده مادربرد باید بگوییم این قطعه تنها یک برد مدار چاپی الکترونیکی بزرگ با تعداد زیادی کانکتور برای متصل کردن قطعات به آن و در برخی از موارد هزاران ردیاب سیگنال است که بین سوکت‌های مختلف کشیده شده‌اند. ازل حاظ تئوری برای متصل کردن قطعات به یکدیگر نیازی به استفاده از برد نیست. شما می‌توانید با استفاده از تعداد بسیار زیاد سیم این کار را به‌راحتی انجام دهید. در صورت استفاده از سیم برای متصل کردن قطعات به یکدیگر سیگنال‌ها با یکدیگر تداخل پیدا می‌کنند و با استفاده از این روش با اتلاف نیروی زیادی مواجه می‌شویم.

تشریح آناتومی مادربرد

در ابتدا کار را با تشریح یک مادربرد ATX استاندارد یعنی مادربرد گیمینگ ایسوس مدل Z97-Pro Gamer، ظاهر ویژگی‌های آن و همچنین عملکرد سایر مادربردهای مشابه آغاز می‌کنیم.

در تصویر بالا این مادربرد را مشاهده می‌کنید به دلیل اینکه مادربرد از بخش‌های مختلفی تشکیل شده، مشخص کردن قسمت‌های مختلف آن کمی دشوار است. در تصویر زیر نقشه‌ای ساده از این مادربرد  را می‌بینید.

در نقشه ساده بالا سوکت‌ها و کانکتورها بهتر مشخص هستند و هر یک از آن‌ها را به‌راحتی می‌توانید تشخیص دهید.

نقشه به تصویر کشیده شده در بالا دارای برچسبی تحت عنوان LGA1150 است. این نام توسط اینتل برای توضیح در مورد سوکت مورداستفاده برای نگه داشتن سی‌‌پی‌یوهای مختلف مورداستفاده قرار می‌گیرد. حروف LGA مخفف عبارت Land Grid Array به معنی آرایه توری شبکه است. این ساختار در حقیقت نوعی فناوری پکیجینگ  متداول برای سی‌‌پی‌یوها و سایر مدارهای مجتمع محسوب می‌شود.

سیستم‌های LGA دارای تعداد زیادی پین کوچک در مادربرد یا در داخل سوکت روی برد هستند که  وظیفه آن‌ها تأمین نیرو و برقراری ارتباط با پردازنده است. در تصویر زیر تعدادی از آن‌ها را مشاهده می‌کنید.

در تصویر بالا می‌بینید که یک براکت فلزی برای نگه داشتن سی‌‌پی‌یو استفاده شده است. در تصویر زیر برای اینکه پین‌ها کاملاً مشخص باشد، این براکت برداشته شده است.

عدد ۱۱۵۰ در عبارت LGA1150 نشان‌دهنده تعداد پین‌های موجود در سوکت است. توضیح در مورد کانکتورهای مورداستفاده برای سی‌‌پی‌یو خارج از بحث این مقاله است و تنها به این موضوع اشاره می‌کنیم که تعداد پین‌های موجود در مادربرد برای اتصال سی‌‌پی‌یوهای مختلف متفاوت است.

 به‌عبارت‌دیگر هرچقدر سی‌‌پی‌یو توانایی بیشتری داشته باشد (منظور تعداد هسته‌های آن، میزان حافظه کش آن و سایر موارد است)، سوکت طراحی شده برای سی‌‌پی‌یوی موردنظر پین بیشتری دارد. بخش اعظمی از این اتصالات برای دریافت داده از بخش بسیار مهمی از مادربرد و همچنین ارسال داده به این بخش استفاده می‌شود.

اسلات رم در مادربرد

نزدیک‌ترین اسلات‌ها و سوکت‌ها به سی‌‌پی‌یو، اسلات‌ها و سوکت‌های دربردارنده ماژول‌های رم‌های DRAM هستند که حافظه سیستم (system memory) نام دارند. این قطعات مستقیماً به سی‌‌پی‌یو متصل هستند. تعداد اسلایدهای مختص رم DRAM تا حدود زیادی به سی‌‌پی‌یو بستگی دارد.

در مادربردی که در این مقاله برای تشریح آناتومی انتخاب شده است، سی‌پی‌یوی نصب شده روی مادربرد دارای دو کنترلر حافظه است که هر یک از آن‌ها دو ماژول حافظه را مدیریت می‌کند؛ بنابراین درمجموع ۴ سوکت در این بخش وجود دارد. همان‌طور که در این تصویر مادربرد می‌بینید، سوکت‌های به شیوه خاصی با رنگ‌های مختلف مشخص شده‌اند تا بفهمید کدام یک از آن‌ها توسط کدام یک از کنترلرها مدیریت می‌شوند. این سوکت‌ها معمولاً کانال‌های حافظه (memory channels) نامیده می‌شوند؛ بنابراین کانال ۱ دو عدد از اسلات‌ها و کانال ۲ دو اسلات دیگر را مدیریت می‌کند.

