Đây là một trong một loạt các bài viết có giá trị tìm hiểu về các thành phần tạo nên máy tính, cũng như là cách mà chúng làm việc, giao tiếp với nhau được thực hiện bởi TechSpot. TechFlow xin được lượt dịch để gởi mang đến các bạn một loạt bài viết để củng cố thêm kiến thức về phần cứng máy tính.
Tìm hiểu các công nghệ nổi bật bên trong các bộ phận của máy tính
Bạn có thể có một chiếc máy tính để bàn ở nơi làm việc, trường học, hoặc ở nhà. Bạn có thể sử dụng để khai thuế hoặc chơi các trò chơi mới nhất, bạn thậm chí còn có thể tự xây dựng và tinh chỉnh máy tính. Nhưng làm thế nào để bạn biết rằng các thành phần tạo nên một PC? Lấy bo mạch chủ là ví dụ – nó nằm ở đâu, lặng lẽ và giữ cho mọi thứ hoạt động và hiếm khi được chú ý tới như CPU hoặc cạc đồ họa.
Mặc dù vậy, bo mạch chủ là rất quan trọng và có đầy đủ các công nghệ rất hấp dẫn. Vì vậy, hãy tìm hiểu về một chiếc bo mạch chủ – phá vỡ các phần khác nhau của nó và xem từng “bit” làm gì.
Bắt đầu với một cái nhìn tổng quan theo cách đơn giản nhất
Hãy bắt đầu với vai trò chính của bo mạch chủ. Về bản chất, nó phục vụ hai mục đích:
- Cung cấp điện cho các thành phần riêng lẻ
- Cung cấp một tuyến đường liên kết để cho phép các thành phần giao tiếp với nhau.
Có những thứ khác mà bo mạch chủ thực hiện (ví dụ như giữ cho các bộ phận được cố định đúng vị trí, hoặc cung cấp phản hồi về việc mọi thứ hoạt động như thế nào) nhưng các khía cạnh nói trên rất quan trọng đối với cách thức hoạt động của PC, hầu như các bộ phận khác tạo nên một chiếc bo mạch chủ là liên quan đến hai điều này.
Gần như mọi bo mạch chủ được sử dụng trong máy tính để bàn tiêu chuẩn ngày nay sẽ có ổ cắm (socket) cho bộ xử lý trung tâm (CPU), mô đun bộ nhớ (các khe cắm ram), khe cắm cạc mở rộng (như cạc đồ họa, cạc âm thanh…), lưu trữ (SSD/HDD…), các cổng xuất nhập và các phương tiện để tạo liên lạc giữa máy tính và hệ thống khác.
Các bo mạch chủ tiêu chuẩn ban đầu khác nhau về kích thước, và có các tiêu chuẩn toàn ngành mà các nhà sản xuất đều tuân thủ. Các kích thước chính bạn có thể tham khảo qua là:
- ATX tiêu chuẩn – 12 × 9,6 inch (305 × 244 mm)
- Micro ATX – 9,6 × 9,6 inch (244 × 244 mm)
- Mini ATX – 5,9 × 5,9 inch (150 × 150 mm)
Bạn có thể thấy một danh sashc toàn diện hơn trên Wikipedia, nhưng chúng ta sẽ sử dụng loại ATX tiêu chuẩn để đơn giản, vì sự khác biệt thường nằm ở số lượng khe cắm mở rộng và kết nối.
Nhưng chính xác thì bo mạch chủ là gì?
Một bo mạch chủ chỉ đơn giản là một một bảng mạch in điện tử lớn, có rất nhiều đầu nối để cắm mọi thứ vào và hàng trăm, nếu không nói là hàng ngàn đường điện chạy giữa các ổ cắm khác nhau. Về mặt lý thuyết, không cần thiết phải có bo mạch chủ, bạn vẫn có thể kết nối mọi thứ lại với nhau bằng cách sử dụng một khối lượng lớn dây dẫn. Tuy nhiên, hiệu suất sẽ rất tệ vì các tín hiệu này sẽ gây nhiễu lẫn nhau và cũng sẽ có những thất thoát điện năng đáng kể khi sử dụng phương pháp này.
Chúng ta sẽ bắt đầu mổ sẻ bằng một bo mạch chủ ATX điển hình.
Hình ảnh bên trên là một bo mạch ATX tiêu chuẩn và bạn có thể nhìn thấy có rất nhiều thứ bên trên nó. Và bên dưới là sơ đồ giãn lượt để chúng ta bắt đầu.
