مادربرد کامپیوتر زیر ذره‌بین: بررسی ساختار، اجزا و نحوه عملکرد

مادربرد یک برد مدار چاپی درون کامپیوتر است که اجزای الکتریکی را در خود جای می‌دهد و امکان ارتباط میان آن‌ها را فراهم می‌کند. مادربرد در سیستم‌های محاسباتی عمومی مانند کامپیوترهای شخصی، تلویزیون‌های هوشمند، مانیتورهای هوشمند و دستگاه‌های مشابه استفاده می‌شود و علاوه بر برقراری ارتباط میان اجزای الکتریکی مختلف، میزبان قطعاتی مانند پردازنده مرکزی (CPU) و حافظه نیز است. این قطعه معمولا از فایبرگلاس و مس ساخته می‌شود. در این مقاله به تعریف و بررسی مادربرد کامپیوتر و بررسی اجزا و عملکرد آن می‌پردازیم.

مادربرد چیست؟

مادربرد کامپیوتر معمولا بزرگ‌ترین برد مدار چاپی درون شاسی دستگاه به شمار می‌رود. این برد وظیفه انتقال برق و تسهیل ارتباط میان پردازنده مرکزی (CPU)، حافظه دسترسی تصادفی (RAM) و سایر اجزای سخت‌افزاری کامپیوتر را بر عهده دارد. دامنه گسترده‌ای از مادربردها وجود دارد که هر یک برای مدل و اندازه خاصی از کامپیوتر طراحی شده‌اند.

از آنجا که پردازنده‌ها و حافظه‌های مختلف برای بهترین عملکرد نیازمند نوع خاصی از مادربرد هستند، یافتن مادربردی که با تمام انواع پردازنده و حافظه سازگار باشد دشوار است. در مقابل، هارد دیسک‌ها معمولا با طیف وسیعی از مادربردها سازگار هستند و با اغلب برندها و مدل‌ها به کار می‌روند.

مادربرد داخل کیس کامپیوتر قرار دارد و محل اتصال بیشتر اجزا و تجهیزات جانبی کامپیوتر است. در کامپیوترهای تاور یا برج (Tower)، مادربرد در سمت راست یا چپ بدنه قابل مشاهده است و مهم‌ترین برد مدار دستگاه محسوب می‌شود.

نخستین مادربردهای کامپیوترهای شخصی تعداد اجزای واقعی کمی داشتند. اولین مادربرد IBM PC تنها شامل یک پردازنده مرکزی و چند پورت کارت بود. کاربران برای استفاده کامل از سیستم، اجزایی مانند حافظه و کنترلرهای فلاپی دیسک را در اسلات‌ها قرار می‌دادند.

شرکت Compaq نخستین بار از مادربردی استفاده کرد که بر پایه طراحی IBM نبود. این معماری جدید از پردازنده اینتل بهره می‌برد. هنگامی که فروش Compaq رونق گرفت، دیگر شرکت‌ها نیز به سرعت به همین مسیر روی آوردند، هرچند بسیاری از فعالان این صنعت آن را حرکتی پرریسک می‌دانستند.

تا دهه 1990، اینتل سهم غالب بازار مادربردهای کامپیوتر شخصی را به دست آورد. شرکت‌های ایسوس، گیگابایت و MSI سه بازیگر اصلی این صنعت شدند. با وجود آنکه ایسوس اکنون بزرگ‌ترین تولیدکننده مادربرد در جهان است، اینتل همچنان در میان ده شرکت برتر تولیدکننده مادربرد قرار دارد.

انواع مادربرد کامپیوتر

مادربرد Advanced Technology (AT)

این مادربردها به دلیل ابعاد فیزیکی بزرگ‌تر (قابل اندازه‌گیری در صدم میلیمتر)، با کامپیوترهای دسکتاپ کوچک سازگار نیستند. اندازه بزرگ آن‌ها نصب سخت‌افزارهای جدید را دشوار می‌سازد. اتصالات برق در این مادربردها به صورت سوکت و دوشاخه‌های شش‌پین طراحی شده است. از آنجا که تشخیص این اتصالات دشوار بود، کاربران هنگام اتصال و استفاده معمولا با مشکل روبه‌رو می‌شدند. در دهه 1980 این مادربردها بسیار رایج بودند و تولید آن‌ها تا اوایل دهه 2000 ادامه یافت.

