شرح اللوحة الأم الخاصة بالكمبيوتر (motherboard)

June 25, 2023 * تيتو 4 تك

اللوحة الأم (تُعرف أحيانًا بلوحة النظام أو اللوحة المستوية أو لوحة المنطق، أو بالعامية، Mobo) هي لوحة الدوائر المطبوعة الرئيسية (PCB) الموجودة في أجهزة الكمبيوتر والأنظمة الأخرى القابلة للتوسيع. إنه يحمل ويسمح بالاتصال بين العديد من المكونات الإلكترونية الحاسمة للنظام، مثل وحدة المعالجة المركزية (CPU) والذاكرة، ويوفر موصلات للأجهزة الطرفية الأخرى. على عكس اللوحة الخلفية، تحتوي اللوحة الأم على أنظمة فرعية مهمة مثل المعالج والمكونات الأخرى.

تشير اللوحة الأم تحديدا إلى PCB مع إمكانية التوسع وكما يوحي الاسم، غالبًا ما يشار إلى هذه اللوحة على أنها "الأم" لجميع المكونات المرفقة بها، والتي غالبًا ما تتضمن بطاقات الصوت أو بطاقات الفيديو أو بطاقات الشبكة أو محركات الأقراص الثابتة أو غير ذلك أشكال التخزين المستمر بطاقات موالف التلفاز، والبطاقات التي توفر فتحات USB أو FireWire إضافية ومجموعة متنوعة من المكونات المخصصة الأخرى (يتم تطبيق مصطلح اللوحة الرئيسية على الأجهزة التي تحتوي على لوحة واحدة، ولا توجد توسعات أو إمكانات إضافية، مثل لوحات التحكم في أجهزة التلفاز والغسالات والأنظمة المضمنة الأخرى).

 

 

تاريخ نشأة اللوحة الأم الخاصة بالكمبيوتر (motherboard)

قبل اختراع المعالج الدقيق، كان الكمبيوتر الرقمي يتألف من لوحات دوائر مطبوعة متعددة في علبة بطاقة مع مكونات متصلة بواسطة لوحة معززة، وهي مجموعة من المقابس المترابطة. في التصميمات القديمة جدًا، كانت الأسلاك عبارة عن اتصالات منفصلة بين دبابيس موصل البطاقة، ولكن سرعان ما أصبحت لوحات الدوائر المطبوعة هي الممارسة المعتادة. تم وضع وحدة المعالجة المركزية (CPU) والذاكرة والأجهزة الطرفية على لوحات الدوائر المطبوعة الفردية، والتي تم توصيلها باللوحة الخلفية.

خلال أواخر الثمانينيات والتسعينيات، أصبح من الاقتصادي نقل عدد متزايد من الوظائف الطرفية إلى اللوحة الأم. في أواخر الثمانينيات، بدأت اللوحات الأم للكمبيوتر الشخصي في تضمين دوائر متكاملة فردية (تسمى أيضًا رقائق الإدخال / الإخراج الفائقة) القادرة على دعم مجموعة من الأجهزة الطرفية منخفضة السرعة: لوحة المفاتيح والماوس ومحرك الأقراص المرنة والمنافذ التسلسلية والمنافذ المتوازية. بحلول أواخر التسعينيات، دعمت العديد من اللوحات الأم للحاسوب الشخصي مجموعة كاملة من وظائف الصوت والفيديو والتخزين والشبكات دون الحاجة إلى أي بطاقات توسعة إطلاقا؛ عادةً ما تحتفظ الأنظمة المتطورة للألعاب ثلاثية الأبعاد ورسومات الكمبيوتر ببطاقة الرسومات فقط كمكون منفصل.

نشرت أجهزة الحاسوب الأكثر شيوعًا مثل Apple II و IBM PC رسومات تخطيطية ووثائق أخرى سمحت للهندسة العكسية السريعة واللوحات الأم البديلة التابعة لجهات خارجية. عادة ما تكون مصممة لبناء أجهزة كمبيوتر جديدة متوافقة مع النماذج، حيث قدمت العديد من اللوحات الأم أداءً إضافيًا أو ميزات أخرى، واستخدمت لترقية المعدات الأصلية للشركة المصنعة.

 

تصميم اللوحة الأم الخاصة بالكمبيوتر (motherboard)

توفر اللوحة الأم التوصيلات الكهربائية التي تتواصل من خلالها المكونات الأخرى للنظام. على عكس لوحة معززة، فهي تحتوي أيضًا على وحدة المعالجة المركزية، وتستضيف الأنظمة الفرعية والأجهزة الأخرى.