Kết nối với bộ não của PC
Sơ đồ có cấu trúc được dán nhãn LGA1150. Đây là tên được Intel sử dụng để mô tả socket được sử dụng để chứa CPU của họ. Các chữ cái, LGA viết tắt là Lan and Grid Array, một loại công nghệ đóng gói phổ biến cho CPU và các mạch tích hợp khác.
Các hệ thống LGA có rất nhiều chân nhỏ trong bo mạch chủ, hoặc trong một socket trên bo mạch, để cung cấp điện và liên kết với bộ xử lý.
Khung kim loại giữ CPU ở đúng vị trí nhưng nó đang cản trở việc nhìn rõ các chân, vì vậy hãy di chuyển nó sang một bên.
Các con số phía sau LGA cho biết có bao nhiêu chân tiếp xúc trong socket này. Chúng ta sẽ khám phá kết nối cho CPU trong một bài viết khác.
Nói chung, CPU càng có năng lực cao (như về số lượng nhân, số lượng bộ nhớ đệm…) thì càng có nhiều chân trong một socket. Một số lượng lớn các kết nối này sẽ được sử dụng để gửi và nhận dữ liệu đến những thành phần khác trên bo mạch chủ.
Bộ não lớn cần bộ nhớ lớn
Các khe cắm luôn được đặt gần CPU nhất là các khe cắm mô-đun bộ nhớ DRAM, còn gọi là bộ nhớ hệ thống. Chúng được kết nối trực tiếp đến CPU và chỉ đến CPU mà thôi. Số lượng khe cắm RAM phụ thuộc chủ yếu vào CPU, vì bộ điều khiển bộ nhớ được tích hợp vào bộ xử lý trung tâm.
Trong ví dụ chúng ta đang xem xét, CPU phù hợp bới bo mạch chủ này có 2 bộ điều khiển bộ nhớ, mỗi bộ xử lý 2 thanh RAM, do đó có tổng cộng 4 khe cắm. Bạn có thể thấy rằng, trên bo mạch chủ này, khe cắm bộ nhớ được tô màu theo cách để bạn biết cái nào được quản lý bởi bộ điều khiển nào. Chúng thường được gọi là kênh bộ nhớ, vì vậy kênh số 1 xử lý hai trong số 4 vị trí và kênh số 2 xử lý hai kênh còn lại.
Đối với bo mạch chủ trong bài viết này, màu sắc của các khe được đánh màu xen kẻ nhau nhưng lại là hai kênh khác nhau. Thông thường, khe cắm màu đen gần CPU nhất là kênh số 1 và khe cắm màu đen tiếp theo là kênh số 2.
Sở dĩ hai khe cắm của hai kênh bộ nhớ lại được đánh dấu cùng màu như thế này dùng để khuyến nghị người dùng sử dụng bo mạch chủ ở chế độ bộ nhớ kênh đôi – bằng cách sử dụng cả hai bộ điều khiển cùng một lúc, hiệu suất tổng tổng thể của bộ nhớ hệ thống được tăng lên. Vì vậy, giả sử bạn có hai thanh nhớ RAM 8GB, cho dù bạn cắm ở vị trí nào bạn sẽ luôn có tổng cộng 16GB bộ nhớ khả dụng.
Tuy nhiên, nếu bạn đặt cả hai thanh nhớ vào cả hai khe màu đen (hoặc cả hai khe màu xám) về cơ bản CPU sẽ có gấp đôi các tuyến đường có thể truy cập vào bộ nhớ đó. Làm theo cách khác (mỗi thanh nhớ trên một màu đen/xám) hệ thống lúc này sẽ buộc phải truy cập vào bộ nhớ chỉ bằng một kênh điều khiển bộ nhớ. Vì nó chỉ có thể quản lý một tuyến đường tại một thời điểm, rõ ràng điều này không có lợi cho hiệu suất.
Sự kết hợp giữa CPU/bo mạch chủ sử dụng các chip DDR3 SDRAM ( double data rate version 3, synchronous dynamic ran an dom access memory) và mỗi khe cắm chứa một SIMM hoặc DIMM. Phần IMM là viết tắt của Inline Memory Module 9(bộ nhớ nội tuyến); S và D đề cập đến nơi thanh nhớ có một bên chứa đầy chip hoặc cả hai bên mà chúng ta vẫn thường gọi là ram một mặt và ram hai mặt.
