Bo mạch chủ

Thuật ngữ Bo mạch chủ thường được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp máy tính, mặc dù nhiều thiết bị khác cũng có thể được gọi là Bảng mạch chính. Bài viết này tập trung vào khái niệm Bo mạch chủ trong máy tính cá nhân.

Từ 'bo mạch chủ' trong tiếng Anh là motherboard hoặc mainboard, và thường được viết tắt là: mobo hoặc main.

Các thiết bị thường xuất hiện trên bo mạch chủ

Trong các thiết bị điện tử, Bo mạch chủ là bản mạch trung gian kết nối và giao tiếp giữa các linh kiện. Nói một cách chung, nó chính là mạch điện chính của hệ thống hay thiết bị điện tử.

Trên bo mạch chủ, nhiều thiết bị được gắn trực tiếp hoặc kết nối qua các cổng và dây dẫn. Phần này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về các thiết bị này, chi tiết về từng thiết bị có thể tìm thấy qua các liên kết đến các bài viết chuyên sâu.

• CPU (Bộ vi xử lý): Thành phần trung tâm của máy tính. CPU có thể được hàn trực tiếp lên bo mạch chủ hoặc lắp vào thông qua socket.
• RAM (Bộ nhớ):
• Chipset: Các vi mạch phụ kết nối CPU với bộ nhớ và các linh kiện khác.
• ROM chứa firmware, thường được gọi là BIOS.
• Khe cắm mở rộng cho phép kết nối các thiết bị như ổ đĩa, card màn hình, card mạng thông qua bus mở rộng.
• Các cổng kết nối như VGA/HDMI, USB, PS/2, cổng nối tiếp/song song, v.v.
• Đầu nối nguồn máy tính.

Các bộ phận ngoại vi thường được tích hợp trên bo mạch chủ gồm:

• GPU (Card đồ họa): Thường được tích hợp vào chipset hoặc CPU.
• Trình điều khiển ổ đĩa như PATA/IDE (cũ) hoặc SATA (mới hơn).
• Trình điều khiển mạng.

Cấu trúc của bo mạch chủ

Cấu trúc bo mạch chủ sử dụng CPU của Intel

Cấu trúc bo mạch chủ được mô tả cơ bản như sau:

CPU kết nối với Chipset cầu bắc (North Bridge), nơi mà chipset cầu bắc tương tác với RAM và card đồ họa. Đối với các máy tính cá nhân sử dụng bộ xử lý Intel trước năm 2007, CPU kết nối với RAM thông qua chipset cầu bắc. Chipset cầu bắc liên kết với chipset cầu nam qua bus nội bộ. Do nhiệm vụ xử lý nặng nề, chipset cầu bắc thường tỏa nhiều nhiệt, vì vậy bo mạch chủ thường trang bị các giải pháp tản nhiệt cho chúng.

Chipset cầu nam kết nối với các thành phần còn lại của hệ thống, bao gồm các thiết bị nhập/xuất (I/O) như khe mở rộng PCI, ổ cứng, ổ quang, USB, Ethernet, v.v.

Cấu trúc bo mạch chủ với CPU của AMD

Về cơ bản, cấu trúc bo mạch chủ cho CPU của AMD tương tự như cấu trúc cho CPU của Intel. Tuy nhiên, AMD và các hãng khác thường theo cấu trúc của Intel vì sự phát triển của máy tính cá nhân từ đầu đã dựa vào nền tảng của IBM - Intel. Sự khác biệt chính là một số bo mạch chủ cho CPU AMD có thể cho phép CPU giao tiếp trực tiếp với RAM, cải thiện hiệu suất so với cấu trúc bo mạch chủ Intel. Với thế hệ chipset X58/P5x/H5x, Intel đã giảm tải cho chipset cầu bắc bằng cách chuyển một số bus giao tiếp với RAM và VGA lên CPU.

Cấu tạo của bản mạch in trên bo mạch chủ

Bản mạch in của bo mạch chủ có cấu trúc đặc biệt so với các bản mạch in của thiết bị điện tử thông thường. Trong khi các bản mạch điện đơn giản thường có hai mặt để chứa các đường dẫn, bo mạch chủ cần phải thiết kế đặc biệt với nhiều lớp để giảm nhiễu giữa các đường dẫn hoạt động ở tần số khác nhau, điều này tạo ra sự khác biệt lớn trong thiết kế so với các bo mạch thông thường.

Bo mạch chủ thường có từ 3 đến 5 lớp (hoặc nhiều hơn), bao gồm hai lớp bề mặt và các lớp ở giữa chứa đường dẫn. Số lớp này giúp xử lý nhiều linh kiện và đường dẫn lớn trên bo mạch.

