Základní deska

Základní deska (motherboard) je sklolaminátová deska s několika vrstvami tištěných spojů. Na desku jsou pevně připojeny různé komponenty, čipy, sloty, porty a konektory. Prostřednictvím základní desky se jednotlivé části počítače mohou také napájet.

Jednotlivé části počítače, které jsou pomocí základní desky propojeny:

• procesor (CPU)
• operační paměť (RAM)
• grafická karta a monitory
• paměti (SSD, HDD)
• další zařízení připojená přes čipset

Něco z historie

První sálové počítače ze 40. a 50. let 20. století žádnou jednotnou základní desku neměly – součástky se propojovaly složitou a nepříliš přehlednou spletí vodičů. Skutečný zrod základních desek tak, jak je známe dnes, přišel až s nástupem mikroprocesorů a érou osobních počítačů v 80. letech.

Když se na přelomu 70. a 80. let objevily první domácí mikropočítače, filozofie jejich stavby byla zcela odlišná od té, která panuje dnes:

• procesor napevno – první základní desky měly CPU připájený přímo do plošného spoje – žádné patice (sockety) ještě neexistovaly
• jen deska s plošnými spoji – první základní desky byly vlastně jen desky s plošnými spoji pro rozvedení napájení a základní sběrnice – neobsahovaly žádné integrované funkce ani řídicí čipy

Ještě v polovině 90. let nebylo možno k základní desce připojit monitor, reproduktory ani tiskárnu – deska zkrátka neměla žádné vestavěné porty ani integrované čipy, které by uměly vstupně/výstupní zařízení samostatně ovládat. Pro připojení:

• monitoru byla potřeba samostatná grafická karta
• reproduktorů / mikrofonu / sluchátek byla potřeba samostatná zvuková karta
• počítačové sítě byla potřeba samostatná síťová karta
• tiskárny byla potřeba samostatná karta
• klávesnice a myši byla potřeba samostatná karta

Postupně z počítačů samostatné karty (klávesnice a myš, zvukové a síťové karty, USB připojení, atd.) zmizely. Jejich funkci převzal tzv. čipset nebo miniaturní dedikované čipy, které se staly nedílnými součástmi základních desek.

Jedinou komponentou, která se integraci dlouhodobě brání, je grafická karta – dnes již sice naprostá většina základních desek integrovanou grafickou kartu obsahuje, ale ta není použitelná pro pokročilejší výpočty 3D grafiky. Dnes můžeme grafické karty dělit na:

• integrované do základních desek (většinou se sdílenou pamětí RAM)
• dedikované (s vlastním grafickým procesorem, vlastní superrychlou grafickou VRAM) připojované pomocí slotu PCI Express

Výrobci základních desek

Na trhu působí několik hlavních výrobců, se kterými se běžně setkáte:

• ASRock – tchajwanský výrobce, který na trh vstoupil jako odnož společnosti ASUS. Je znám především deskami s výborným poměrem cena/výkon.
• MSI (Micro-Star International) – tchajwanská firma proslulá zejména herními deskami řady MPG a MAG, ale vyrábí i modely pro kancelářské a pracovní stanice.
• ASUS – jeden z největších a nejstarších výrobců na trhu, nabízí desky napříč všemi cenovými kategoriemi, od základních modelů až po prémiové řady ROG (Republic of Gamers).
• GIGABYTE – tchajwanský výrobce s dlouholetou tradicí, vyrábí desky pro širokou škálu použití, od kancelářských sestav po vysoce výkonné herní a pracovní stanice.

Všichni čtyři výrobci sídlí na Tchaj-wanu, kde se soustředí velká část světové výroby počítačových komponent.

Rozměry základních desek (Form Factor)

Form factor určuje fyzické rozměry základní desky, rozmístění montážních otvorů a počet slotů, které deska nabízí. Od něj se odvíjí i velikost skříně počítače, do které deska patří.

• ATX – standardní a nejrozšířenější formát (cca 305 × 244 mm). Nabízí nejvíce slotů pro rozšiřující karty i paměť, používá se ve stolních počítačích a pracovních stanicích.
• microATX (mATX) – zmenšená varianta ATX (cca 244 × 244 mm), se stejným rozmístěním montážních otvorů, ale s méně sloty. Vhodná pro menší, levnější sestavy.
• Mini-ITX – výrazně menší formát (170 × 170 mm), určený pro kompaktní počítače (HTPC, malé kancelářské sestavy). Nabízí obvykle jen jeden slot pro rozšiřující kartu.
• Nano-ITX – ještě menší formát (120 × 120 mm), používaný spíše ve vestavěných (embedded) systémech a tenkých klientech než v běžných počítačích.
• Pico-ITX – jeden z nejmenších běžně vyráběných formátů (100 × 72 mm), bez slotů pro rozšiřující karty. Používá se ve specializovaných zařízeních – průmyslových počítačích, kioscích, informačních panelech nebo IoT zařízeních.