Bên trong các khe cắm bộ nhớ là các chân tiếp xúc được mạ vàng, tùy thuộc phiên bản bộ nhớ mà có số lượng chân sẽ khác nhau, như trong bài viết này là bộ nhớ DDR3 nên sẽ có 240 chân (mỗi mặt 120 chân). Các chân này cũng bao gồm cung cấp điện và truyền dẫn tín hiệu dữ liệu cho chip.
Các thanh nhớ lớn hơn sẽ cho phép bạn có nhiều bộ nhớ hơn, nhưng toàn bộ thiêt lập bị giới hạn bởi các chân trên CPU (gần một nửa trong 1150 chân trên socket trong bài viết này được dành riêng để xử lý các chip nhớ này).
Ngành công nghiệp máy tính đã bị mắc kẹt với việc sử dụng 240 chân trên các thanh nhớ từ năm 2004 và không có dấu hiệu cho thấy chúng sẽ sớm thay đổi. Để cải thiện hiệu suất bộ nhớ, các chip chỉ cần chạy nhanh hơn với mỗi phiên bản mới được phát hành (như hiện nay phổ biến là DDR4). Trong ví dụ chúng ta đang xem xét, mỗi bộ điều khiển bộ nhớ của CPU có thể gửi và nhận 64-bit dữ liệu trên mỗi chu kỳ xung nhịp. Vì vậy, khi kết hợp hai kênh bộ nhớ một lúc, thanh nhớ sẽ có 128 chân dành riêng để truyền thông tin. Vậy tại sao lại có 240 chân?
Mỗi chip bộ nhớ trên DIMM (tổng cộng 16, 8 mỗi bên) có thể truyền 8-bit cho mỗi chu kỳ xung nhịp. Điều đó có nghĩa là mỗi chip cần 8 chân, chỉ để truyền dữ liệu. Tuy nhiên, hai chip chia sẽ cùng một chân dữ liệu, vì vậ chỉ có 64 trong số 240 chân là dữ liệu. 176 chân còn lại được sử dụng cho mục đích tham chiếu và thời gian, truyền địa chỉ của dữ liệu (vị trí của dữ liệu trên thanh nhớ), điều khiển chip và cung cấp điện.
Vì vậy, bạn có thể thấy rằng việc có hơn 240 chân cũng sẽ không nhất thiết làm mọi thứ tốt hơn.
RAM không phải là thứ duy nhất kết nối với CPU
Bộ nhớ hệ thống được kết nối trực tiếp với CPU để tăng hiệu suất, nhưng cũng có các khe cắm khác trên bo mạch chủ cũng được kết nối trực tiếp đến CPU. Trong đó có thể kể đến một công nghệ kết nối có tên là PCI Express (viết tắt là PCIe) và mọi CPU hiện đại đều có bộ điều khiển PCIe được tích hợp trong đó.
Các bộ điều khiển có thể xử lý nhiều kết nối (thường được gọi là các lanes), mặc dù đó là hệ thống p2p (point-to-point), nghĩa là các lanes trong khe cắm không được chia sẽ với bất kỳ thiết bị nào khác. Trong ví dụ này, bộ điều khiển PCIe của CPU có 16 lanes.
Hình ảnh bên dưới hiển thị 3 khe cắm, hai khe cắm trên cùng là PCIe, trong khi khe cắm dười cùng là một khe cắm giao tiếp cũng hơn gọi là PCI (thế hệ trước của PCIe nhưng chậm hơn rất nhiều). Khe nhỏ trên cùng được dán nhãn PCIEX1_1 vì nó là khe cắm chỉ có 1 lane. Khe cắm bên dưới được dán nhãn PCIEX16_1 là khe cắm có 16 lanes.
Nếu bạn nhìn lại hình ảnh bo mạch chủ bên trên, bạn sẽ thấy rằng có:
- 2 khe cắm PCIe x1 tức 1 lane/khe
- 3 khe cắm PCIe x16 tức có 16 lanes/khe
- 2 khe cắm PCI
Nhưng nếu bộ điều khiển CPU chỉ có 16 lanes thì chuyện gì đang xảy ra? Trước hết, PCIEX16_1 và PCIEX16_2 được kết nối với CPU và khe thứ ba và hai khe cắm 1x được kết nối đến một bộ điều khiển khác trên bo mạch chủ. Thứ hai, nếu cả hai khe cắm đều chứa đầy các thiết bị sử dụng 16 lanes PCIe, thì CPU sẽ chỉ dành 8 lanes cho mỗi khe sử dụng.