يحتوي كمبيوتر سطح المكتب النموذجي على معالج دقيق وذاكرة رئيسية ومكونات أساسية أخرى متصلة باللوحة الأم. قد يتم توصيل المكونات الأخرى مثل التخزين الخارجي وأجهزة التحكم لعرض الفيديو والصوت والأجهزة الطرفية باللوحة الأم كبطاقات توصيل أو عبر كابلات ، ومن الشائع بشكل متزايد في أجهزة الكمبيوتر الحديثة دمج بعض هذه الأجهزة الطرفية في اللوحة الأم نفسها.

من المكونات المهمة في اللوحة الأم مجموعة الشرائح الداعمة للمعالج الدقيق، والتي توفر واجهات الدعم بين وحدة المعالجة المركزية والمكونات الخارجية. تحدد هذه الشرائح، إلى حد ما، ميزات وقدرات اللوحة الأم. وتشمل اللوحات الأم الحديثة على ما يلي:

- مآخذ (أو فتحات) يمكن أن يتم فيها تركيب معالج دقيق واحد أو أكثر. في حالة وحدات المعالجة المركزية في حزم مجموعة شبكة الكرة، مثل VIA C3، يتم لحام وحدة المعالجة المركزية مباشرة باللوحة الأم.

- الفتحات التي سيتم تثبيت الذاكرة الرئيسية للنظام عليها (عادةً في شكل وحدات DIMM تحتوي على شرائح DRAM).

- مجموعة شرائح تشكل واجهة بين الناقل الأمامي لوحدة المعالجة المركزية والذاكرة الرئيسية والناقلات الطرفية.

- رقائق الذاكرة غير المتطايرة (عادةً ذاكرة فلاش ROM في اللوحات الأم الحديثة) تحتوي على البرامج الثابتة للنظام أو BIOS.

- مولد ساعة ينتج إشارة ساعة النظام لمزامنة المكونات المختلفة.

- فتحات لبطاقات التوسيع (واجهة النظام عبر Buses التي تدعمها مجموعة الشرائح).

- موصلات الطاقة، التي تتلقى الطاقة الكهربائية من مصدر طاقة الكمبيوتر وتوزعها على وحدة المعالجة المركزية ومجموعة الشرائح والذاكرة الرئيسية وبطاقات التوسعة. اعتبارًا من عام 2007، تتطلب بعض بطاقات الرسومات (مثل GeForce 8 و Radeon R600) طاقة أكبر مما يمكن أن توفره اللوحة الأم، ومن ثم تم تقديم موصلات مخصصة لتوصيلها مباشرة بمصدر الطاقة.

- موصلات لمحركات الأقراص الثابتة، عادةً ما تكون SATA فقط. تتصل محركات الأقراص أيضًا بمصدر الطاقة.

بالإضافة إلى ذلك ، تشتمل جميع اللوحات الأم تقريبًا على منطق وموصلات لدعم أجهزة الإدخال الشائعة الاستخدام، مثل موصلات PS / 2 للماوس ولوحة المفاتيح. تضمنت أجهزة الكمبيوتر الشخصية المبكرة مثل Apple II أو IBM PC هذا الحد الأدنى من الدعم المحيطي على اللوحة الأم. من حين لآخر، تم أيضًا دمج أجهزة واجهة الفيديو في اللوحة الأم؛ على سبيل المثال، في Apple II ونادرًا على أجهزة الكمبيوتر المتوافقة مع IBM مثل IBM PC Jr. تم توفير ملحقات إضافية مثل وحدات التحكم في القرص والمنافذ التسلسلية كبطاقات توسعة.

نظرًا لقوة التصميم الحراري العالية لوحدات المعالجة المركزية ومكونات الكمبيوتر عالية السرعة، تشتمل اللوحات الأم الحديثة دائمًا تقريبًا على وحدات امتصاص حرارية ونقاط تركيب للمراوح لتبديد الحرارة الزائدة.