Obecné pravidlo: čím menší formát desky, tím méně slotů (na paměť, grafické karty, disky) nabízí a tím kompaktnější, ale hůře rozšiřitelnou sestavu lze postavit.

Čipset na základní desce

Čipset (chipset) je sada obvodů na základní desce, která zajišťuje komunikaci mezi procesorem a ostatními komponentami počítače – řídí sběrnice, rozhoduje o přenosu dat mezi jednotlivými částmi systému a propojuje procesor s pomalejšími periferiemi.

Historie: North Bridge a South Bridge

Staršímu řešení (zhruba do konce roku 2008) se říká dvoučipová architektura a skládal se ze dvou obvodů:

• north Bridge (severní můstek) – umístěn blíže procesoru, staral se o rychlé komponenty: komunikaci s procesorem, operační pamětí (RAM) a grafickou kartou;
• south Bridge (jižní můstek) – staral se o pomalejší periferie: USB, SATA disky, síťové připojení, zvukovou kartu, BIOS apod.

Toto dělení vzniklo proto, že rychlé komponenty (paměť, grafika) potřebovaly co nejkratší a nejrychlejší cestu k procesoru, zatímco pomalejší periferie tuto rychlost nepotřebovaly.

Dnešní stav: sjednocení do procesoru a PCH

S postupem času výrobci integrovali funkce North Bridge přímo do procesoru:

• nejprve se do procesoru přesunul řadič paměti (memory controller) – u AMD zhruba od roku 2003, u Intelu od roku 2008 (Nehalem);
• později se do procesoru přesunul i řadič PCIe pro grafickou kartu a rychlé PCIe sloty.

Tím prakticky zanikla potřeba samostatného North Bridge – jeho úkoly dnes plní přímo procesor. Na základní desce tak zůstal už jen jediný čipset, u Intelu nazývaný PCH (Platform Controller Hub), který v podstatě odpovídá bývalému South Bridge a stará se o:

• USB porty
• SATA řadič (pevné disky, SSD)
• síťové rozhraní
• zvukový řadič
• dodatečné PCIe sloty (pro pomalejší karty)
• komunikaci s UEFI (BIOS)

U AMD se podobný jednočipový čipset označuje podle konkrétní řady (např. B550, X570, B650, X870 apod.).

Proč je čipset důležitý

Typ čipsetu na desce určuje i to, jaké funkce základní deska podporuje – například:

• kolik a jakých USB portů deska nabízí,
• zda podporuje přetaktování procesoru,
• kolik M.2/SATA disků lze připojit,
• jaké PCIe sloty a v jaké rychlosti jsou k dispozici.

Proto se stejný procesor dá kombinovat s deskami s různými čipsety, které se liší cenou i nabízenými funkcemi (např. u Intelu řady čipsetů H, B, Z, W, u AMD A, B, X).

Přehled úrovní čipsetů u výrobce Intel:

• H – základní řada, bez podpory přetaktování procesoru.
• B – středně vybavená řada, vhodná pro běžné uživatele i mírné nadšence.
• Z – nejvyšší spotřebitelská řada, podporuje přetaktování procesoru i paměti.
• W – určený pro profesionální pracovní stanice. Na rozdíl od H/B/Z podporuje:
  • procesory řady Intel Xeon W i běžné Core i5/i7/i9 ve stejné patici,
  • ECC paměť (paměť s korekcí chyb, snižuje riziko výpadků při náročných profesionálních výpočtech),
  • je typicky součástí certifikovaných pracovních stanic (např. HP Z, Dell Precision, Lenovo ThinkStation).

CMOS baterie na základní desce

Na základní desce najdeme malou kulatou baterii, obvykle typu CR2032 nebo CR2035. Tato baterie napájí paměť CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) i ve chvíli, kdy je počítač zcela vypnutý nebo odpojený od elektrické sítě.

Funkce CMOS baterie

• Ukládání data a času – udržuje v provozu reálné hodiny počítače (RTC – Real Time Clock), aby se datum a čas nemusely po každém vypnutí nastavovat znovu.
• Ukládání nastavení v UEFI (BIOS) – uchovává konfiguraci, kterou uživatel v UEFI/BIOSu nastaví (pořadí zavádění systému, nastavení hardwaru, přístupová hesla apod.).
• Logování POST – uchovává záznamy z Power-On Self-Test, tedy základního testu hardwaru, který proběhne při každém startu počítače ještě před samotným zavedením operačního systému.