Đây là trường hợp của tất cả các CPU ngày nay, chúng có số lanes đường giới hạn, do đó, khi nhiều thiết bị được kết nối tới CPU, mỗi khe cắm sẽ có số lanes đường nhỏ hơn để làm việc.
Các cấu hình CPU và bo mạch chủ khác nhau có cách xử lý riêng của chúng. Ví dụ, bo mạch chủ B450M Gaming của Gigabyte có một khe cắm PCIe x16, một khe PCIe x4 và khe cắm M.2 sử dụng 4 lanes PCIe. Chỉ với 16 lanes có sẳn từ CPU, sử dụng bất kỳ hai khe cắm nào sẽ buộc khe cắm x16 lớn hơn phải giảm lanes đường giới hạn chỉ còn 8 lanes.
Vậy những loại nào sẽ sử dụng khe cắm nào? Hiện có các lựa chọn phổ biến là
- 16 lanes cho card đồ họa
- 4 lanes cho ổ đĩa trạng thái rắn
- 1 lane cho card âm thanh và card điều khiển mạng
Như bạn có thể thấy rõ sự khác biệt chân cắm trong hình trên. Card đồ họa có chiều dài của 16 lanes, trong khi đó card âm thanh ngắn hơn khi nó được thiết lập ở 1 lanes. Card âm thanh có ít dữ liệu để truyền hơn card đồ họa, vì vậy nó không cần có tất cả các lane phụ.
Trong ví dụ về bo mạch chủ của chúng ta, giống như tất cả các thiết bị khác, có rất nhiều ổ cắm và kết nối để quản lý, và vì vậy, CPU cần có được sự trợ giúp từ bộ xử lý khác.
Đi về phía nam và diện kiến chipset
Nếu quay trở lại cách đây khoảng 15 năm hoặc lâu hơn và nhìn vào bo mạch chủ thời đó, sẽ có đến hai con chip bổ sung được trang bị để hỗ trợ cho CPU. Cả hai được gọi là chipset và riêng lẻ thì nó được phân biệt là Northbridge (NB – chipset cầu Nam) và Southbridge (SB – chipset cầu Bắc)
Chipset SB sẽ xử lý bộ nhớ hệ thống và card đồ họa trong khi chipset cầu nam xử lý dữ liệu của những phần còn lại như âm thanh, mạng, lưu trữ …
Hình ảnh trên là của bo mạch chủ ASRock 939SLI32, cho thấy rõ các chip NB/SB, cả hai đều được ẩn dưới tản nhiệt bằng nhôm, nhưng cái gần với socket CPU (vị trí trung tâm của bức hình) đó là chipset cầu Bắc.
Chipset cầu Bắc, mặc dù vẫn tách biệt và có khả năng là như vậy trong tương lai. Nhưng thật thú vị là cả Intel và AMD đã ngừng gọi nó là SB và thường gọi nó là chipset (tên riêng của Intel là PCH – Platform Controller Hub, mặc dù nó chỉ là một con chip.
Trong hình trên là một ví dụ về một chipset hiện đại, con chip này là một bộ điều khiển tiên tiến, xử lý nhiều loại và số lượng kết nối. Cụ thể thì đây là chipset Intel Z97 và có các tính năng sau:
- 8 lanes PCI Express (phiên bản PCIe 2.0)
- 14 cổng USB (6 cho phiên bản 3.0 và 8 cho phiên bản 2.0)
- 6 kết nối Serial ATA (phiên bản SATA 3)
Nó cũng tích hợp bộ điều hợp mạng, chip âm thanh tích hợp và ngõ ra hình ảnh chuẩn VGA và toàn bộ hệ thống điều khiển và thời gian khác. Các bo mạch chủ khác sẽ có các chipset từ cơ bản đến cao cấp hơn (ví dụ cung cấp ít hoặc nhiều lanes PCI và thiết bị hơn) nhưng nói chung, hầu hết các chipset đều cung cấp cùng loại tính năng.
