Hauptplatine
Eine Hauptplatine (auch Mainboard, Main Circuit Board, mb, mboard, Backplane Board, Base Board, System Board, Logic Board (nur bei Apple-Computern) oder Mobo genannt) ist die wichtigste Leiterplatte (PCB) in Allzweckcomputern und anderen erweiterbaren Systemen. Sie enthält und ermöglicht die Kommunikation zwischen vielen der wichtigsten elektronischen Komponenten eines Systems, wie der Zentraleinheit (CPU) und dem Speicher, und bietet Anschlüsse für andere Peripheriegeräte. Im Gegensatz zu einer Rückwandplatine enthält eine Hauptplatine in der Regel wichtige Untersysteme, wie den Zentralprozessor, die Eingangs-/Ausgangs- und Speichercontroller des Chipsatzes, Schnittstellenanschlüsse und andere Komponenten, die für den allgemeinen Gebrauch integriert sind. ⓘ
Unter Motherboard versteht man insbesondere eine Leiterplatte mit Erweiterungsmöglichkeiten. Wie der Name schon sagt, wird diese Platine oft als "Mutter" aller daran angeschlossenen Komponenten bezeichnet, zu denen oft Peripheriegeräte, Schnittstellenkarten und Tochterplatinen gehören: Soundkarten, Videokarten, Netzwerkkarten, Host-Bus-Adapter, TV-Tunerkarten, IEEE-1394-Karten und eine Vielzahl anderer kundenspezifischer Komponenten. ⓘ
In ähnlicher Weise beschreibt der Begriff Hauptplatine ein Gerät mit einer einzigen Platine und ohne zusätzliche Erweiterungen oder Fähigkeiten, wie z. B. Steuerplatinen in Laserdruckern, Fernsehgeräten, Waschmaschinen, Mobiltelefonen und anderen eingebetteten Systemen mit begrenzten Erweiterungsmöglichkeiten. ⓘ
Die Hauptplatine (englisch Mainboard; auch Motherboard oder system board, im Apple-Umfeld Logicboard) ist die zentrale Platine eines Computers. In diesem Artikel geht es zwar ausschließlich um Personal Computer, allerdings wird der Begriff Hauptplatine auch in vielen modernen Geräten der Unterhaltungselektronik, mobilen Geräten, wie z. B. Smartphones, Tablet-Computer oder sonstigen Beispielen für die Verwendung eines System-on-a-Chip gebraucht. Auf ihr sind die einzelnen Bauteile wie Prozessorsockel, RAM-Steckplätze, der BIOS-Chip mit der integrierten Firmware, Schnittstellen-Bausteine und Steckplätze für Erweiterungskarten montiert; die dafür notwendigen Leiterbahnen sind auf mehrere Lagen (Layer) aufgeteilt. ⓘ
Geschichte
Vor der Erfindung des Mikroprozessors bestand der Digitalcomputer aus mehreren Leiterplatten in einem Gehäuse, deren Komponenten über eine Backplane, eine Reihe miteinander verbundener Buchsen, verbunden waren. In sehr alten Entwürfen bildeten Kupferdrähte die diskreten Verbindungen zwischen den Steckerstiften der Karten, aber schon bald setzten sich gedruckte Leiterplatten als Standard durch. Die Zentraleinheit (CPU), der Speicher und die Peripheriegeräte waren auf einzelnen Leiterplatten untergebracht, die in die Backplane gesteckt wurden. Der allgegenwärtige S-100-Bus aus den 1970er Jahren ist ein Beispiel für diese Art von Backplane-System. ⓘ
Die populärsten Computer der 1980er Jahre wie der Apple II und der IBM PC verfügten über veröffentlichte Schaltpläne und andere Dokumentationen, die ein schnelles Reverse-Engineering und den Austausch von Hauptplatinen durch Dritte ermöglichten. Viele Motherboards, die in der Regel für den Bau neuer, mit den Vorbildern kompatibler Computer bestimmt waren, boten zusätzliche Leistung oder andere Funktionen und wurden zur Aufrüstung der Originalgeräte des Herstellers verwendet. ⓘ
In den späten 1980er und frühen 1990er Jahren wurde es wirtschaftlich, immer mehr Peripheriefunktionen auf die Hauptplatine zu verlagern. In den späten 1980er Jahren begannen die Hauptplatinen von Personalcomputern, einzelne ICs (auch Super-I/O-Chips genannt) zu enthalten, die eine Reihe von Peripheriegeräten mit niedriger Geschwindigkeit unterstützen konnten: PS/2-Tastatur und -Maus, Diskettenlaufwerk, serielle Schnittstellen und parallele Schnittstellen. In den späten 1990er Jahren enthielten viele Hauptplatinen von Personalcomputern eingebettete Audio-, Video-, Speicher- und Netzwerkfunktionen, ohne dass Erweiterungskarten erforderlich waren; höherwertige Systeme für 3D-Spiele und Computergrafik enthielten in der Regel nur die Grafikkarte als separate Komponente. Bei Business-PCs, Workstations und Servern war es wahrscheinlicher, dass Erweiterungskarten benötigt wurden, entweder für robustere Funktionen oder für höhere Geschwindigkeiten; diese Systeme hatten oft weniger integrierte Komponenten. ⓘ