در این مادربرد خاص رنگ اسلات‌ها می‌تواند کمی گیج‌کننده باشد. هر یک از دو اسلات مشکی‌رنگی که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید (و همچنین دو اسلات خاکستری‌رنگ)، مختص دو کنترلر حافظه هستند؛ بنابراین اسلات مشکی‌رنگ نزدیک به سوکت سی‌‌پی‌یو کانال ۱ و اسلات مشکی‌رنگ دیگر، کانال ۲ است.

این رنگ‌بندی شما را تشویق می‌کند از مادربرد با روشی تحت عنوان کانال دوگانه حافظه (memory channel mode) با بهره‌گیری از دو کنترلر به‌صورت هم‌زمان استفاده کنید. با بهره‌گیری از یک سیستم عملکرد کلی حافظه سیستم افزایش پیدا می‌کند؛ بنابراین درصورتی‌که سیستم شما دارای دو ماژول رم ۸ گیگابایتی باشد، فرقی نمی‌کند رم را در کدام یک از اسلات‌ها قرار دهید و سیستم شما همیشه ۱۶ گیگابایت حافظه رم دارد.

اگرچه درصورتی‌که هر دو ماژول را در هر دو اسلات سیاه‌رنگ (یا در هر دو اسلات خاکستری‌رنگ) قرار دهید، سی‌‌پی‌یو اساساً مسیرهای ممکن برای دسترسی به حافظه را دو برابر می‌کند. چنانچه هر ماژول را در یک رنگ قرار دهید، سیستم مجبور می‌شود تنها با یک کنترلر حافظه به حافظه دسترسی پیدا کند، با توجه به اینکه هر کنترل حافظه می تواند در هر مرتبه تنها یک مسیر را مدیریت کند، مطمئناً نمی‌تواند به عملکرد سیستم کمک کند.

در این ترکیب سی‌پی‌یو  و مادربرد با یکدیگر، از تراشه رم DDR3 SDRAM استفاده می‌شود (کلمه DDR3 مخفف عبارت double data rate version 3 به معنی نرخ دو برابر داده‌ها و کلمه SDRAM مخفف عبارت synchronous dynamic random access memory به معنی حافظه دسترسی تصادفی پویا هم‌زمان است) و هر یک از سوکت‌ها دربردارنده ماژول حافظه داخلی تک‌گانه (Single Inline Memory Module یا SIMM) یا دوگانه (Dual Inline Memory Module یا DIMM هستند).

در لبه قسمت پایینی ماژول حافظه تعداد زیادی کانکتور با روکش طلایی وجود دارد و این نوع حافظه دارای ۲۴۰ کانکتور طلایی است (در هر طرف ۱۲۰ کانکتور وجود دارد). این کانکتورها نیروی موردنیاز تراشه‌ها را تأمین و سیگنال‌های داده را نیز به آن‌ها منتقل می‌کنند.

ماژول‌های بزرگ‌تر امکان استفاده از رم‌های دارای ظرفیت بالاتر را فراهم می‌کنند؛ اما کل سیستم به نسبت تعداد پین‌های موجود در سی‌‌پی‌یو (در مادربردی که در حال بررسی آن هستیم، نیمی از ۱۱۵۰ پین موجود در آن مختص مدیریت این تراشه‌های حافظه هستند) و همچنین فضای موجود برای تمام ردیاب‌های سیگنال یا سیم‌های الکتریکی در مادربرد، محدود می‌شود.

در ماژول‌های رمی که از سال ۲۰۰۴ تاکنون ساخته شده‌اند، تنها از ۲۴۰ پین استفاده شده و هیچ نشانه یا خبری دال بر افزایش این تعداد پین در آینده نزدیک وجود ندارد. در هر نسخه جدید از ماژول‌های رم سرعت تراشه‌ها به‌منظور بهبود عملکرد کلی رم افزایش داده شده است. در مادربردی که در حال بررسی آن هستیم، هر یک از کنترلرهای حافظه سی‌‌پی‌یو می‌توانند در هر سیکل کلاک ۶۴ بیت داده را ارسال یا دریافت کنند؛ بنابراین در حافظه‌های دارای دو کنترلر، ۱۲۸ پین به انتقال داده‌ها اختصاص داده شده‌اند. پس چرا این حافظه‌ها دارای ۲۴۰ پین هستند؟

 هر یک از تراشه‌های حافظه در حافظه DIMM (مجموع این تراشه‌ها در این حافظه‌ها به ۱۶ تراشه می‌رسد و در هر طرف ۸ تراشه وجود دارد) می‌توانند در هر سیکل داده ۸ بیت را منتقل کنند. به‌عبارت‌دیگر هر تراشه تنها برای انتقال داده نیازمند ۸ پین است. اگرچه دو تراشه دارای بین‌های یکسان برای انتقال داده هستند، اما تنها ۶۴ بین از ۲۴۰ پین مختص انتقال داده هستند و ۱۷۶ پین باقی‌مانده تنها برای زمان‌بندی و دسترسی به داده ذخیره‌شده در بخش خاصی از حافظه، انتقال آدرس داده (موقعیت مکانی داده موردنظر در ماژول)، کنترل تراشه‌ها و تأمین نیروی برق موردنیاز، استفاده می‌شوند؛ بنابراین می‌توان گفت افزایش تعداد پین‌ها به بیش از ۲۴۰ پین، لزوما باعث بهتر شدن عملکرد رم نمی‌شود.