Đối với bo mạch chủ cụ thể này, đây là bộ xử lý mà quản lý khe cắm PCIe 1 lanes, khe PCIe 16 lanes thứ ba và khe cắm M.2. Giống như những chipset mới sau này, nó xử lý tất cả các kết nối khác nhau này bằng cách sử dụng một bộ cổng tốc độ cao có thể được chuyển sang PCIe, USB, SATA, mạng, tùy thuộc vào những gì được kết nối tại thời điểm đó. Thật không may, điều này đặt ra giới hạn về số lượng thiết bị cắm vào bo mạch chủ.
Trong trường hợp bo mạch chủ ASUS của chúng ta, các cổng SATA (được sử dụng để kết nối với ổ cứng, ổ ghi DVD…) được nhóm lại như trên hình vì giới hạn này. Cụm 4 cổng ở giữa sử dụng các kết nối USB tiêu chuẩn của chipset, trong khi hai cổng bên trái sử dụng một số kết nối tốc độ cao.
Vì vậy, nếu bạn sử dụng những cái bên trái thì chipset sẽ có ít đường kết nối hơn cho các khe cắm khắc. Điều này cũng đúng với các cổng USB 3.0. Dù có tới 6 cổng nhưng 2 trong số này sẽ lấn vào các kết nối tốc độ cao.
Khe cắm M.2, được sử dụng để kết nối bộ lưu trữ SSD, cũng sử dụng hệ thống tốc độ cao (cùng với khe cắm PCIe 16 lanes thứ ba trên bo mạch chủ này); tuy nhiên, cũng có một số sự kết hợp giữa CPU/bo mạch chủ, khe cắm M.2 kết nối trực tiếp tới CPU, vì các đời CPU mới hơn hỗ trợ nhiều hơn 16 lanes PCIe để phân phối và sử dụng.
Dọc bên trái bo mạch chủ của chúng ta có một hàng các đầu nói được gọi là bộ I/O và trong trường hợp này, chipset chỉ xử lý một vài trong số chúng:
- Đầu nối PS/2 – cho bàn phím/chuột
- Đầu nối VGA – cho các loại màn hình cũ và giá rẻ
- USB 2.0 – màu đen
- USB 3.0 – màu xanh
Bộ xử lý đồ họa tích hợp của CPU quản lý các đầu cắm HDMI và DVI-D nhưng phần còn lại được quản lý bởi các chip bổ sung. Hầu hết các bo mạch chủ đều có một bộ xử lý nhỏ hơn để quản lý tất cả mọi thứ, vì vậy chúng ta hãy xem xét một trong số đó
Chip bổ sung để quản lý phụ trợ
CPU và chipset có giới hạn đối với những gì chúng có thể hỗ trợ hoặc kết nối, vì vậy hầu hết các nhà sản xuất bo mạch chủ thường cung cấp các sản phẩm có tính năng bổ sung, nhờ vào sử dụng các mạch tích hợp khác. Điều này có thể là để cung cấp thêm cổng SATA, hoặc một số kết nối cho các thiết bị cũ hơn như cổng COM, LPT…
Với bo mạch chủ ASUS mà chúng ta đang tìm hiểu có thêm chip Nuvoton NTC6719D xử lý các đầu cắm cho quạt và các cảm biến nhiệt độ được tích hợp trên bo mạch; bộ xử lý ASMedia ASM1083 bên cạnh nó quản lý hai khe cắm PCI truyền thống vì chipset Intel Z97 không hỗ trợ kết nối này.
Mặc dù chipset của Intel có tích hợp bộ điều hợp mạng, nhưng nó sử dụng một số kết nối tốc độ cao có giá trị trên CPU, vì vậy ASUS đã thêm một chip mạng Intel (i218V) khác để quản lý đầu cắm Ethernet màu đỏ mà chúng ta đã thấy trong bộ I/O, và thực tế thì con chip mạng này rất nhỏ chỉ 6mm.
Một vật thể kim loại màu bạc có hình dáng giống một sân vận động đó là một linh kiện giao động thạch anh – nó được sử dụng để cung cấp tín hiệu định thời tần số thấp, để đồng bộ hóa chip mạng.
Một thứ khác mà bo mạch chủ cung cấp như phần phụ là một con chip để xử lý âm thanh. Đúng, chipset Intel có bộ xử lý âm thanh được tích hợp riêng bên trong, nhưng nó cũng bỏ qua vì những lý do tương tự mà ASUS đã thêm một chip mạng riêng và hầu hết mọi người đều thêm một card đồ họa rời để thay thế bộ xử lý đồ họa tích hợp trong CPU. Nói cách các, các chip phụ bổ sung chỉ làm cho hệ thống tốt hơn.