 

الشكل العام للوحة الأم الخاصة بالكمبيوتر (motherboard)

يتم إنتاج اللوحات الأم في مجموعة متنوعة من الأحجام والأشكال تسمى عامل شكل الكمبيوتر ، وبعضها خاص بمصنعي أجهزة الكمبيوتر الفردية. ومع ذلك، فإن اللوحات الأم المستخدمة في الأنظمة المتوافقة مع IBM مصممة لتناسب أحجام الصناديق المختلفة. اعتبارًا من عام 2007، تستخدم معظم اللوحات الأم لأجهزة الكمبيوتر المكتبية عامل الشكل القياسي ATX - حتى تلك الموجودة في أجهزة حاسوب Macintosh و Sun، والتي لم يتم إنشاؤها من مكونات سلعة. يجب أن تتطابق كل من اللوحة الأم للحالة وعامل شكل PSU، على الرغم من أن بعض اللوحات الأم ذات عامل الشكل الأصغر من العائلة نفسها ستناسب الحالات الأكبر حجمًا. على سبيل المثال، تستوعب علبة ATX عادةً اللوحة الأم microATX.

تستخدم أجهزة الكمبيوتر المحمولة عمومًا لوحات رئيسية متكاملة للغاية ومصغرة ومخصصة. هذا هو أحد أسباب صعوبة ترقية أجهزة الكمبيوتر المحمولة وتكلفة إصلاحها. غالبًا ما يتطلب فشل أحد مكونات الحاسوب المحمول استبدال اللوحة الأم بأكملها، والتي عادة ما تكون أكثر تكلفة من اللوحة الأم لسطح المكتب؛ نظرًا للعدد الكبير من المكونات المدمجة.

 

مقابس وحدة المعالجة المركزية

يعتبر مقبس وحدة المعالجة المركزية (CPU) أو الفتحة مكونًا كهربائيًا يتم توصيله بلوحة الدوائر المطبوعة (PCB) وهو مصمم لإيواء وحدة المعالجة المركزية (تسمى أيضًا المعالج الدقيق). إنه نوع خاص من مقابس الدائرة المتكاملة المصممة لعدد كبير جدًا من PIN. يوفر مقبس وحدة المعالجة المركزية العديد من الوظائف، بما في ذلك الهيكل المادي لدعم وحدة المعالجة المركزية، ودعم المشتت الحراري، وتسهيل الاستبدال (بالإضافة إلى تقليل التكلفة)، والأهم من ذلك، تشكيل واجهة كهربائية مع كل من وحدة المعالجة المركزية وPCB.

غالبًا ما توجد مقابس وحدة المعالجة المركزية على اللوحة الأم في معظم أجهزة كمبيوتر سطح المكتب والخادم (تستخدم أجهزة الكمبيوتر المحمولة عادةً وحدات المعالجة المركزية المثبتة على السطح)، لا سيما تلك التي تعتمد على بنية Intel x86. يجب أن يدعم نوع مقبس وحدة المعالجة المركزية ومجموعة شرائح اللوحة الأم سلسلة وحدة المعالجة المركزية والسرعة.

 

الأجهزة الطرفية المتكاملة

مع الانخفاض المستمر في التكاليف وحجم الدوائر المتكاملة، أصبح من الممكن الآن تضمين الدعم للعديد من الأجهزة الطرفية على اللوحة الأم. من خلال الجمع بين العديد من الوظائف على PCB، يمكن تقليل الحجم المادي والتكلفة الإجمالية للنظام؛ وبالتالي ، فإن اللوحات الأم شديدة التكامل تحظى بشعبية خاصة في أجهزة الكمبيوتر ذات الحجم الصغير والميزانية.

- وحدات التحكم في القرص لمحرك الأقراص المرنة، وما يصل إلى محركي أقراص PATA، وما يصل إلى 6 محركات أقراص SATA (بما في ذلك دعم RAID 0/1).
- وحدة تحكم رسومات مدمجة تدعم الرسومات ثنائية وثلاثية الأبعاد، مع مخرج VGA والتلفزيون.
- بطاقة صوت مدمجة تدعم صوت 8 قنوات (7.1) وإخراج S / PDIF.
- وحدة تحكم شبكة إيثرنت سريعة لشبكات 10/100 ميجابت.
- وحدة تحكم USB 2.0 تدعم ما يصل إلى 12 منفذ USB.
- وحدة تحكم الأشعة تحت الحمراء لاتصالات البيانات بالأشعة تحت الحمراء (على سبيل المثال باستخدام هاتف خلوي أو طابعة تدعم تقنية الأشعة تحت الحمراء).
- مستشعرات درجة الحرارة والجهد وسرعة المروحة التي تسمح للبرنامج بمراقبة حالة مكونات الكمبيوتر.

 

فتحات البطاقة الطرفية

سيكون للوحة الأم النموذجية عدد مختلف من التوصيلات اعتمادًا على معيارها وعامل الشكل.

