Motherboard - Hauptplatine

Dezember 2016
Motherboard

Vorstellung des Motherboard

Das Hauptelement aus dem ein Computer besteht ist die
Hauptplatine (auf Englisch « mainboard » oder « motherboard », manchmal abgekürzt zu « mobo »). Das Motherboard ist der Sockel der die Verbindung aller wesentlicher Elemente des Computers ermöglicht.

Wie sein Name sagt, ist das Motherboard eine Master-Karte, in Form einer großen Leiterplatte, die insbesondere Steckverbinder für die Erweiterungskarten, die Arbeitsspeicherkarten, den Prozessor usw. besitzt.

Merkmale

Es gibt mehrere Arten ein Motherboard zu beschreiben, insbesondere nach folgenden Merkmalen :


Motherboardformat

Man bezeichnet meist mit dem Begriff « Motherboadformat » (oder Formfaktor, auf Englisch form factor), die Geometrie, die Ausmaße, die Anordnung und die elektrischen Eigenschaften des Motherboards. Um Motherboards liefern zu können die sich an die verschiedenen Gehäuse unterschiedlicher Hersteller anpassen, sind Standards geschaffen worden :

  • AT baby / AT full format ist ein Format das auf den ersten PCs, der Typen 386 oder 486 benutzt wurde. Dieses Format ist durch das ATX-Format ersetzt worden, welches eine Form hat die eine bessere Lüftung ermöglicht und einen praktischeren Zugang zu den Komponenten bietet ;
  • ATX : Das ATX-Format ist eine Weiterentwicklung des Baby-AT-Formats. Es handelt sich um ein Format das eine verbesserte Ergonomie bieten soll. So ist die Aufstellung der Steckverbinder auf einem ATX-Motherboard vorgesehen, um den Anschluss von Peripheriegeräten zu optimieren (die Steckverbinder IDE sind z.B. neben den Platten). Gleichzeitig sind die Komponenten parallel orientiert um so einen besseren Abtransport der Hitze zu ermöglichen ;
    • Standard-ATX : Das ATX Standardformat hat klassische Ausmaße von 305x244 mm. Es bietet eine AGP Steckverbinder und 6 PCI Steckverbinder an.
    • Micro-ATX : Das ATX Mikroformat ist eine Weiterentwicklung des ATX-Formats, von dem es die Hauptvorteile beibehält, dabei aber ein Format mit kleineren Ausmaßen anbietet (244x244 mm), und mit niedrigeren Kosten. Das ATX-Mikroformat bietet einen AGP Steckverbinder und 3 PCI Steckverbinder an.
    • Flex-ATX : Das Format FlexATX ist eine Erweiterung des ATX-Mikroformats, mit dem Ziel, den Herstellern eine gewisse Flexibilität für das Design ihrer Computer zu bieten. Es bietet einen AGP Steckverbinder und 2 PCI Steckverbinder an.
    • mini-ATX : Das Format miniATX ist ein kompaktes Alternativformat zum Format microATX (284x208 mm), welches einen AGP Steckverbinder und 4 PCI Steckverbinder anbietet, statt nur 3 im Format microATX. Es ist hauptsächlich für Computer des Typen Mini-PC (barebone) gedacht.
  • BTX : Das Format BTX (Balanced Technology eXtended), getragen von der Firma Intel, ist dafür gedacht einige Verbesserungen in der Anordnung der Komponenten zu bringen, um so die Lüftung zu optimieren und auch eine thermische und akustische Optimierung zu ermöglichen. Die verschiedenen Steckverbinder (Speichersteckverbinder, Erweiterungssteckverbinder) sind daher parallel angeordnet, in der Richtung der Luftbewegung. Außerdem befindet sich der Mikroprozessor an der Vorderseite des Gehäuses, auf der Höhe der Lüftungsöffnungen, wo die Luft kühler ist. Der Versorgungssteckverbinder BTX ist der gleiche wie bei ATX. Der BTX-Standard definiert drei Formate :
    • BTX Standard, mit Standardausmaßen von 325x267 mm ;
    • Mikro-BTX, mit geringeren Ausmaßen (264x267 mm) ;
    • pico-BTX, mit sehr kleinen Ausmaßen (203x267 mm).
  • ITX : Das ITX-Format (Information Technology eXtended), getragen von der Firma Via, ist ein sehr kompaktes Format, für sehr platzsparende Konfigurationen, wie die Mini-PC. Es gibt zwei ITX-Hauptformate :
    • Mini-ITX, mit winzigen Ausmaßen (170x170 mm) und einem Befestigungsplatz PCI ;
    • Nano-ITX, mit sehr winzigen Ausmaßen (120x120 mm) und einem Befestigungsplatz MiniPCI.