Không phải tất cả các chip bổ sung trên bo mạch chủ đều để thay thế các chip tích hợp, nhiều loại có sẳn để quản lý hoặc kiểm soát hoạt động của bo mạch chủ nói chung.
Những con chip nhỏ này là bộ chuyển mạch PCI Express và giúp cho CPU và SB quản lý các kết nối PCie 16 lanes, khi chúng cần phân phối các lanes cho nhiều thiết bị hơn.
Các bo mạch chủ với khả năng ép xung CPU, chipset và bộ nhớ hệ thống hiện đã trở nên rất phổ biến và nhiều thiết bị đi kèm với các mạch tích hợp mở rộng để quản lý việc này. Trong bo mạch chủ mẫu của chúng ta, được tô màu đỏ, ASUS đang sử dụng thiết kế riêng của họ được gọi là TPU (bộ xử lý TurboV) để mang đến các mức điều chỉnh và điều khiển tốc độ và điện áp của xung nhịp tốt hơn.
Một thiết bị nhỏ tên PM25LD512 kế bên được to màu xanh lam là chip nhớ flash để lưu trữ các thiết lập xung nhịp và điện áp của bo mạch chủ, kể cả sau khi tắt máy, vì vậy bạn sẽ không cần phải thao tác ép xung lại trong phiên mở máy tiếp theo và sau đó nữa.
Tuy nhiên, mỗi bo mạch chủ đều có ít nhất một chip nhớ flash và đây là để lưu trữ thông tin BIOS (đây có thể xem như là một hệ điều hành đơn giản quản lý phần cứng giúp mọi thứ hoạt động trước khi tải Win dows, Linux, MacOS…)
Đây là một con chip Winbond có dung lượng chỉ 8MB nhưng quá đủ để chứa tất cả các phần mềm cần thiết. Loại bộ nhớ flash này được thiết kế để sử dụng rất ít điện năng trong hoạt động và giữ số liệu của nó trong nhiều thập kỷ.
Khi bạn mở máy tính, nội dung của bộ nhớ flash được sao chép trực tiếp vào bộ nhớ đệm hoặc bộ nhớ hệ thống của CPU, rồi chạy từ đó, để đạt hiệu suất tối đa. Tuy nhiên, có một điều mà bộ nhớ này thể giữ được là thời gian (ngày giờ)
Vì vậy, bo mạch chủ này cũng như tất cả mọi bo mạch chủ khác, sử dụng một viên pin nhỏ CR2032 để cấp nguồn cho giữ cho bộ nhớ flash này luôn hoạt động theo thời gian. Tất nhiên, điện năng của viên pin này cũng không thể tồn tại mãi mãi và một khi nó cạn năng lượng, bo mạch chủ sẽ mặc định trở về khoảng thời gian / ngày bắt đầu trong bộ nhớ flash.
Muốn hoạt động thì phải cấp điện
Cung cấp điện áp và dòng điện cần thiết để bo mạch chủ và nhiều thiết bị được gắn vào nó hoạt động, một bộ nguồn máy tính (PSU) với một số đầu cắm tiêu chuẩn được sử dụng để làm điều này. Đó chính là đầu cắm ATX12V phiên bản 2.4 24-pin.
Lượng dòng điện có thể được rút ra từ các chân phụ thuộc vào PSU, nhưng các điện áp được thiết đặt theo tiêu chuẩn ngành công nghiệp là +3.3, +5 và +12 volt.
Phần lớn dòng điện được lấy từ các chân 12volt, nhưng đối với các hệ thống cao cấp hiện đại, nó là không đủ. Để giải quyết vấn đề này, có một đầu nối nguồn 8-pin cung cấp thêm bốn đường 12volt được sử dụng.
Các dây nối điện từ PSU được mã hóa màu để giúp xác định mỗi dây dùng để làm gì, nhưng các đầu cắm trên bo mạch chủ không cho bạn biết nhiều. Đây là sơ đồ của hai ổ đầu cắm điện.
Các dòng +3.3, +5v và +12v còn cung cấp điện năng cho các thành phần khác trên bo mạch chủ, đồng thời cung cấp điện cho CPU, RAM và bất kỳ thiết bị nào được cắm trên các khe cắm mở rộng như PCIe hoặc USB. Tuy nhiên, những thiết bị sử dụng cổng SATA đều cần được cấp nguồn trực tiếp từ PSU và khe cắm PCIe chỉ có có thể cung cấp tối đa 75W. Nếu thiết bị có công suất cao hơn như card đồ họa thì chúng cần được nối trực tiếp với PSU.