Ngoài việc gắn và dán linh kiện, bo mạch chủ còn được thiết kế để phân tán nhiệt từ các thiết bị nóng, giúp nhiệt được phân bố rộng rãi và làm mát bằng không khí. ASUS, một hãng phần cứng Đài Loan, nổi bật với khả năng thiết kế hệ thống tản nhiệt hiệu quả cho bo mạch chủ.

Hệ thống tản nhiệt trên bo mạch chủ

Vì bo mạch chủ chứa nhiều linh kiện có thể phát nhiệt, cả khi được gắn trực tiếp hay lắp vào, việc tản nhiệt trở nên rất quan trọng trong thiết kế của nó.

Các phương pháp tản nhiệt phổ biến trên bo mạch chủ bao gồm:

• Sử dụng các tấm tản nhiệt bằng nhôm hoặc đồng, hoạt động bằng cách phát tán nhiệt ra môi trường xung quanh hoặc nhờ luồng gió từ quạt CPU.
• Quạt tạo sự tản nhiệt cưỡng bức, mặc dù cách này ngày càng ít được sử dụng do rủi ro khi bo mạch chủ sử dụng lâu dài và quạt có thể bị hỏng, dẫn đến quá trình tản nhiệt không hiệu quả.
• Công nghệ ống truyền nhiệt liên kết các cụm cần tản nhiệt, chẳng hạn như Chipset cầu bắc, Chipset cầu nam, và các transistor điều chỉnh năng lượng cho CPU và bo mạch chủ.
• Tản nhiệt bằng nước với các hệ thống tản nhiệt gắn ngoài, thiết kế với các đầu cắm ống nước sẵn sàng.

Các linh kiện cần được tản nhiệt trên bo mạch chủ bao gồm:

• Chipset cầu bắc là phần quan trọng cần tản nhiệt, do phát ra nhiều nhiệt vì là cầu nối chính của hệ thống và hoạt động liên tục. Các bo mạch chủ tích hợp card đồ họa vào chipset cầu bắc sẽ sinh ra nhiều nhiệt hơn.
• Chipset cầu nam mới được chú ý đến tản nhiệt gần đây (trước đây thường không có tản nhiệt) do các tính năng mở rộng có thể làm nó hoạt động mạnh hơn và phát nhiệt nhiều hơn.
• Các transistor điều chỉnh nguồn cho bo mạch chủ và CPU: Một số bo mạch chủ thiết kế các tấm tản nhiệt cho transistor này, trong khi các bo mạch chủ cao cấp có thể sử dụng ống truyền nhiệt để liên kết với các hệ thống tản nhiệt khác.

Thiết kế độc quyền của các nhà sản xuất phần cứng

Các nhà sản xuất phần cứng thường xuyên thay đổi thiết kế của bo mạch chủ, vì vậy mỗi hãng có thể mang đến những cải tiến khác biệt so với các thiết kế truyền thống nhằm thu hút sự chú ý của khách hàng. Chính sự đổi mới này thúc đẩy công nghệ phát triển liên tục.

Những thay đổi trong thiết kế có thể bao gồm:

• Tăng số lượng khe cắm PCI-Express X16 lên 3-4 khe, cho phép sử dụng đồng thời từ 2-4 card đồ họa hỗ trợ công nghệ CrossFire.
• Phát triển các phương pháp tản nhiệt hiệu quả hơn.
• Hỗ trợ ép xung hệ thống.
• Thay thế các linh kiện truyền thống bằng linh kiện chất lượng cao hơn, chịu nhiệt tốt hơn, như việc sử dụng tụ rắn thay vì tụ hoá thông thường.

Các chuẩn bo mạch chủ phổ biến tính đến năm 2007

Chuẩn ATX

Chuẩn ATX hiện là tiêu chuẩn phổ biến nhất cho bo mạch chủ, được phát triển dựa trên các chuẩn cũ như Baby-AT và LPX với những cải tiến trong thiết kế. Nó bao gồm việc cập nhật đầu nối nguồn, tính năng quản lý năng lượng thông minh và thay đổi nút khởi động. Một điểm khác biệt quan trọng là sự tổ chức lại các cổng kết nối phía sau của hệ thống máy tính cá nhân, với khe cắm mở rộng ở dưới và cụm cổng vào/ra (I/O connector panel) ở trên đối với vỏ máy tính dạng đứng.

Hình ảnh đầu tiên trong bài viết này minh họa một bo mạch chủ theo chuẩn ATX.

Đầu nối nguồn cho bo mạch chủ theo chuẩn ATX:

Đầu nối nguồn cho bo mạch chủ theo chuẩn ATX có hai loại: 20 chân và 24 chân.