So hängt die Wahl eines Motherboards (und seines Formfaktors) von der Wahl des Gehäuses ab. Die folgende Tabelle stellt die verschiedenen Eigenschaften der unterschiedlichen Formfaktoren zusammen :


FormfaktorAusmaße Befestigungsplätze
ATX305 mm x 244 mm AGP / 6 PCI
microATX244 mm x 244 mm AGP / 3 PCI
FlexATX229 mm x 191 mm AGP / 2 PCI
Mini ATX284 mm x 208 mm AGP / 4 PCI
Mini ITX170 mm x 170 mm 1 PCI
Nano ITX120 mm x 120 mm 1 MiniPCI
BTX325 mm x 267 mm 7
microBTX264 mm x 267 mm 4
picoBTX203 mm x 267 mm 1

Integrierte Komponenten

Das Motherboard enthält eine gewisse Anzahl eingebauter Elemente, d.h. die in die Leiterplatte integriert sind :

  • Das chipset, die Leitung die die meisten Ressourcen kontrolliert (Bus-Schnittstelle des Prozessors, Cachespeicher und Arbeitsspeicher, Erweiterungsslots, ...)
  • Die Uhr und die Batterie des CMOS,
  • Das BIOS,
  • Der System-Bus und die Erweiterungs-Busse



Die neueren Motherboards integrieren außerdem meist eine gewisse Anzahl an Multimedia- und Netz-Peripheriegeräte die desaktiviert werden können :

  • Integrierte Netzwerkkarte
  • integrierte Graphikkarte ;
  • integrierte Audiokarte ;
  • weiterentwickelte Festplattensteuereinheiten.

Das Chipset

Das chipset (übersetzt Komponentensatz oder Leitungssatz) ist eine elektronische Leitung, deren Aufgabe es ist, den Austausch zwischen den diversen Komponenten des Computers (Prozessor, Speicher...) zu koordinieren. Da das Chipset in das Motherboard integriert ist, ist es wichtig ein Motherboard zu wählen, das ein neueres Chipset integriert, um so die Evolutivitätsmöglichkeiten des Computers zu optimieren.

Manche Chipsets integrieren einen Graphikchip oder einen Audiochip, was bedeutet, dass es nicht nötig ist, eine Graphikkarte oder eine Audiokarte zu installieren. Es ist jedoch in manchen Fällen ratsam diese zu desaktivieren (wenn dies möglich ist) im Setup des BIOS und hochwertig Erweiterungskarten an den hierfür vorgesehenen Befestigungdstellen zu installieren.

Die Uhr und die Batterie des CMOS

Die Echtzeituhr (geschrieben RTC, für Real Time Clock) ist ein Schaltkreis, der mit der Synchronisation der Systemsignale beauftragt ist. Er besteht aus einem Kristall der Impulse gibt, wenn er vibriert (genannt Uhrtakt) um das System zu takten. Man nennt Frequenz der Uhr (ausgedrückt in MHz) die Anzahl der Vibrationen des Kristalls pro Sekunde, d.h. die Anzahl der Uhrtakte die pro Sekunde abgegeben werden. Je höher die Frequenz ist, desto mehr Informationen kann das System bearbeiten.

Wenn ein Computer außer Strom gestellt wird, hört die Stromversorgung auf, das Motherboard mit Strom zu versorgen. Trotzdem gibt das System die richtige Uhrzeit an, wenn der Computer wieder angestellt wird. Ein elektronischer Schaltkreis CMOS (Complementary Metal-Oxyde Semiconductor, manchmal auch BIOS CMOS) genannt, wahrt gewisse Informationen über das System auf, so wie die Uhrzeit, das Systemdatum und ein paar wesentliche Parameter des Systems.

Der CMOS wird ununterbrochen durch eine Batterie gespeist (im Format Knopfbatterie) oder eine Batterie die sich auf dem Motherboard befindet. So werden die Informationen über das im Computer installierte Material (wie z.B. die Anzahl der Spuren und Sektoren jeder Festplatte) im CMOS gespeichert. Da der CMOS ein langsamer Speicher ist, kopieren manche Systeme den Inhalt des CMOS in den RAM (rapider Speicher); der Ausdruck « memory shadow » wird verwendet um diesen Vorgang des Kopierens in den Arbeitsspeicher zu beschreiben

Der « complémentary metal-oxyde semiconductor », ist eine Technologie der Transistorherstellung, de viele andere vorausgegangen sind, so wie die TTLTransistor-transistor-logique »), die TTLS (TTL Schottky) (schneller), oder der NMOS (negativer Kanal) und der PMOS (positiver Kanal).