مادربرد Standard ATX

مادربرد ATX نسخه پیشرفته‌تر AT است که اینتل در دهه 1990 طراحی کرد. نام آن به معنای «فناوری پیشرفته توسعه‌یافته» است. این برد نسبت به AT بسیار جمع‌وجورتر است و امکان تعویض و ارتقای آسان‌تر قطعات را فراهم می‌سازد. اتصالات نیز در این مدل پیشرفت قابل توجهی داشتند.

مادربرد Micro ATX

ابعاد این مادربرد 244 میلی‌متر در 244 میلی‌متر است (اندازه بسته به سازنده ممکن است متفاوت باشد). این مدل پورت‌ها و اسلات‌های کمتری نسبت به ATX استاندارد دارد. کاربرانی که نیازی به اتصالات بیش از حد یا ارتقاهای مکرر مانند افزودن رم اضافی، گرافیک یا کارت‌های PCI ندارند، گزینه مناسب‌تری در اختیار خواهند داشت. این مادربرد را می‌توان در هر کیس با فضای کافی برای 244 در 244 میلی‌متر نصب کرد. همچنین قابلیت نصب در کیس‌های بزرگ‌تر سازگار با ATX استاندارد یا eXTENDED ATX را نیز دارد.

مادربرد eXtended ATX (E-ATX)

ابعاد این مادربرد 344 میلی‌متر در 330 میلی‌متر است (اندازه با توجه به سازنده متفاوت خواهد بود). این مدل از یک یا دو پردازنده پشتیبانی می‌کند و تا هشت اسلات رم دارد. همچنین تعداد بیشتری اسلات PCI و PCIe دارد که برای افزودن کارت‌های گوناگون به کار می‌روند. این نوع مادربرد در ورک استیشن‌ها و سرورها استفاده می‌شود. فضای کافی برای گردش هوا و نصب قطعات مختلف نیز فراهم است که آن را برای کامپیوترهای دسکتاپ ایده‌آل می‌سازد.

مادربرد Flex ATX

این مدل از خانواده ATX کوچک‌ترین و کم‌هزینه‌ترین نوع است. محبوبیت چندانی مانند مدل‌های دیگر ندارد. Flex ATX نسخه اصلاح‌شده Mini ATX است که اینتل بین سال‌های 1999 تا 2000 معرفی کرد.

مادربرد Low-Profile EXtended (LPX)

این مدل دو تغییر مهم نسبت به نسخه‌های پیشین داشت؛ نخست آنکه پورت‌های ورودی و خروجی به پشت دستگاه منتقل شدند و دوم اینکه کارت توسعه (Riser Card) به آن افزوده شد تا امکان نصب اسلات‌های بیشتر فراهم شود. برخی از این قابلیت‌ها در مادربرد AT نیز دیده می‌شد. نقطه ضعف اصلی LPX نداشتن اسلات AGP بود و به همین دلیل کارت گرافیک تنها از طریق PCI متصل می‌شد. مادربردهای جدیدتر NLX بسیاری از مشکلات LPX را برطرف کردند.

مادربرد BTX

Balanced Technology Extended یا BTX به‌منظور پاسخ به نیاز فناوری‌های نوظهور که مصرف انرژی و گرمای بیشتری تولید می‌کردند طراحی شد. با این حال، اینتل در میانه دهه 2000 تولید آن را متوقف کرد تا تمرکز خود را روی پردازنده‌های کم‌مصرف قرار دهد.