عادةً ما تحتوي اللوحة الأم القياسية والحديثة من نوع ATX على اثنين أو ثلاثة من وصلات PCI-Express 16x لبطاقة رسومات، وفتحة واحدة أو اثنتين من فتحات PCI القديمة لبطاقات التوسعة المختلفة، وواحدة أو اثنتين من PCI-E 1x (التي حلت محل PCI). ستحتوي اللوحة الأم القياسية EATX على اتصالين إلى أربع فتحات PCI-E 16x لبطاقات الرسوم، وعدد متفاوت من فتحات PCI و PCI-E 1x. يمكن أن تحتوي أيضًا في بعض الأحيان على فتحة PCI-E 4x (ستختلف بين العلامات التجارية والموديلات).

تحتوي بعض اللوحات الأم على فتحتين أو أكثر من فتحات PCI-E 16x، للسماح بأكثر من شاشتين بدون أجهزة خاصة، أو استخدام تقنية رسومات خاصة تسمى SLI (لـ Nvidia) و Crossfire (لـ AMD). تسمح هذه البطاقات بربط 2 إلى 4 بطاقات رسومية معًا، للسماح بأداء أفضل في مهام الحوسبة الرسومية المكثفة، مثل الألعاب وتحرير الفيديو وما إلى ذلك.

 

درجة الحرارة والموثوقية

عادةً ما يتم تبريد اللوحات الرئيسية بالهواء باستخدام أحواض حرارية غالبًا ما يتم تركيبها على شرائح أكبر، مثل Northbridge، في اللوحات الأم الحديثة. يمكن أن يتسبب التبريد غير الكافي أو غير المناسب في تلف المكونات الداخلية للكمبيوتر ، أو يتسبب في تعطله. كان التبريد السلبي، أو مروحة واحدة مثبتة على مصدر الطاقة، كافياً للعديد من وحدات المعالجة المركزية لأجهزة الكمبيوتر المكتبية حتى أواخر التسعينيات؛ منذ ذلك الحين، تطلب معظمهم مراوح وحدة المعالجة المركزية مثبتة على أحواض الحرارة الخاصة بهم، بسبب ارتفاع سرعات الساعة واستهلاك الطاقة. تحتوي معظم اللوحات الأم على موصلات لمراوح هيكل إضافية ومستشعرات درجة حرارة مدمجة لاكتشاف درجات حرارة اللوحة الأم ووحدة المعالجة المركزية وموصلات المروحة التي يمكن التحكم فيها والتي يمكن لنظام BIOS أو نظام التشغيل استخدامها لتنظيم سرعة المروحة. بدلاً من ذلك، يمكن لأجهزة الكمبيوتر استخدام نظام تبريد مائي عوضا عن العديد من المراوح.
تتميز بعض أجهزة الكمبيوتر صغيرة الحجم وأجهزة المسرح المنزلي المصممة للتشغيل الهادئ والموفر للطاقة بتصميمات بدون مروحة. يتطلب هذا عادةً استخدام وحدة المعالجة المركزية منخفضة الطاقة، فضلاً عن التخطيط الدقيق للوحة الأم والمكونات الأخرى للسماح بوضع المشتت الحراري.

وجدت دراسة أجريت عام 2003 أن بعض أعطال الكمبيوتر الزائفة ومشكلات الموثوقية العامة، والتي تتراوح من تشوهات صورة الشاشة إلى أخطاء قراءة / كتابة الإدخال / الإخراج، يمكن أن تُعزى ليس إلى البرامج أو الأجهزة الطرفية ولكن إلى المكثفات القديمة على اللوحات الأم للحاسوب الشخصي. في نهاية الأمر تبين أن هذا نتيجة لتركيبة إلكتروليت خاطئة، وهي مشكلة تسمى طاعون المكثف.