حافظه سیستم به‌منظور تقویت شدن عملکرد مستقیماً به پردازنده مرکزی متصل می‌شوند؛ البته سوکت‌های دیگری نیز در مادربرد وجود دارد که تا حدود کمی به این شکل با سیم به برد متصل شده‌اند و آن‌ها نیز برای تقویت عملکرد به کار می‌روند. آن‌ها از فناوری ارتباطی PCI Express (یا PCIe) بهره می‌برند و تمام سی‌‌پی‌یوهای مدرن امروزی دارای یک کنترلر PCIe در داخل خود هستند.

این کنترلر ها می‌توانند چند اتصال را مدیریت کنند. به این اتصالات خطوط انتقال داده یا لِین (lane) گفته می‌شود. چنین سیستمی یک سیستم نقطه‌به‌نقطه محسوب می‌شود؛ به‌عبارت‌دیگر لین‌های موجود در سوکت با هیچ دستگاه دیگری به اشتراک گذاشته نمی‌شود؛ به‌عبارت‌دیگر کنترلر PCI Express دارای ۱۶ لین است.

مهم‌ترین سوکت‌های مادربرد

در تصویر بالا می‌توانید سه سوکت را مشاهده کنید. دو سوکت بالا سوکت‌های PCI Express هستند .سوکت پایینی که نسبت به دو سوکت دیگر دارای سیستم بسیار قدیمی‌تری است، PCI است (این رابط اتصال هم مانند PCIe است و تنها سرعت کمتری دارد). سوکت کوچک‌تر بالای تصویر PCIEX1_1 نام دارد؛ زیرا تنها یک لین دارد و سوکت پایینی آن دارای ۱۶ لین است. سایر سوکت‌های مادربرد به شرح زیر هستند:

• دو سوکت PCI Express تک لین
• سه سوکت PCI Express با ۱۶ لین
• ۲ سوکت PCI

درصورتی‌که کنترل سی‌‌پی‌یو ۱۶ لین داشته باشد چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ اول از همه تنها سوکت‌های PCIEX16_1 و PCIEX16_2 به سی‌‌پی‌یو متصل می‌شوند، سومین سوکت و دو سوکت تک لین به پردازنده دیگری در مادربرد متصل می‌شود. همچنین درصورتی‌که در هر دو سوکت، دستگاه‌هایی با ۱۶ لین PCIe نصب شوند، سی‌‌پی‌یو تنها به ۸ لین به آن‌ها اختصاص می‌دهد.

تمام سی‌‌پی‌یوهای امروزی چنین ساختاری دارند و دارای لین‌های محدودی هستند؛ بنابراین هرچقدر تعداد دستگاه‌های متصل‌شده به سی‌‌پی‌یو افزایش یابد، لین‌های کمتری به آن‌ها اختصاص پیدا می‌کند. سی‌‌پی‌یوها و مادربردهای دارای پیکربندی‌های متفاوت، برای مدیریت چنین محدودیتی از روش‌های اختصاصی خود استفاده می‌کنند؛ به‌عنوان‌مثال مادربرد گیمینگ B450M گیگابایت دارای یک سوکت PCI با ۱۶ لین، یک سوکت PCIe با ۴ لین و یک سوکت M.2 با ۴ لین PCIe دارد. سی‌‌پی‌یوی مادربرد تنها ۱۶ لین در اختیار آن قرار می‌دهد و با استفاده از دو سوکت ۱۶ لین به ۸ لین محدود می‌شود. تعداد لین‌ها مورداستفاده متداول برای اتصال سوکت اصلی‌ترین قطعات کامپیوتر به مادربرد به شرح زیر هستند:

• کارت گرافیک = ۱۶ لین
• حافظه SSD= چهار لین
• کارت‌های صوت و آداپتورهای شبکه= یک لین

در تصویر بالا می‌توانید تفاوت بین کانکتورها را مشاهده کنید. کارت گرافیک دارای ۱۶ لین و کارت صوت تنها دارای یک لین است. کارت صوت در مقایسه با کارت گرافیک باید داده بسیار کمتری را منتقل کند. به همین دلیل تنها یک خط انتقال داده هم می‌تواند برای آن کافی باشد.

در مادربردی که در حال بررسی آن هستیم، مانند بسیاری از مادربردهای دیگر تعداد زیادی سوکت و اتصالات برای مدیریت اتصال قطعات وجود دارد و سی‌‌پی‌یو هم از پردازنده دیگری کمک می‌گیرد.

تراشه‌های پل شمالی و پل جنوبی

اگر به ۱۵ سال قبل یا همین حدود بازگردید و مادربردهای آن زمان را بررسی کنید، متوجه می‌شوید در آن‌ها دو تراشه اضافه که دیگر در مادربردهای امروزی دیده نمی‌شود، برای ساپورت کردن سی‌‌پی‌یو تعبیه شده‌اند که در کنار یکدیگر مجموعه تراشه یا چیپست (chip set) نام دارند و به‌صورت مجزا تراشه‌های پل شمالی یا Northbridge (NB) و پل جنوبی یا Southbridge (SB) نامیده شده‌اند. تراشه پل شمالی حافظه سیستم و کارت گرافیک را مدیریت می‌کند و تراشه پل جنوبی برای پردازش داده و سایر دستورالعمل‌ها استفاده می‌شود.