Životnost a poznávací znaky vybité baterie

Baterie zpravidla vydrží 3–5 let provozu, poté je vhodné ji vyměnit. Vybitou nebo nefunkční CMOS baterii poznáte podle několika typických příznaků:

• Počítač zobrazuje nesprávné datum a čas po každém zapnutí (i po opětovném nastavení se hodnoty po vypnutí opět vrátí do chybného stavu).
• Nastavení v UEFI (BIOS) se po restartu vrací do továrního stavu – ztrácí se uživatelem provedená konfigurace.
• Při startu počítače zazní charakteristický zvukový signál (pípání), kterým základní deska upozorňuje na problém s CMOS pamětí.

Dobré vědět: Výměna CMOS baterie je jeden z nejjednodušších hardwarových zákroků – baterie je uložena v držáku podobném tomu u kulatých hodinkových baterií a stačí ji vyjmout a nahradit novou stejného typu.

Voltage Regulator Module

Voltage Regulator Module (VRM), někdy označovaný také jako PPM (Processor Power Module), je součást základní desky umístěná typicky v okolí patice procesoru.

Napájecí zdroj (PSU) dodává do počítače napětí ve standardizovaných hodnotách (např. 12 V, 5 V, 3,3 V). Procesor a čipset ale ke své činnosti potřebují napětí mnohem nižší a navíc velmi přesné a stabilní. Úkolem VRM je proto:

• převést dostupné napětí ze zdroje na výrazně nižší hodnotu potřebnou pro procesor (typicky kolem 1,32 V, konkrétní hodnota se liší podle modelu procesoru);
• stabilizovat toto napětí tak, aby zůstalo konstantní i při rychlých změnách zátěže procesoru (např. při zvýšení výkonu pod zátěží);
• regulovat napětí i pro čipset základní desky, který rovněž potřebuje jinou hodnotu než ta, kterou dodává zdroj.

Proč je to důležité: Moderní procesory jsou na přesnost napájecího napětí velmi citlivé – příliš nízké napětí způsobuje nestabilitu a pády systému, příliš vysoké může procesor poškodit nebo zkrátit jeho životnost. Kvalitní VRM proto přímo ovlivňuje stabilitu a životnost celé sestavy, zejména při vyšším výkonu nebo přetaktování.

VRM se skládá z několika elektronických součástek – řadičů (kontrolérů), tranzistorů (MOSFETů), cívek a kondenzátorů, které společně napětí přeměňují a vyhlazují. Počet těchto fází (tzv. napájecích fází) bývá u výkonnějších desek vyšší, což zajišťuje stabilnější a přesnější napájení procesoru.

CPU Sockety

Socket (patice) je konektor na základní desce, do kterého se vkládá procesor. Typ patice musí přesně odpovídat typu procesoru – nelze tedy libovolně kombinovat jakýkoli procesor s jakoukoli základní deskou. Patice se zásadně liší podle výrobce procesoru, přičemž Intel a AMD dlouhodobě používají odlišné konstrukční řešení.

LGA – Intel (a AMD od AM5)

LGA (Land Grid Array) je typ patice, který používá Intel, od vydání patice AM5 (procesory Ryzen 7000 a novější) také AMD. Charakteristickým rysem je, že kontaktní piny (nožičky nebo kolíčky) jsou umístěny přímo na základní desce, nikoliv na procesoru. Samotný procesor má na spodní straně pouze ploché kontaktní plošky.

• Procesor se do patice pouze položí a přitlačí kovovou přítlačnou pákou/rámečkem.
• Piny na desce jsou tenké a při neopatrné manipulaci (např. při vkládání procesoru) se mohou snadno ohnout nebo poškodit.
• Příklady: LGA 1700, LGA 1200 a další – označení čísla obvykle udává počet kontaktů.

PGA – AMD (do AM4)

PGA (Pin Grid Array) je typ patice, který dlouhodobě používalo AMD, naposledy u patice AM4. Zde tomu bylo naopak – piny byly umístěny přímo na spodní straně procesoru, zatímco patice na desce obsahovala jen odpovídající otvory (dírky).

• Procesor se do patice zasouvá – piny procesoru zapadají do otvorů v patici.
• Riziko ohnutí pinů hrozí spíše na straně procesoru, proto je nutná opatrnost při vkládání i vyjímání.
• Příklad: patice AM4 používaná u řady procesorů AMD Ryzen.

Pozor při manipulaci: Ať už pracujete s LGA, nebo PGA paticí, procesor vždy vkládejte kolmo a bez použití síly – správná poloha je vždy jednoznačně dána zářezem nebo značkou (zlatým trojúhelníkem) na rohu procesoru, který musí odpovídat značce na patici.