Tuy nhiên, có một vấn đề lớn hơn đó là dù có đủ các đường 12volt, nhưng CPU không hoạt động trên mức điện áp này
Ví dụ, CPU intel được thiết kế để chạy trên bo mạch chủ ASUS Z97 này hoạt động ở mức điện áp trong khoảng chỉ 0,7 đến 1.4 volt. Đây không phải là mức điện áp cố định, vì các CPU ngày nay sẽ tự thay đổi mức điện áp hoạt động để tiêt kiệm điện và giảm nhiệt. Vì vậy, khi không hoạt động (idle) CPU có thể chỉ sử dụng mức điện áp chỉ 0,8volt và khi tất cả các nhân hoạt động trở lại đầy đủ nó sẽ tăng lên 1.4volt.
Các bộ cấp nguồn PSU được thiết kế để chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều cố định, do đó, các mạch mở rộng phải được sử dụng để giảm chúng xuống thấp hơn và thay đổi theo yêu cầu. Các mạch này được gọi là mô-đun điều khiển điệp áp (voltage regulation modules – VRM) và có thể dễ dàng nhìn thấy trên bất kỳ bo mạch chủ nào.
Mỗi VRM thường bao gồm bốn thành phần:
- 2 MosFET: bóng bán dẫn chuyển mạch điện áp cao (màu xanh)
- 1 cuộn cảm
- 1 tụ lọc
Bạn có thể đọc thêm về cách VRM làm việc trên Wikichip. Mỗi VRM thường được gọi là 1 pha (phase) và nhiều pha là bắt buộc (bo mạch chủ ASUS Z97 trong bài có 8 VRM được gọi là hệ thống 8 pha)
Các pha VRM thường được quản lý bởi một con chip riêng biệt, theo dõi và chuyển đổi các mô-đun với mức điện áp cần thiết. Chúng được gọi là bộ điều khiển độ rộng xung đa pha (multiphase pulse width modulator controllers); ASUS gọi là EPU. Tất cả những thứ này sẽ tỏa nhiệt rất nhiều khi chúng hoạt động, vì vậy chúng thường được bao phủ bởi một tản nhiệt kim loại để giữ chúng hoạt động ổn định
Ngay cả một CPU máy tính để bàn tiêu chuẩn, chẳng hạn Intel Core i7-9700K có thể rút dòng điện hơn 100A khi ở trạng thái toàn tải. VRM rất hiệu quả, nhưng chúng không thể thay đổi điện áp mà không bị thất thoát, kết hợp các VRM tạo thành một cụm lớn sẽ làm cho mọi thứ trở nên tốt nên.
Nếu bạn xem lại bài viết này, bạn sẽ thấy có còn có một vài cụm VRM cho DRAM, tuy nhiên do chúng không tiêu thụ dòng điện quá cao như CPU, nên chúng không quá nóng vì vậy không cần trang bị tản nhiệt.
Dư thừa nhưng không vô dụng
Các đầu cắm cuối cùng cần được nhắc đến là những đầu nối để kiểm soát hoạt động cơ bản của bo mạch chủ và các thiết bị hoặc phần mở rộng. Hình ảnh trên hiển thị một bộ điều khiển, đèn và chân loa cơ bản.
Ở đây chúng ta có:
- 1 công tắc nguồn (power switch)
- 1 công tắc khởi động lại (reset switch)
- 2 đầu nối đèn led (đèn nguồn và đèn báo ổ đĩa)
- 1 đầu nối loa
Công tắc nguồn là loại công tắc mềm vì nó không thật sự bật và tắt bo mạch chủ; thay vào đó, các mạch trên bo mạch theo dõ điện áp hai chân của công tắc này và khi chúng được kết nối với nhau (tức tạo hiện tượng ngắn mạch), bo mạch chủ sẽ bật hoặc tắc, tùy thuộc vào trạng thái hiện tại của nó. Điều này cũng tương tự với công tắc khởi động lại, nhưng khác với công tắc nguồn, bo mạch chủ sẽ tắt nguồn và sau đó bật lại ngay lập tức. Đầu nói loa ở đây được sử dụng bởi BIOS, nó cho biết mọi thứ vẫn ổn để vận hành hoặc cho biết lỗi một thiết bị nào đó thông qua các tiếp “beep”. Mỗi thiết bị sẽ có kiểu phát tiếng “beep” khác nhau.