در تصویر بالا که متعلق به مادربرد ای اس راک مدل 939SLI32 است، تراشه‌های پل شمالی و پل جنوبی کاملاً مشخص هستند. هر دوی آن‌ها در زیر یک هیت سینک آلومینیومی پنهان شده‌اند. چند سال پس از اینکه استفاده از این ساختار در ساخت مادربردها باب شد، AMD و اینتل هر دو سی‌‌پی‌یوهایی را عرضه کردند که در آن‌ها تراشه پل شمالی در پردازنده مرکزی ادغام شده بود؛ اما تراشه پل جنوبی همچنان به‌صورت واحدی مجزا طراحی شد و احتمالا طراحی این تراشه به این شکل، در آن زمان طراحی آینده‌نگرانه‌ای بوده است.

جالب است بدانید که هر دو برند از آن زمان تراشه پل جنوبی را دیگر با این نامه خطاب نکردند و علیرغم اینکه تنها یک تراشه بود، با عنوان چیپست از آن یاد می‌شد. اینتل این تراشه را Platform Controller Hub (PCH) نامید. در مادربرد مدرن ایسوس که قبلاً با آن آشنا شدیم، پل شمالی با هیت سینک پوشانده شده است؛ اما وقتی هیت سینک را برداریم با چنین صحنه‌ای مواجه می‌شویم.

این تراشه، کنترلر پیشرفته‌ای محسوب می‌شود که می‌تواند چند نوع از اتصالات و تعدادی از آن‌ها مدیریت کند. تصویر بالا مجموعه تراشه یا چیپست اینل Z97 است که قطعات آن به شرح زیر هستند:

• ۸ لین PCI Express (نسخه 2.0 رابط اتصال PCIe)
• ۱۴ پورت USB (۶ پورت USB 3.0 و ۸ پورت USB 2.0)
• سه پورت Serial ATA (ساتا نسخه 3.0)

از دیگر قطعات مادربرد می‌توان به یک آداپتور شبکه مجتمع، یک تراشه صوت مجتمع، یک خروجی مانیتور VGA و چند سیستم کنترل‌کننده و زمان‌بندی دیگر اشاره کرد. تراشه‌های پیشرفته‌تر یا ساده‌تر دیگر در سایر مادربردها دیده می‌شود که از میآن‌ها می‌توان به لین‌های PCIe اشاره کرد؛ به‌طور کلی اکثر تراشه‌ها ویژگی‌های یکسانی دارند.

پورت‌ها و اتصالات مادربرد

در این مادربرد ایسوس، پردازنده وظیفه مدیریت اسلات‌های PCIe تک‌لین و همچنین اسلات M.2 را بر عهده دارد. تراشه‌های مدیریت کننده در پردازنده این مادربرد مانند بسیاری از چیپست‌های دیگر تمام این اتصالات متفاوت را با استفاده از مجموعه‌ای از پورت‌های دارای سرعت بالا که بسته به وسیله‌‌ای در آن زمان به مادربرد متصل است، می‌توانند روی PCI Express یا USB یا SATA (ساتا) یا پورت شبکه سوئیچ کنند، مدیریت می‌کنند؛ البته متأسفانه علیرغم وجود سوکت‌های متعدد روی مادربرد، این ساختار تعداد وسایل قابل اتصال به آن را محدود می‌کند.

در مورد مادربرد ایسوس باید بگوییم پورت ساتا که برای اتصال هارد و دی‌وی‌دی درایوها به مادربرد استفاده می‌شود، به دلیل وجود این محدودیت دسته‌بندی شده‌اند که در تصویر بالا شاهد آن هستید. بلوک متشکل از چهار پورت که در قسمت میانی تصویر آن را می‌بینید، از اتصالات USB استاندارد (standard USB connections) تشکیل شده، اما در دو پورت سمت چپ از اتصالات دارای سرعت بالا (high speed connections) استفاده شده است.

بنابراین اگر از پورت‌های سمت چپ استفاده کنید، چیپست اتصالات دیگری برای سایر سوکت‌ها در اختیار دارد. این موضوع در مورد پورت‌های USB 3.0 نیز کاملاً صدق می‌کند. اگرچه وجود ۶ پورت USB 3.0 به معنی پشتیبانی از ۶ دستگاه است، اما اتصالات  ۲ پورت از این ۶ پرت توسط اتصالات سرعت بالا استفاده می‌شوند.

سوکت M.2 که برای متصل کردن حافظه SSD مادربرد استفاده می‌شود، نیز از سیستم پرسرعتی استفاده می‌کند (همراه با اسلات PCI Express دارای 16 لین)؛ البته در برخی از ترکیب‌های سی‌‌پی‌یو مادربرد، سوکت‌های M2 مستقیماً به سی‌پی‌یو متصل می‌شوند. به گونه‌ای که در بسیاری از مادربردهای جدید بیش از ۱۶ لین PCIe برای توزیع و استفاده وجود دارد.

اگر به قسمت سمت چپ صفحه مادربرد نگاه کنید، ردیفی از کانکتورهای ورودی و خروجی را می‌بینید و در این مادربرد تراشه پل جنوبی تنها تعداد کمی از آن‌ها را مدیریت می‌کند.