Paměťové banky (sloty pro RAM)

Paměťové sloty slouží k připojení RAM (operační paměti) k základní desce.

• Ve stolních počítačích bývají zpravidla 4 sloty.
• V noteboocích se častěji setkáte pouze se 2 sloty (kvůli menšímu prostoru uvnitř těla notebooku).

Typy paměťových modulů

• SIMM (Single In-line Memory Module) – historický typ, dnes se již nepoužívá.
• DIMM (Dual In-line Memory Module) – standard pro stolní počítače, šířka 64 bitů.
• SO-DIMM (Small Outline DIMM) – zmenšená varianta DIMM určená pro notebooky, rovněž šířka 64 bitů.

Generace paměti DDR (Double Data Rate)

DDR4

• Na trhu od roku 2014
• Napájecí napětí 1,2 V
• Minimální časování CL12
• Frekvence 2133 – 4266 MHz

DDR5

• Na trhu od roku 2020
• Napájecí napětí 1,1 V
• Frekvence 4800 a více MHz

Nejrychlejší DDR5 paměti pracující běžně na frekvenci 8000 a více MHz se potýkaly s problémem, kdy taktování generované procesorem je už příliš náchylné na rušení a šum. Výsledkem jsou tedy novější paměti typu CUDIMM (Clocked Unbuffered DIMM), které obsahují malý čip Clock Driver, který vezme hodinový signál z procesoru a přímo v paměti jej pak čistí a stabilizuje a teprve poté pustí do paměťové části RAM modulu.

Sběrnice na základní desce

Sběrnice (bus) je skupina vodičů, která slouží k propojení a vzájemné komunikaci jednotlivých obvodů na základní desce a přídavných karet. Činnost na sběrnicích řídí čipová sada (chipset).

Části sběrnice

Sběrnici tvoří tři funkčně odlišné části:

• Adresová (Address bus) – přenáší adresy z procesoru do ostatních komponent (určuje, kam nebo odkud se má komunikovat).
• Datová (Data bus) – přenáší samotná data mezi procesorem a ostatními komponentami.
• Řídicí (Control bus) – přenáší řídicí signály z procesoru do ostatních komponent (určuje, jak má komunikace probíhat – např. čtení/zápis).

Charakteristiky sběrnice

Kvalitu a výkon sběrnice popisuje několik základních parametrů:

• Frekvence [Hz]
• Propustnost [bps]
• Šířka komunikace
• Sériová / paralelní komunikace
• Počet připojených zařízení

První generace (60. – 70. léta)

• ISA – paralelní 16bitová, asynchronní sběrnice. Z pohledu pozdějších paralelních technologií pomalá (synchronizace 8–10 MHz), šířka pásma 10 MB/s.

Druhá generace

• EISA, MCA, později PCI a PCI-X – paralelní synchronní sběrnice, přenosové rychlosti řádově jednotky GB/s.

Třetí generace

• PCI Express (PCIe) – sériová komunikace typu point-to-point (přímé spojení mezi dvěma zařízeními). Umožňuje použití více spojů zároveň, čímž se zvyšuje rychlost přenosu a šířka pásma. Do systémové sběrnice byla tímto vložena sériová komunikace namísto starší paralelní.

Sběrnice PCIe

PCIe je standardizovaná, vysoce efektivní a spolehlivá rozšiřovací sběrnice podporovaná několika počítačovými platformami (např. PC).

Existují 4 různé velikosti slotů, lišící se počtem pinů i fyzickou délkou:

Čím více pinů (vyšší násobek), tím více paralelních sériových spojů (tzv. lanes) slot obsahuje – a tím vyšší propustnost dat nabízí. Sloty x16 se používají typicky pro grafické karty, menší sloty pak pro síťové karty, zvukové karty apod.

Slot M.2 využívající sběrnici PCIe

• Slouží k připojení SSD disků.
• Dnes většinou využívá sběrnici PCIe, která je rychlejší než starší rozhraní SATA.
• Dříve byl znám pod označením Next Generation Form Factor (NGFF).
• Původně se objevoval především v noteboocích a menších zařízeních, dnes je běžnou součástí i desktopových základních desek.

Pozor! V prodeji se stále vyskytují i varianty M.2 disků využívající starší rozhraní SATA, které je pomalejší než PCIe. Při výběru SSD disku je proto potřeba ověřit, jaké rozhraní konkrétní model M.2 slotu na desce i samotný disk podporují – vzhledově se totiž oba typy disků téměř neliší.

Moderní výkonné SSD disky (zejména standardu PCIe 5.0) generují obrovské množství tepla. Proto moderní základní desky obsahují masivní hliníkové (pasivní) chladiče určené přímo pro zakrytí těchto M.2 slotů.