Nói một cách chính xác, công tắc reset, đèn LED và đầu nối loa là không thật sự cần thiết nhưng chúng giúp cung cấp điều khiển và thông tin cơ bản về bo mạch chủ.
Hầu hết các bo mạch chủ đều có một loạt các đầu nối bổ sung tương tự như hình ảnh hiển thị ở trên. Từ trái sang phải chúng ta có:
- Kết nối âm thanh – nếu vỏ máy tính (case) có jack cắm tai nghe / micro tích hợp, thì chúng có thể được kết nối với chip âm thanh trên bo mạch
- Đầu nối âm thanh kỹ thuật số – giống như đầu nối âm thanh nhưng dành cho giao tiếp âm thanh chuẩn S/PDIF
- Chân xóa thông tin BIOS (bios clear jumper) – cho phép đặc lại các thiết lập gốc mặc định của BIOS. Ngoài ra còn có một cảm biến nhiệt độ ẩn phía sau nó.
- Trusted Platform Module – được sử dụng giúp bo mạch chủ và hệ thống an toàn hơn.
- Serial Port (COM) – một giao diện kết nối thiết bị đã lỗi thời
Ngoài ra, trên bo mạch chủ còn có một số đầu cắm khác như đầu cắm quạt, mở rộng cổng USB.
Kết nối tất cả lại với nhau
Trước khi chúng ta hoàn thành cái nhìn về bài phân tích bo mạch chủ, hãy nói ngắn gọn về cách tất cả các thiết bị và đầu nối này được nối với nhau. Chúng tôi đã đề cập đến mạch điện liên kết nhưng chính xác chúng là gì?
Nói một cách đơn giản, chúng là những dải đồng nhỏ. Trên một bo mạch chủ được sơn đen, bạn sẽ có thể nhìn thấy một số trong số chúng. Tuy nhiên, đây chỉ là một con số nhỏ trong số hàng ngàn đường mạch điện cần thiết. Rất nhiều đường điện được kẹp giữa các lớp của bảng mạch.
Các bo mạch chủ đơn giản, giá rẻ có thể chỉ có 4 lớp, nhưng hầu hết ngày ngay có 6 hoặc 8 lớp – mặc dù vậy thêm nhiều lớp không có nghĩa là làm mọi thứ tốt hơn. Đó là về tổng số có bao nhiêu đường mạch điện và tầm quan trọng của việc giữ chúng tách biệt và cách ly để ngăn ngừa chúng chạm mạch lẫn nhau.
Các nhà thiết kế bo mạch chủ thường sử dụng phần mềm để giúp họ tìm ra các tuyến đường tốt nhất cho tất cả các đường mạch điện này; các kỹ sư giàu kinh nghiệm thường sẽ điều chỉnh bố cục. Video dưới đây sẽ cho các bạn một cái nhìn tổng thể về cách tạo và định tuyến và xử lý các đường mạch điện trong bảng mạch in (PCB).
Vì bo mạch chủ thật là một tấm mạch in lớn, bạn cũng có thể tự làm được và nếu bạn muốn biết về cách thực hiện điều này, dưới đây là một bài hướng dẫn về chế tạo PCB rất tuyệt vời mà bạn có thể xem.
Tất nhiên, đó là một câu chuyện khác nhau để sản xuất bo mạch chủ ở quy mô công nghiệp, vì vậy để hiểu được mức độ phức tạp của nó, đoạn video dưới đây sẽ cho bạn thấy điều đó. Trong video đầu tiên là cách mà các bảng mạch được thiết kế và sản xuất. Trong khi video thứ hai cho bạn thấy quá trình lắp ráp một bo mạch chủ điển hình.
Lời kết
Giờ thì bạn đã nó cái nhìn tổng thể về bo mạch chủ máy tính để bàn hiện đại. Chúng là những bảng mạch lớn, phức tạp, chứa đầy các chip xử lý, công tắc, đầu nối và chip nhớ. Có rất nhiều công nghệ thú vị được sử dụng, nhưng chúng ta thường lãng quên chúng, đặc biệt là khi chúng đã yên vị trong thùng máy.
tham khảo: TechSpot