تستخدم اللوحات الأم المكثفات الإلكتروليتية لتصفية طاقة التيار المستمر الموزعة حول اللوحة. تتقدم هذه المكثفات في العمر بمعدل يعتمد على درجة الحرارة، حيث تتبخر إلكتروليتاتها المائية ببطء. هذا يمكن أن يؤدي إلى فقدان السعة وأعطال اللوحة الأم اللاحقة؛ بسبب عدم استقرار الجهد. بينما تم تصنيف معظم المكثفات لمدة 2000 ساعة من التشغيل عند 105 درجة مئوية (221 درجة فهرنهايت)، فإن عمر تصميمها المتوقع يتضاعف تقريبًا لكل 10 درجات مئوية (50 درجة فهرنهايت) أقل من هذا. عند 45 درجة مئوية (113 درجة فهرنهايت) يمكن توقع عمر 15 عامًا. يبدو هذا معقولاً بالنسبة للوحة الأم للكمبيوتر. ومع ذلك، فإن العديد من الشركات المصنعة تقدم مكثفات دون المستوى المطلوب، مما يقلل إلى حد بعيد من متوسط ​​العمر المتوقع. يؤدي التبريد غير الكافي للحالة ودرجات الحرارة المرتفعة إلى تفاقم هذه المشكلة بسهولة. من الممكن، ولكنها تستغرق وقتًا طويلاً، العثور على المكثفات الفاشلة واستبدالها على اللوحات الأم للحاسوب الشخصي.

 

تلوث الهواء وتأثيره

وكما يلاحظ أن ارتفاع معدلات فشل اللوحة الأم في الصين والهند يرجع إلى "تلوث الهواء الكبريتي الناتج عن الفحم الذي يتم حرقه لتوليد الكهرباء. وفقًا لباحثي إنتل ، يتسبب تلوث الهواء في تآكل الدوائر.

 

التمهيد باستخدام نظام الإدخال والإخراج الأساسي

تحتوي اللوحات الأم على ذاكرة غير متطايرة لتهيئة النظام وتحميل بعض برامج بدء التشغيل، عادةً ما تكون نظام تشغيل، من بعض الأجهزة الطرفية الخارجية. تستخدم الحواسيب الصغيرة مثل Apple II و IBM PC شرائح ROM المثبتة في مآخذ على اللوحة الأم. عند بدء التشغيل، يقوم المعالج المركزي بتحميل عداد البرنامج الخاص به بعنوان تمهيد ROM، ويبدأ في تنفيذ التعليمات من ذاكرة القراءة فقط. أدت هذه التعليمات إلى تهيئة أجهزة النظام واختبارها، وعرض معلومات النظام على الشاشة، وإجراء فحوصات ذاكرة الوصول العشوائي، ثم تحميل برنامج أولي من جهاز خارجي أو طرفي. إذا لم يكن أي منها متاحًا، فسيقوم الكمبيوتر بتنفيذ مهام من مخازن ذاكرة أخرى، أو يعرض رسالة خطأ، اعتمادًا على طراز وتصميم الحاسوب وإصدار ROM. على سبيل المثال، كان لدى كل من Apple II و IBM PC الأصلي Microsoft Cassette BASIC في ROM، وسيبدأ ذلك إذا لم يتم تحميل أي برنامج من القرص.

تستخدم معظم تصميمات اللوحات الأم الحديثة BIOS، المخزن في شريحة EEPROM الملحومة أو الموصل باللوحة الأم، لتشغيل نظام التشغيل. لا تزال برامج التمهيد التي لا تعمل بنظام التشغيل مدعومة على الأجهزة الحديثة التي تعمل بنظام التشغيل IBM PC، ولكن يُفترض حاليا أن برنامج التمهيد سيكون نظام تشغيل معقدًا مثل MS Windows NT أو Linux. عند إمداد اللوحة الأم بالطاقة لأول مرة، يقوم برنامج BIOS الثابت باختبار وتكوين الذاكرة والدوائر والأجهزة الطرفية. قد يتضمن هذا الاختبار الذاتي لبدء التشغيل (POST) اختبار بعض الأشياء التالية:

- محول الفيديو.
- يتم إدخال البطاقات في الفتحات ، مثل PCI التقليدية.
- القرص المرن.
- درجات الحرارة والجهد وسرعات المروحة لمراقبة الأجهزة.
- يستخدم CMOS لتخزين تكوين إعداد BIOS.
- لوحة المفاتيح والفأرة.
- تحكم الشبكة.
- محركات الأقراص الضوئية: CD-ROM أو DVD-ROM.
- القرص الصلب SCSI.
- قرص صلب IDE أو EIDE أو SATA.
- أجهزة الأمان، مثل قارئ بصمات الأصابع أو حالة مفتاح الإغلاق للكشف عن التسلل.
- أجهزة USB، مثل جهاز تخزين الذاكرة.

في اللوحات الأم الحديثة، قد يقوم BIOS أيضًا بتصحيح الرمز الصغير للمعالج المركزي إذا اكتشف BIOS أن وحدة المعالجة المركزية المثبتة هي واحدة تم نشر أخطاء بها.

التسميات