• این کانکتورها به شرح زیر هستند:
• کانکتور PS/2 برای اتصال صفحه‌کلید و موس (قسمت بالای سمت چپ تصویر)
• کانکتور VGA برای اتصال نمایشگرهای ارزان و قدیمی (قسمت میانی بالای تصویر)
• پورت‌های USB 2.0- پورت‌های سیاه‌رنگ (قسمت پایین سمت چپ تصویر)
• پورت‌های USB 3.0- پورت‌های آبی‌رنگ (قسمت میانی پایین تصویر)

سی‌‌پی‌یوی دارای پردازنده گرافیکی ادغام شده سوکت‌های HDMI و DVI-D را مدیریت می‌کند (قسمت میانی پایین تصویر)؛ اما مدیریت سایر قسمت‌ها بر عهده یکسری تراشه اضافی است. در اکثر مادربردها تراشه‌های کوچکی برای مدیریت این قسمت‌ها وجود دارد که در ادامه با برخی از آن‌ها آشنا می‌شویم.

سی‌‌پی‌یوها و چیپست‌ها برای پشتیبانی از دستگاه‌های مختلف یا دستگاه‌هایی که قابلیت متصل شدن به آن را داشته باشند، محدودیت‌هایی دارند؛ بنابراین سازندگان مادربردها با استفاده از مدارهای مجتمع می‌توانند محصولاتی با یکسری ویژگی‌های اضافه تولید کنند؛ مثلاً آن‌ها می‌توانند با بهره‌گیری از مدارها مادربردهایی با پورت‌های ساتای بیشتری نسبت به سایر مادربردها تولید کنند.

مهم‌ترین چیپست‌های مادربرد

مادربرد ایسوس که در حال بررسی آن هستیم، نیز از این قاعده مستثنا نیست؛ مثلاً تراشه نووتون (Nuvoton) مدل NCT6791D وظیفه مدیریت تمام کانکتورهای کوچک برای فن‌ها و سنسورهای دمای تعبیه شده روی برد را بر عهده دارد. پردازنده آسمدیا (Asmedia) مدل ASM1083 که در کنار تراشه نووتون قرار دارد، دو سوکت PCI را مدیریت می‌کند؛ زیرا تراشه Z97 اینتل چنین قابلیتی ندارد.

البته چیپست اینتل دارای یک آداپتور شبکه داخلی است که از تعدادی اتصالات سرعت بالا استفاده می‌کند؛ بنابراین تراشه اینتل دیگری یعنی I218V را جهت مدیریت سوکت اترنت قرمزرنگی که در تصویر سوکت‌ها و پورت‌های ورودی و خروجی مشاهده می‌کنیم، به مادربرد خود افزوده است.

قطعه فلزی نقره‌ای مربع شکل نمایش داده شده در تصویر زیر، نوسان‌ساز کریستالی کوارتز است که سیگنال زمان‌بندی با فرکانس کوتاه را ایجاد می‌کند و برای حفظ هماهنگی تراشه شبکه با سایر تراشه‌ها و همگام (سینک) باقی ماندن آن استفاده می‌شود. در ضمن در این مادربرد تراشه‌ای برای مدیریت صدا نیز وجود دارد.

اگرچه چیپست اینتل دارای پردازنده مجتمع صوت است؛ اما ایسوس  به همان دلایلی که یک تراشه شبکه جداگانه به مادربرد خود افزوده است و اکثر کاربران ترجیح می‌دهند به‌جای پردازنده گرافیکی مجتمع سی‌‌پی‌یو، از کارت گرافیک مجزا استفاده کنند، این پردازنده را نادیده گرفته و از تراشه مجزایی برای مدیریت صدا استفاده کرده است.

 به‌عبارت‌دیگر در یک جمله باید بگوییم وجود تراشه‌های متنوع اضافی در مادربرد عملکرد بهتری را برای آن به ارمغان می‌آورد؛ البته تمام تراشه‌های افزوده‌شده به این مادربرد با هدف جایگزین کردن مدارهای مجتمع، به آن افزوده نشده‌اند و بسیاری از آن‌ها با هدف مدیریت یا کنترل عملیات‌های در حال انجام توسط برد، روی آن نصب شده‌اند.

تراشه‌های کوچک تصویر بالا، سوئیچ‌های PCI Express هستند که در مدیریت کانکتورهای PCIe دارای ۱۶ لین توسط سی‌‌پی‌یو تراشه پل جنوبی در هنگامی‌که این دو قطعه باید لین ها را در بین دستگاه‌های بیشتری توزیع کنند، به آن‌ها کمک می‌کند.

امروزه مادربردهای دارای قابلیت اورکلاک سی‌‌پی‌یوها، چیپست‌ها و حافظه سیستم، محصولات متداولی محسوب می‌شوند و بسیاری از آن‌ها برای انجام این کار دارای یک سری تراشه مجتمع هستند. قسمتی که در تصویر با کادر قرمزرنگ مشخص شده، واحدی پردازشی تحت عنوان TurboV Processing Unit است که با استفاده از طرح‌های اختصاصی ایسوس ایجاد شده و برای تنظیم سرعت کلاک و ولتاژ به میزان مناسب جهت کنترل بهتر و بهتر تنظیم شدن به کار می‌رود.