مادربرد Pico BTX

این مدل به دلیل اندازه کوچک‌تر نسبت به مادربردهای معمولی، Pico نام گرفت. با وجود اشتراک نیمه بالایی با BTX، تنها از دو اسلات توسعه پشتیبانی می‌کند. کارت‌های نیم‌قد (Half-Height) یا Riser از ویژگی‌های شاخص آن هستند و بیشتر برای کاربردهای دیجیتال طراحی شده‌اند.

مادربرد Mini ITX

نسخه استانداردی از ITX وجود ندارد و این مادربرد به‌طور کامل کوچک‌سازی شده است. در دهه 2000 توسعه یافت و ابعاد آن 17 در 17 سانتی‌متر است. مصرف انرژی پایین و خنک‌سازی سریع‌تر باعث شده در کامپیوترهای SFF یا فرم فاکتور کوچک به کار رود. همچنین به دلیل صدای کم فن، گزینه‌ای مناسب برای سیستم‌های سینمای خانگی به شمار می‌رود.

مادربرد Mini STX

این مدل ابتدا با نام Intel 5×5 شناخته می‌شد. در سال 2015 معرفی شد و ابعاد آن 147 در 140 میلی‌متر (5.8 اینچ در 5.5 اینچ) است؛ بنابراین نام 5×5 تا حدی گمراه‌کننده به نظر می‌رسد. برد Mini-STX شکل مستطیلی دارد و نسبت به مدل‌های مربع‌شکل مانند NUC یا Mini-ITX کمی بلندتر است.

بررسی مادربرد کامپیوتر و نحوه کار آن

هنگام روشن شدن کامپیوتر، منبع تغذیه برق را به مادربرد منتقل می‌کند. داده‌ها از طریق گذرگاه‌های داده میان اجزای چیپ‌ست حرکت می‌کنند و بین بخش‌های شمالی (Northbridge) و جنوبی (Southbridge) جریان می‌یابند. اتصالات داده به پردازنده، رم و PCIe توسط Northbridge مدیریت می‌شود. عملیات حافظه رم ابتدا توسط پردازنده به خروجی تبدیل می‌شود. سپس داده‌ها روی PCIe نوشته شده و بسته به نوع کارت، کپی یا منتقل می‌شوند.

Southbridge مدیریت اتصال داده به BIOS، USB، SATA و گذرگاه PCI را بر عهده دارد. ارسال سیگنال به BIOS (بایوس) امکان راه‌اندازی کامپیوتر را فراهم می‌کند و داده‌های منتقل‌شده به SATA موجب فعال شدن درایو نوری، هارد دیسک و SSD می‌شود. کارت‌های گرافیک، شبکه و صدا نیز انرژی خود را از اطلاعات SATA دریافت می‌کنند.

سایر اجزا از طریق سیگنال‌های الکتریکی با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. این گذرگاه‌ها از بخش‌های Northbridge یا Southbridge تراشه عبور می‌کنند و سپس به اجزایی مانند پردازنده، رم، PCI و PCIe متصل می‌شوند. اطلاعات منتقل‌شده در گذرگاه‌ها به زبان برنامه‌نویسی دودویی (0 و 1) کدگذاری می‌شوند. هرگاه سیگنالی از یکی از اجزا به مادربرد ارسال شود، مادربرد آن را پردازش و به زبانی که اجزای دیگر متوجه شوند ترجمه می‌کند. در کامپیوترهای امروزی این فرآیند در کسری از ثانیه انجام می‌شود و تقریبا هیچ تأخیری میان ورودی و خروجی وجود ندارد.

12 جز کلیدی یک مادربرد

در ادامه بررسی مادربرد کامپیوتر، به اجزای اصلی تشکیل دهنده مادربرد اشاره می‌کنیم:

کانکتورهای ماوس و کیبورد

مادربردهای کامپیوتر باید دو کانکتور مجزا برای اتصال ماوس و کیبورد خارجی داشته باشند. این کانکتورها مسئول ارسال دستورها و دریافت پاسخ‌ها از کامپیوتر هستند. دو نوع کانکتور PS/2 و USB برای ماوس و کیبورد وجود دارد. درگاه personal system/2 (PS/2) یک اتصال mini-DIN با 6 پین است که ماوس یا کیبورد را به کامپیوترهای سازگار با IBM متصل می‌کند. سایر کامپیوترها از درگاه USB برای اتصال ماوس یا کیبورد استفاده می‌کنند.