Mit dem CMOS konnten ergänzende Kanäle auf den gleichen Chip installiert werden. Im Vergleich mit der TTL oder der TTLS, ist der CMOS sehr viel weniger schnell, allerdings verbraucht er auch sehr viel weniger Energie, daher seine Verwendung in Computeruhren, die mit Batterien gespeist werden. Der Begriff CMOS wird manchmal inkorrekter Weise zur Bezeichnung der Computeruhr verwendet.

Wenn die Uhrzeit des Systems regelmäßig neu initialisiert wird, oder wenn die Uhr nachgeht, reicht es meist deren Batterie zu wechseln!

Das BIOS

Das BIOS (Basic Input/Output System) ist das Basisprogramm das als Schnittstelle zwischen dem Betriebssystem und dem Motherboard dient. Das BIOS ist in einer ROM (Festwertspeicher, d.h. ein Speicher der nur gelesen werden kann) gespeichert, so benutzt es die Daten die im CMOS gespeichert sind, um die materielle Konfiguration des Systems zu kennen.

Man kann das BIOS mit einer Schnittstelle konfigurieren, (die BIOS setup, übersetzt Konfiguration des BIOS genannt wird), und die beim Starten des Computers durch einfachen Tastendruck (meist die Taste Del. Tatsächlich dient das Setup des BIOS nur als Schnittstelle für die Konfiguration, die Daten sind in dem CMOS gespeichert. Für weitere Informationen, lesen Sie das Benutzerhandbuch ihres Motherboards).

Der Prozessorträger

Der Prozessor (auch Mikroprozessor genannt) ist das Gehirn des Computers. Er führt die Befehle der Programme dank eines Befehlssatzes aus. Der Prozessor wird durch seine Frequenz charakterisiert, d.h. die Kadenz mit der er Befehle ausführt. So führt ein Prozessor der über eine Kadenz von 800 MHz verfügt, grob 800 Millionen Operationen pro Sekunde aus.

Das Motherboard besitz einen Steckplatz (manchmal auch mehrere, wenn es sich um Multi-Prozessor-Mutterkarten handelt) um den Prozessor zu empfangen, der Prozessorträger genannt wird. Man unterscheidet zwei Träger-Kategorien :

  • Slot (auf Deutsch Schlitz) : es handelt sich um einen rechteckigen Steckverbinder in den man den Prozessor vertikal einsteckt
  • Socket (auf Deutsch Steckvorrichtung) : es handelt sich um einen quadratischen Steckverbinder, der über eine große Anzahl kleiner Steckstifte verfügt, auf die der Prozessor direkt aufgesteckt wird



Innerhalb dieser zwei großen Familien, gibt es verschiedene Trägerversionen, je nach Prozessortyp. Bei allen Trägern ist es sehr wichtig den Prozessor sehr vorsichtig aufzusetzen, um keinen der Stifte zu verbiegen (von denen es mehrere Hundert gibt). Um das Aufstecken zu vereinfachen, ist ein sogenannter
ZIF (Zero Insertion Force, übersetzt Einsteckkraft Null) entwickelt worden. Die ZIF-Träger besitzen einen kleinen Hebel, der nach oben gelegt, das Aufstecken des Prozessors ohne jeden Druck ermöglicht und der, nach unten gelegt, den Prozessor auf seinem Träger hält.

Der Prozessor besitzt meist eine Markierung zur Fehlervermeidung beim Einsetzen, in Form einer abgeschnittenen Ecke oder einer Farbmarkierung, die mit der entsprechenden Markierung des Trägers bündig gesetzt werden muss.

Ventirad



Da der Prozessor thermische Strahlungen abgibt, ist es nötig die entstehende Wärme abzuführen um zu Vermeiden dass seine Schaltkreise schmelzen. Daher ist meist ein Wärmeabführer (manchmal auch Kühler oder Radiator genannt), aufgesetzt, bestehend aus einem gut wärmeleitenden Metall (Kupfer oder Aluminium), welcher die Wärmeaustauschfläche des Mikroprozessors vergrößern soll. Der Wärmeabführer besteht aus einem Sockel, der mit dem Prozessor in Kontakt steht und Flügel, mit denen die Wärmemaustauschfläche vergrößert wird. Ein Ventilator begleitet meist den Wärmeabführer, um die Luftbewegung, und damit den Wärmeaustausch um den Abführer zu verbessern. Der Begriff « Ventirad » wird so manchmal verwendet um die Einheit Ventilator + Radiator zu bezeichnen. Der Ventilator des Gehäuses hat die Aufgabe die warme Luft aus dem Gehäuse abzusaugen, und die kühle Luft von außen hineinzulassen.