ذخبره‌سازی اطلاعات در مادربرد

دستگاه کوچک Pm25LD512 در کنار آن با کادر آبی‌رنگ مشخص شده، یک تراشه حافظه فلش جهت ذخیره‌سازی تنظیمات مرتبط با کلاک در هنگام خاموش بودن مادربرد است؛ بنابراین هر زمانی که کامپیوتر خاموش می‌شود تنظیمات مذکور به‌صورت خودکار ذخیره می‌شود و نیازی به انجام مجدد آن‌ها پس از روشن کردن کامپیوتر نیست.

تمام مادربردها حداقل دارای یک حافظه فلش برای ذخیره‌سازی تنظیمات بایوس هستند. بایوس مجموعه‌ای از فرآیندهای مرتبط با انجام عملیات سخت‌افزاری ساده است  که بلافاصله پس از روشن شدن سیستم، بخش‌های مختلف را برای لود شدن ویندوز، لینوکس، مک او اس و هر سیستم‌عامل دیگری آماده می‌کند.

تراشه وینباند (Winbond) تنها ۸ مگابایت ظرفیت دارد، اما همین ظرفیت کم، بیش از میزان موردنیاز برای ذخیره‌سازی تمام نرم‌افزارها است این نوع از حافظه فلش طوری طراحی شده است که در زمان استفاده نیروی بسیار کمی مصرف کند و بتوانند داده‌های ذخیره‌شده در خود را برای چند دهه ذخیره کنند.

زمانی که کامپیوتر را روشن می‌کنید، تنظیمات ذخیره‌شده در حافظه فلش مستقیماً در حافظه کش سی‌‌پی‌یو یا حافظه سیستم کپی می‌شوند و سپس تنظیمات از روی این حافظه‌ها اجرا می‌شوند تا سیستم‌عامل با بالاترین سرعت ممکن لود شود؛ البته تراشه حافظه زمان را برای همیشه نمی‌تواند ذخیره کند.

در این مادربرد، مثل سایر مادربردهای مشابه، یک مدار ساده زمان‌بندی وجود دارد که برای کنترل داده‌ها و ردیابی آن‌ها و همچنین کنترل زمان استفاده می‌شود و نیروی آن هم توسط یک سلول CR2032 تأمین می‌شود؛ البته نیروی ذخیره‌شده در این سلول برای همیشه حفظ نمی‌شود و زمان که نیروی این سلول تمام شود، مادربرد در حالت پیش‌فرض به‌صورت خودکار به زمان و تاریخی که در ابتدای راه‌اندازی سیستم، روی حافظه فلش ذخیره‌شده است، رجوع می‌کند.

بخش پاور مادربرد

بخش پاور یکی دیگر از مهم‌ترین بخش‌های مادربرد محسوب می‌شود و در این بخش هم کانکتورهای بسیار زیادی وجود دارد

 واحد منبع تغذیه کامپیوتر یا power supply unit (PSU) برای تأمین ولتاژ و جریان موردنیاز جهت راه‌اندازی مادربرد و بسیاری از دستگاه‌های متصل به آن، از تعدادی کانکتور استاندارد استفاده می‌کند. اصلی‌ترین کانکتور مورداستفاده برای تأمین نیروی برق نئرد نیاز سیستم، یک سوکت ATX12V نسخه 2.4 با ۲۴ پین است.

میزان جریانی که می‌تواند از طریق این پین‌ها انتقال داده شوند، به واحد منبع تغذیه بستگی دارد؛ اما معمولاً برای انتقال جریان از آن‌ها از ولتاژ مثبت ۳.۳ یا مثبت ۵ یا مثبت ۱۲ ولت استفاده می‌شود.

جریان موردنیاز برای سی‌‌پی‌یو از طریق پین‌های ۱۲ ولتی تأمین می‌شود، اما این میزان جریان برای سیستم‌های رده‌بالای امروزی کافی نیست و یک کانکتور پاور دیگر با ۸ پین به مادربرد اضافه شده که باعث شده است چهار دسته پین ۱۲ ولتی دیگر در مدار قرار گیرد.

کانکتورهای واحد منبع تغذیه دارای سیم‌های رنگی کد دار هستند تا راحت‌تر بتوان تشخیص داد هر سیم مربوط به چه بخشی است؛ البته سوکت‌های مادربرد اطلاعات زیادی در اختیار شما قرار نمی‌دهند. در تصویر زیر می‌توانید نقشه دو سوکت پاور را مشاهده کنید.

نیروی مورد نیاز برای قطعات مختلف نصب‌شده روی خود مادربرد با ولتاژ مثبت ۳.۳، مثبت ۵ و مثبت ۱۲ ولت تأمین می‌شوند و نیروی سی‌‌پی‌یو، رم و سایر دستگاه‌های نصب‌شده روی سوکت‌های توسعه مثل پورت USB یا اسلات‌های PCI Express نیز با همین ولتاژها تأمین می‌شوند.

نیروی هر دستگاهی که از طریق پرت ساتا به مادربرد متصل شده است، باید مستقیم از واحد منبع تغذیه تأمین شود؛ زیرا حداکثر توان سوکت‌های PCI Express برای انتقال جریان، ۷۵ وات است. چنانچه دستگاه‌های متصل‌شده به مادربرد، نیازمند جریان بیشتری باشند (بسیاری از کارت گرافیک‌ها نیازمند جریان بسیار بیشتری هستند)، نیروی آن‌ها مستقیماً باید از واحد منبع تغذیه تأمین شود.