گذرگاه عمومی سریال (USB)

USB یک رابط کامپیوتری است که کامپیوتر را به دستگاه‌های دیگر مانند تلفن‌ها متصل می‌کند. درگاه USB بخش مهمی از مادربرد است که به کاربران امکان اتصال دستگاه‌های جانبی مانند پرینتر، اسکنر و فلش مموری را می‌دهد. علاوه بر این، انتقال داده بین دستگاه و کامپیوتر از طریق آن انجام می‌شود. یکی از مزیت‌های درگاه USB این است که کاربران می‌توانند دستگاه‌های جانبی را بدون نیاز به راه‌اندازی مجدد سیستم متصل کنند. انواع USB شامل USB-A، USB-B، USB-mini، micro-USB، USB-C و USB-3 می‌شوند.

پردازنده مرکزی (CPU)

پردازنده مرکزی که اغلب مغز کامپیوتر نامیده می‌شود، کنترل کلیه عملکردهای سیستم را بر عهده دارد. پردازنده‌ها در قالب‌های مختلف عرضه می‌شوند که هر کدام به اسلات خاصی روی مادربرد نیاز دارند. یک پردازنده می‌تواند دارای یک یا چند هسته باشد. پردازنده تک‌هسته‌ای تنها قادر به انجام یک وظیفه در هر لحظه است؛ در حالی که پردازنده‌های چند‌هسته‌ای به طور همزمان چندین وظیفه را اجرا می‌کنند.

حافظه RAM

اسلات‌های رم حافظه دسترسی تصادفی را به مادربرد متصل می‌کنند. رم این امکان را فراهم می‌سازد که فایل‌ها و برنامه‌هایی که پردازنده در حال استفاده از آن‌ها است، به طور موقت ذخیره شوند. کامپیوترهایی که ظرفیت رم بیشتری دارند، توانایی پردازش و نگهداری فایل‌ها و برنامه‌های بزرگ‌تر را پیدا می‌کنند و در نتیجه عملکرد بالاتری ارائه می‌دهند. با این حال، محتوای رم پس از خاموش شدن کامپیوتر پاک می‌شود. معمولا یک کامپیوتر دارای 2 اسلات رم است؛ با این حال برخی مادربردها تا 4 اسلات نیز دارند تا حافظه بیشتری در دسترس قرار گیرد.

سیستم ورودی/خروجی پایه (BIOS)

BIOS شامل میان‌افزار مادربرد است. این بخش دستورالعمل‌هایی درباره نحوه عملکرد کامپیوتر هنگام روشن شدن را در بر دارد و وظیفه راه‌اندازی سخت‌افزارها و بارگذاری سیستم‌عامل را بر عهده دارد. BIOS همچنین امکان تعامل سیستم‌عامل با دستگاه‌های ورودی و خروجی مانند ماوس و کیبورد را فراهم می‌کند.

در برخی مادربردها BIOS قدیمی با رابط میان‌افزار توسعه‌پذیر (EFI) یا رابط میان‌افزار توسعه‌پذیر یکپارچه (UEFI) جایگزین شده است. UEFI و EFI موجب راه‌اندازی سریع‌تر سیستم، ارائه ابزارهای تشخیصی و تعمیر بیشتر و همچنین رابط کارآمدتر میان سیستم‌عامل و اجزای سخت‌افزاری می‌شوند.