Die Steckverbinder des Arbeitsspeichers

Der Arbeitsspeicher (RAM für Random Access Memory) ermöglicht es Informationen zu speichern, solang der Computer angeschaltet ist, sein Inhalt wird allerdings gelöscht, sobald der Computer ausgeschaltet oder neu gestartet wird, im Gegensatz zu einem Massenspeicher wie die Festplatte, die Informationen festhält, selbst wenn er ausgeschaltet ist. Man spricht von « Volatilität » um dieses Phänomen zu bezeichnen.

Warum also Arbeitsspeicher verwenden, wenn die Festplatten bei gleicher Kapazität billiger sind? Die Antwort ist, dass der Arbeitsspeicher extrem schnell arbeitet, im Vergleich zu peripheren Massenspeichern wie die Festplatte. Er besitzt eine Antwortzeit von ein paar Duzend Nanosekunden (ungefähr 70 für die DRAM, 60 für die RAM EDO, und 10 für die SDRAM und sogar 6 Ns für die SDRam DDR) im Vergleich zu ein paar Millisekunden für die Festplatte.

Der Arbeitsspeicher hat die Form von Steckleisten die an die Steckverbinder des Motherboards angeschlossen werden

Die Erweiterungs-Steckverbinder

Die Erweiterungs-Steckverbinder (auf Englisch slots) sind Steckbuchsen in die man Erweiterungskarten einstecken kann, d.h. Karten die dem Computer neue Funktionen oder bessere Leistungen schenken. Es gibt mehrere Steckverbindertypen :

  • Steckverbinder ISA (Industry Standard Architecture) : mit dem man ISA-Karten anschließen kann, die langsamsten, sie arbeiten mit 16-bit
  • Steckverbinder VLB (Vesa Local Bus): Bus, der früher zum Anschluss von Graphikkarten benutzt wurde
  • Steckverbinder PCI (Peripheral Component InterConnect) : mit dem man PCI-Karten anschließen kann, sehr viel schneller als ISA-Karten und arbeiten mit 32-bit
  • Steckverbinder AGP (Accelerated Graphic Port): ein schneller Steckverbinder für Graphikkarten.
  • Steckverbinder PCI Express (Peripheral Component InterConnect Exress) : Bus-Architektur die schneller ist als die AGP und PCI-Busse.
  • Steckverbinder AMR (Audio Modem Riser): dieser Steckverbindertyp ermöglicht es Mini-Karten an PCs anzuschließen, die mit damit ausgestattet sind



Carte PCI

Die Eingabe-Ausgabe-Steckverbinder

Das Motherboard besitzt eine gewisse Anzahl an Eingabe-Ausgabe-Steckverbinder an der « Hinterseite ».

Connecteurs sur le panneau arrière



Die meisten Motherboard bieten die folgenden Steckverbinder an :

  • serieller Anschluss, mit dem man alte Peripheriegeräte anschließen kann ;
  • Parallelanschluss, mit dem man insbesondere alte Drucker anschließen kann ;
  • USB-Anschluss (1.1, geringe Geschwindigkeit, oder 2.0, hohe Geschwindigkeit), mit dem man neuere Peripheriegeräte anschließen kann ;
  • Steckverbinder RJ45 (auch LAN oder Ethernetanschluss genannt) mit dem der Computer an ein Netzwerk angeschlossen werden kann. Er entspricht einer reseau.php3 Netzkarte die ins Motherboard integriert ist ;
  • Steckverbinder VGA (auch SUB-D15 genannt), mit dem man einen Bildschirm anschließen kann. Dieser Steckverbinder entspricht der integrierten graphique.php3 Graphikkarte ;
  • Audiostecker (Eingang Line-In, Ausgang Line-Out und Mikrofon), mit dem akustische Lautsprecher oder eine Hi-Fi-Anlage, sowie ein Mikrofon angeschlossen werden könne. Dieser Steckverbinder entspricht der integrierten son.php3 Audiokarte .

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