در بخش پاور علاوه بر لزوم وجود پین‌های ۱۲ ولت، مشکل بزرگ دیگری هم وجود دارد و آن هم امکان‌پذیر نبودن راه‌اندازی سی‌‌پی‌یو با ولتاژ ۱۲ ولت است؛ به‌عنوان‌مثال آن دسته از سی‌‌پی‌یوهای اینتل که برای استفاده در مادربرد Z97 ایسوس طراحی شده‌اند، نیازمند ولتاژی بین ۰.۷ تا ۱.۴ ولت هستند.

سی‌‌پی‌یوهای امروزی با ولتاژ ثابتی کار نمی‌کنند و ولتاژ مورداستفاده توسط آن‌ها به‌منظور کاهش مصرف نیرو کاهش دما تغییر می‌کند؛ بنابراین ولتاژ سی‌‌پی‌یوهای مورداستفاده در کامپیوترهای دسکتاپ زمانی که هیچ فعالیت این انجام نمی‌دهند، به کمتر از ۰.۸ ولت و زمانی که با تمام توان خود کار می‌کنند و تمام هسته‌های آن کاملاً درگیر هستند، به ۱.۴ ولت یا بیشتر می‌رسد.

واحدهای منبع تغذیه برای تبدیل ولتاژ اصلی AC (ولتاژ ۱۱۰ یا ۲۲۰ ولت بسته به کشور) به ولتاژ DC ثابت طراحی شده‌اند؛ بنابراین در این واحدها باید مدارهایی برای کاهش ولتاژ و تغییر آن‌ها متناسب با نیاز سیستم، متناسب با نیاز سیستم استفاده شود. این مدارها ماژول‌های تنظیم ولتاژ (voltage regulation modules) یا به‌اختصار VRM نام دارند که می‌توان‌ها را به‌سادگی روی هر مادربردی دید.

معمولاً هر ماژول تنظیم ولتاژی از چهار قطعه تشکیل شده است که به شرح زیر هستند:

• دو ترانزیستور ماسفت یا ترانزیستور اثرِ میدانیِ نیمه‌رسانای اکسید-فلز که درواقع ترانزیستورهای سوییچ کننده جریان زیاد هستند (قسمت آبی)
• یک القاگر (قسمت بنفش)
• یک خازن (قسمت زرد)

هر VRM معمولاً یک فاز نامیده می‌شود و چند فاز برای تأمین نیروی سی‌‌‌‌‌پی‌یو موردنیاز است؛ زیرا یک فاز به‌تنهایی نمی‌تواند نیروی کافی موردنیاز برای سی‌‌پی‌یوهای مدرن را تأمین کند. مادربردی که در حال بررسی آن هستیم دارای هشت VRM است و سیستم ۸ فاز نام دارد.

ماژول‌های تنظیم ولتاژ معمولاً با تراشه مجزایی مدیریت می‌شوند. این تراشه‌ها ماژول‌ها را متناسب با ولتاژ موردنیاز بین یکدیگر سوئیچ می‌کنند. این تراشه‌ها مدولاسیون پهنای پالس مولتی فاز (multiphase pulse width modulator controllers) نام دارند و ایسوس آن‌ها  را EPU نامیده است. دمای این تراشه‌ها زمانی که با تمام توان خود فعالیت می‌کنند، افزایش می‌یابد؛ بنابراین هیت سینکی فلزی روی آن‌ها قرار دارد تا حرارت ایجادشده را کاهش دهد و پخش کند.

حتی یک سی‌پی یوی استاندارد دسکتاپ مثل سی‌‌پی‌یوی i7-9700K در حالتی که با تمام توان کار می‌کند، نزدیک به ۱۰۰ وات جریان مصرف می‌کنند. ماژول‌های تنظیم ولتاژ بسیار کارآمد هستند، اما نمی‌تواند ولتاژ را بدون اتلاف انرژی تغییر دهند و از سوی دیگر دمای آن‌ها به دلیل جریان کشی بالای آن‌ها افزایش می‌یابد. اگر بار دیگر به تصاویر ماژول‌های رم در این مقاله به دقت نگاه کنید، به‌خوبی متوجه چند VRM برای این ماژول‌ها می‌شوید. به دلیل اینکه جریان مصرفی ماژول‌های رم به‌اندازه مصرف سی‌‌پی‌یو نیست، دمای ماژول‌های تنظیم ولتاژ  مورداستفاده برای آن‌ها افزایش پیدا نمی‌کند. به همین دلیل نیازی به هیت سینک ندارند.

آخرین کانکتورهایی که قصد داریم در مورد آن‌ها صحبت کنیم، کانکتورهای هستند که برای کنترل کردن عملیات ساده و ابتدایی یا کنترل دستگاه‌های اضافی یا کارت‌های توسعه استفاده می‌شوند. در تصویر زیر می‌توانید مجموعه‌ای از پین‌های ساده کنترل، چراغ‌ها و اسپیکرها را ببینید.