چیپست‌ها

چیپست‌ها چگونگی تعامل سخت‌افزار و گذرگاه‌های کامپیوتر با پردازنده و سایر اجزا را کنترل می‌کنند. همچنین میزان حافظه قابل‌افزایش روی مادربرد و نوع کانکتورهای موجود توسط چیپست‌ها تعیین می‌شود. چیپست northbridge وظیفه مدیریت سرعت ارتباط پردازنده با اجزا، کنترل پردازنده، اسلات گرافیکی AGP و رم را دارد. چیپست southbridge مدیریت سایر اجزا از جمله ارتباط پردازنده با پورت‌های توسعه مانند USB و کارت‌های صدا را بر عهده دارد.

فن‌های خنک‌کننده

حرارت تولیدشده بر اثر جریان الکتریکی میان اجزا می‌تواند سرعت کامپیوتر را کاهش دهد. تجمع بیش از حد حرارت در صورت عدم کنترل، امکان آسیب به قطعات را افزایش می‌دهد. در نتیجه، خنک نگه داشتن سیستم باعث بهبود عملکرد آن می‌شود. فن‌های خنک‌کننده جریان هوا را افزایش داده و حرارت اضافی را از کامپیوتر خارج می‌کنند. برخی اجزا مانند کارت‌های گرافیک دارای فن‌های اختصاصی هستند.

کارت‌های توسعه و اسلات‌های گسترش

کارت‌های توسعه مانند کارت صدا و کارت گرافیک برای ارتقای قابلیت‌های کامپیوتر به مادربرد اضافه می‌شوند. اسلات‌های گسترش امکان نصب کارت‌های سازگار را فراهم می‌سازند. از جمله این اسلات‌ها می‌توان به PCI، AGP (برای کارت‌های گرافیک)، PCI Express و PCI-extended اشاره کرد.

باتری CMOS

باتری CMOS یک باتری کوچک گرد روی مادربرد است که به تراشه CMOS انرژی می‌دهد. این تراشه اطلاعات BIOS و تنظیمات سیستم را حتی در زمان خاموش بودن کامپیوتر ذخیره می‌کند. وجود این باتری باعث می‌شود کاربران مجبور به تنظیم مجدد تاریخ، زمان یا ترتیب بوت در هر بار روشن کردن سیستم نباشند.

دستگاه‌های ذخیره‌سازی

دستگاه‌های ذخیره‌سازی داده‌ها را به صورت دائمی نگهداری یا از رسانه‌ها بازیابی می‌کنند. این دستگاه‌ها می‌توانند به صورت داخلی (هارد دیسک‌ها) یا به شکل قابل‌حمل از طریق پورت USB متصل شوند. درایوهای HDD و SSD حافظه اصلی ذخیره‌سازی در کامپیوتر محسوب می‌شوند. سیستم‌های مجهز به SSD وظایف را سریع‌تر انجام داده و عملکرد بهتری دارند. علاوه بر این، کاربران می‌توانند از درایوهای نوری مانند CD برای ذخیره اطلاعات استفاده کنند.

کانکتورهای پنل جلویی

کانکتورهای پنل جلویی چراغ‌های LED روی کیس را به هارد دیسک، دکمه روشن/خاموش، دکمه ریست و بلندگوی داخلی برای تست متصل می‌کنند. برخی دستگاه‌های USB و صوتی نیز دارای چراغ LED هستند. این کانکتورها به پین‌های کوچکی روی مادربرد متصل می‌شوند که با وجود گروه‌بندی و کدگذاری رنگی، آرایش آن‌ها بسته به مدل مادربرد متفاوت است.

کانکتور برق

کانکتور برق تامین انرژی موردنیاز برای عملکرد کامپیوتر را بر عهده دارد. این کانکتور 20 پین دارد و برق 110 ولت متناوب را به جریان مستقیم 12± ولت، 5± ولت و 3.3 ولت تبدیل می‌کند.

وظایف مادربرد

مادربرد هفت وظیفه اصلی دارد که در ادامه در خصوص این وظایف به شما خواهیم گفت:

مدیریت جریان داده

BIOS مادربرد تضمین می‌کند سیستم‌عامل با دستگاه‌های ورودی و خروجی مانند کیبورد و ماوس هماهنگ عمل کند تا دستورها پردازش شوند. همچنین از طریق پورت‌های USB جریان داده میان دستگاه‌ها مدیریت می‌شود. علاوه بر این، پردازنده امکان دسترسی سریع‌تر به اطلاعات رم پیدا می‌کند تا کارایی افزایش یابد.