Hình trên: Đầu nối 24 chân cung cấp điện cho bo mạch chủ; hình dưới: Đầu nối cung cấp nguồn +12V cho CPU.

Đầu nối 20 chân và 24 chân chỉ khác nhau ở 4 chân dưới cùng. Nếu bỏ các chân 11, 12, 23, 24 (theo quy ước như hình), đầu nối 24 chân sẽ trở thành đầu nối 20 chân. Vì vậy, nhiều nguồn máy tính thiết kế đầu cắm 20+4 chân để phù hợp với cả hai loại bo mạch chủ.

Thay đổi nút Power so với các chuẩn cũ:

Nút Power trong các chuẩn cũ hoạt động như một công tắc đơn giản, giống như công tắc bật đèn trong gia đình, điều này giúp phân biệt dễ dàng giữa chuẩn ATX và các chuẩn cũ. Trong chuẩn ATX, nút Power trên vỏ máy tính là một nút nhấn mềm, tự động trở về trạng thái ban đầu sau khi nhấn. Nút này có thể được tùy biến thành các chức năng khác nhau khi máy tính đã khởi động, như Stand by, Hibernate, hoặc Shutdown.

Chuẩn BTX

Chuẩn BTX là một chuẩn mới, thường được sử dụng cho các hệ thống máy tính cá nhân cao cấp. Điểm nổi bật của bo mạch chủ theo chuẩn này là việc sắp xếp lại các linh kiện trên bo mạch để tối ưu hóa lưu thông không khí trong thùng máy.

CPU được đặt gần phía trước của thùng máy, kết hợp với quạt tản nhiệt kiểu thổi ngang (song song với bo mạch chủ), lấy gió từ phía mặt trước của vỏ máy (thiết kế với lưới thông thoáng). Cách thiết kế này cải thiện hiệu quả so với chuẩn ATX, giúp CPU không phải đối mặt với luồng gió luẩn quẩn, nếu vỏ máy không được thiết kế thông thoáng hoặc định hướng gió hợp lý theo chuẩn 38°.

Luồng gió đầu vào, sau khi làm mát CPU, tiếp tục làm mát bo mạch đồ hoạ. Một phần gió sẽ thoát ra phía sau qua quạt thông gió của vỏ máy, phần còn lại qua RAM và thoát ra ngoài qua nguồn máy tính.

Kết nối nguồn của chuẩn BTX không khác biệt so với chuẩn ATX 24 chân.

Chuẩn BTX hiện chưa phổ biến rộng rãi, vì vậy các nhà sản xuất phần cứng vẫn chưa sản xuất nhiều bo mạch chủ theo chuẩn này.

Các chuẩn kích thước của bo mạch chủ

Kích thước bo mạch chủ được chuẩn hoá để đảm bảo sự tương thích với các loại vỏ máy tính khác nhau.

Các loại kích thước bo mạch chủ bao gồm:

Các chuẩn cổ điển trước đây

• Baby-AT: 216 mm × 254–330 mm
• Full-size AT: 305 mm × 279–330 mm
• LPX: 229 mm × 279–330 mm
• WTX: 355.6 mm × 425.4 mm
• ITX: 215 mm × 191 mm

Các chuẩn kích thước hiện hành

• BTX: 305 x 272 mm
• microBTX: 264 x 267 mm
• pico BTX: 203 x 267 mm
• ATX: 305 x 244 mm
• mini ATX: 284 x 208 mm
• microATX: 244 x 220 mm
• flexATX: 229 x 191 mm
• Mini-ITX: 170 x 170 mm

Kích thước không theo chuẩn chung

Trong một số tình huống, các nhà sản xuất máy tính có thể tạo ra các bo mạch chủ với kích thước độc quyền của riêng họ. Những bo mạch này thường chỉ được sử dụng trong các máy tính đồng bộ và không được bán lẻ trên thị trường.

Kết nối phổ biến

Các công ty sản xuất bo mạch chủ

Danh sách các nhà sản xuất bo mạch chủ bao gồm:

• Cổng kết nối điện
• Cổng đầu vào
• Cổng máy tính
• Cổng PCI (Peripheral Component Interconnect)
• Khe cắm mở rộng
• Khe cắm PCI
• Accelerated Graphics Port: Khe cắm đặc biệt dành cho bo mạch đồ họa
• Card mở rộng
• Bo mạch đơn cho máy tính
• Nguồn chuyển mạch
• Bo mạch đồ họa
• Danh sách nhà sản xuất phần cứng máy tính

{{Thể loại:Máy tính}}