قطعات موجود در تصویر بالا به شرح زیر هستند:

• یک سوئیچ کلیدزنی نرم
• یک سوئیچ ریست
• دو کانکتور LED
• یک کانکتور اسپیکر

دلیل نرم بودن سوئیچ پاور، این است که این سوئیچ برای روشن خاموش کردن استفاده نمی‌شود و در عوض مدارهای روی برد بر ولتاژ بین دو پین سوئیچ در زمان متصل شدن به یکدیگر و به‌اصطلاح ایجاد اتصال کوتاه در میآن‌ها ایجاد می‌شود، نظارت می‌کند و به‌این‌ترتیب مادربرد بسته به وضعیت آن زمان روشن یا خاموش می‌شود. چنین فرآیندی برای سوئیچ ریست هم اعمال می‌شود با این تفاوت که مادربرد همیشه خاموش می‌شود و سپس سریع دوباره روشن می‌شود

البته وجود سوئیچ ریست و کانکتورهای  LED و اسپیکر کاملاً الزامی نیست؛ اما وجود آن‌ها به اعمال کنترل‌های ساده و همچنین ارائه اطلاعات به برد کمک می‌کند.

در اکثر مادربردها آرایه و چیدمان یکسانی از کانکتورهای اضافه وجود دارد که در تصویر بالا شاهد آن هستیم. این کانکتورها از چپ به راست به شرح زیر هستند:

• کانکتور پنل صوتی: درصورتی‌که کیس کامپیوتر دارای جک ۳.۵ میلی‌متری هدفون یا میکروفون باشند، این جک‌ها می‌توانند به تراشه صوتی آنبرد متصل شوند.
• کانکتور صدای دیجیتالی: این کانکتور نیز مانند سایر کانکتورهای صوتی است با این تفاوت که برای پورت خروجی صدای دیجیتال S/PDIF استفاده می‌شود.
• جامپر بایوس: این کانکتور برای بازگرداندن بایوس به تنظیمات کارخانه استفاده می‌شود. در ضمن یک کانکتور بروپ دماسنج (سنسور دماسنج) نیز در پشت آن قرار دارد.
• کانکتور ماژول پلتفرم مورد اعتماد: این کانکتور برای کمک به افزایش امنیت مادربرد و سیستم استفاده می‌شود.
• کانکتور پورت سریال: این کانکتور رابطی بسیار قدیمی است که تقریباً در هر سیستمی دیده می‌شود.

از دیگر بخش‌های مادربرد که در تمام قسمت‌های آن قرار دارند اما در این تصویر دیده نمی‌شود، می‌توان به کانکتور فن‌ها و پورت‌های USB اشاره کرد. البته هر مادربردی دارای تمام این کانکتورها نیست

اجازه دهید قبل از پایان تشریح مادربرد، در مورد نحوه چگونگی متصل شدن دستگاه‌ها و کانکتورها از طریق سیم به یکدیگر نیز توضیح مختصری را ارائه دهیم..

قبلاً در این مقاله به نام ردیاب‌های سینگنال اشاره کرده‌ایم اما در مورد ساختار آن‌ها توضیح نداده‌ایم. به بیان ساده ردیاب‌های سیگنال نوارهای کوچک و باریک ساخته‌شده از مس هستند که روی برد مدارهای چاپی دیده می‌شوند (خطوط مشکی‌رنگ در تصویر زیر، ردیاب‌های سیگنال هستند)؛ البته در این تصویر تنها تعداد بسیار کمی از هزاران ردیاب سیگنال مدار نمایش داده شده است. سایر ردیاب‌های سیگنال در بین لایه‌های مختلف تشکیل‌دهنده مدار برد قرار گرفته‌اند.

مادربردهای ساده و ارزان تنها دارای چهار لایه هستند؛ اما اکثر مادربردهای امروزی ۶ یا ۸ لایه دارند؛ البته افزوده شدن لایه‌های اضافی به مادربرد به‌صورت خودکار باعث بهتر شدن عملکرد آن‌ها شده است. با اضافه شدن لایه‌های اضافی به مادربردهای جدید، تعداد ردیاب‌های سیگنال آن‌ها نیز افزایش یافته و برای جلوگیری از ایجاد تداخل بین آن‌ها،  کاملاً از یکدیگر مجزا شدند و هیچ ارتباطی بین آن‌ها وجود ندارد.

طراحان مادربرد برای یافتن بهترین مسیر ممکن برای تمام ردیاب‌های سیگنال، از نرم‌افزارهای خاص استفاده می‌کنند و مهندسان متخصص و مجرب در اغلب موارد چیدمان و طرح آن‌ها را بر اساس شواهد به‌دست‌آمده از پژوهش‌های عملی تغییر می‌دهند.

در ویدیوی زیر می‌توانید نحوه پردازش ایجاد بهترین مسیرها برای ردیاب‌های سیگنال در برد مدارهای چاپی (مدارهای PCB) را مشاهده کنید. به دلیل اینکه مادربرد تنها یک مدار چاپی بسیار بزرگ محسوب می‌شود، ساخت آن به اشکال مختلف و بر مبنای ایده‌های مختلف امکان‌پذیر است. شما می‌توانید مدار چاپی موردنظر خود را بسازید. آموزش‌های مربوط به ساخت این نوع مدار در اینترنت وجود دارد.