صرفه‌جویی در منابع

مادربرد با اتصال تمام اجزای موردنیاز، زمان، انرژی و هزینه کاربران را کاهش می‌دهد. این یک پلتفرم مشترک برای تولیدکنندگان است تا همه قطعات لازم روی آن قرار گیرند. در غیر این صورت کاربران مجبور به خرید جداگانه اجزا و پرداخت هزینه‌های اضافی حمل‌ونقل و نصب می‌شدند.

بهینه‌سازی توزیع انرژی

مادربرد انرژی الکتریکی را دریافت و به شکلی بهینه میان اجزای مختلف توزیع می‌کند. این کار از طریق مدارهای مجتمع با اتصالات از پیش تعیین‌شده انجام می‌شود که تضمین می‌کنند هر جزء برق کافی دریافت کند. علاوه بر این، طراحی مدارها مصرف انرژی را کاهش داده و سیستم را کارآمدتر می‌سازد.

تسهیل ارتباط

برای اجرای برخی دستورها، اجزای مختلف باید با یکدیگر تعامل داشته باشند. مادربرد با فناوری مدارهای خود ارتباط میان این اجزا را برقرار می‌سازد. همچنین اجزایی مانند پردازنده، BIOS، پورت‌های توسعه و USB در تعامل با سیستم‌عامل نقش دارند.

ارتقای عملکرد

مادربرد قابلیت‌های کامپیوتر را گسترش می‌دهد. برای نمونه، امکاناتی مانند صدای داخلی و ویدیو، خروجی سیستم را بهبود می‌بخشند. همچنین اتصال دستگاه‌های جانبی مانند پرینتر یا ارتقای اجزای کارخانه‌ای مانند رم و هارد دیسک، توانایی سیستم را افزایش می‌دهد.

بهبود پایداری

یک مادربرد باکیفیت، پایه‌ای پایدار برای اجزای کامپیوتر فراهم می‌کند. وجود خنک‌سازی مناسب و طراحی درست مدارهای مجتمع، عملکرد قابل‌اعتماد اجزا و هماهنگی آن‌ها را تضمین می‌کند. کامپیوتر قابل‌اعتماد وظایف را کارآمدتر انجام داده و تجربه کاربری بهتری ارائه می‌دهد.

افزایش بهره‌وری

مادربرد کار کاربران را ساده‌تر می‌کند. در حالی که کامپیوترهای قدیمی دارای BIOS بودند، سیستم‌های جدید با EFI و UEFI عرضه می‌شوند. این میان‌افزارها بدون نیاز به پیکربندی مجدد، زمان و تاریخ را تنظیم و سیستم‌عامل را در حافظه بارگذاری می‌کنند و در نتیجه امکان تمرکز بر کارهای دیگر فراهم می‌شود.

جمع‌بندی بررسی مادربرد کامپیوتر

مادربرد بخش حیاتی سیستم‌های کامپیوتری است؛ حتی مدل‌های کوچک مانند Raspberry Pi دارای مادربرد هستند. این قطعه اساس عملکرد کامپیوتر را شکل می‌دهد و ارتباط اجزایی مانند پردازنده، درایوها و پورت‌ها را ممکن می‌سازد. تولید و جایگزینی مادربرد قدرتمند هزینه‌بر است اما در عین حال یکی از بادوام‌ترین اجزای کامپیوتر محسوب می‌شود.

اگر از خواندن این مطلب لذت بردید، توصیه می‌کنیم مطلب «پاور کامپیوتر زیر ذره‌بین: بررسی ساختار، اجزا و عملکرد» را نیز مطالعه فرمایید تا دید جامع‌تری نسبت به این قطعه کلیدی داشته باشید.