In Laptops und Notebooks, die in den 1990er Jahren entwickelt wurden, waren die gängigsten Peripheriegeräte integriert. Dazu gehörten sogar Hauptplatinen ohne aufrüstbare Komponenten, ein Trend, der sich mit der Einführung kleinerer Systeme nach der Jahrtausendwende (wie Tablet-Computer und Netbooks) fortsetzen sollte. Arbeitsspeicher, Prozessoren, Netzwerk-Controller, Stromquelle und Speicher wurden in einige Systeme integriert. ⓘ
Entwurf
Eine Hauptplatine stellt die elektrischen Verbindungen her, über die die anderen Komponenten des Systems kommunizieren. Im Gegensatz zu einer Rückwandplatine enthält sie auch die zentrale Verarbeitungseinheit und beherbergt andere Subsysteme und Geräte. ⓘ
Bei einem typischen Desktop-Computer sind der Mikroprozessor, der Hauptspeicher und andere wichtige Komponenten mit der Hauptplatine verbunden. Andere Komponenten wie externe Speichermedien, Controller für Bild und Ton sowie Peripheriegeräte können als Steckkarten oder über Kabel an die Hauptplatine angeschlossen werden; bei modernen Mikrocomputern ist es zunehmend üblich, einige dieser Peripheriegeräte in die Hauptplatine selbst zu integrieren. ⓘ
Ein wichtiger Bestandteil der Hauptplatine ist der Chipsatz des Mikroprozessors, der die Schnittstellen zwischen der CPU und den verschiedenen Bussen und externen Komponenten bereitstellt. Dieser Chipsatz bestimmt in gewissem Maße die Merkmale und Fähigkeiten der Hauptplatine. ⓘ
Moderne Hauptplatinen umfassen:
- CPU-Sockel (oder CPU-Steckplätze), in denen ein oder mehrere Mikroprozessoren installiert werden können. Bei CPUs in Ball-Grid-Array-Gehäusen, wie dem VIA Nano und dem Goldmont Plus, ist die CPU direkt auf die Hauptplatine gelötet.
- Speichersteckplätze, in die der Hauptspeicher des Systems eingebaut wird, üblicherweise in Form von DIMM-Modulen mit DRAM-Chips, können DDR3, DDR4, DDR5 oder Onboard-LPDDRx sein.
- Der Chipsatz, der die Schnittstelle zwischen der CPU, dem Hauptspeicher und den Peripheriebussen bildet
- Nichtflüchtige Speicherchips (in der Regel Flash-ROM in modernen Motherboards), die die Firmware oder das BIOS des Systems enthalten
- Der Taktgenerator, der das Systemtaktsignal zur Synchronisierung der verschiedenen Komponenten erzeugt
- Steckplätze für Erweiterungskarten (die Schnittstelle zum System über die vom Chipsatz unterstützten Busse)
- Stromanschlüsse, die den Strom vom Computernetzteil aufnehmen und ihn an die CPU, den Chipsatz, den Hauptspeicher und die Erweiterungskarten weiterleiten. Seit 2007 benötigen einige Grafikkarten (z. B. GeForce 8 und Radeon R600) mehr Strom, als die Hauptplatine liefern kann, und daher wurden spezielle Anschlüsse eingeführt, um sie direkt an die Stromversorgung anzuschließen
- Anschlüsse für Festplattenlaufwerke, optische Laufwerke oder Solid-State-Laufwerke, jetzt typischerweise SATA und NVMe. ⓘ
Darüber hinaus enthalten fast alle Hauptplatinen Logik und Anschlüsse zur Unterstützung häufig verwendeter Eingabegeräte, wie USB für Mäuse und Tastaturen. Frühe Personal Computer wie der Apple II oder der IBM PC enthielten nur diese minimale Peripherieunterstützung auf der Hauptplatine. Gelegentlich wurde auch Videoschnittstellen-Hardware in die Hauptplatine integriert, z. B. beim Apple II und selten bei IBM-kompatiblen Computern wie dem IBM PC Jr. Zusätzliche Peripheriegeräte wie Festplattencontroller und serielle Schnittstellen wurden als Erweiterungskarten bereitgestellt. ⓘ
Angesichts der hohen thermischen Leistung von Hochgeschwindigkeits-Computer-CPUs und -Komponenten sind moderne Hauptplatinen fast immer mit Kühlkörpern und Befestigungspunkten für Lüfter ausgestattet, um überschüssige Wärme abzuführen. ⓘ
Formfaktor
Hauptplatinen werden in einer Vielzahl von Größen und Formen, den so genannten Formfaktoren, hergestellt, von denen einige spezifisch für einzelne Computerhersteller sind. Die in IBM-kompatiblen Systemen verwendeten Hauptplatinen sind jedoch so konzipiert, dass sie in verschiedene Gehäusegrößen passen. Seit 2005 verwenden die meisten Hauptplatinen von Desktop-Computern den ATX-Standardformfaktor - auch die von Macintosh- und Sun-Computern, die nicht aus handelsüblichen Komponenten hergestellt werden. Der Formfaktor der Hauptplatine und des Netzteils eines Gehäuses muss übereinstimmen, obwohl einige Hauptplatinen mit kleinerem Formfaktor aus derselben Familie auch in größere Gehäuse passen. So passt in ein ATX-Gehäuse in der Regel auch eine microATX-Hauptplatine. In Laptop-Computern werden in der Regel hochintegrierte, miniaturisierte und maßgeschneiderte Hauptplatinen verwendet. Dies ist einer der Gründe, warum Laptops schwer aufzurüsten und teuer zu reparieren sind. Oft erfordert der Ausfall einer Laptop-Komponente den Austausch der gesamten Hauptplatine, was in der Regel teurer ist als bei einer Desktop-Hauptplatine. ⓘ
CPU-Sockel
Ein CPU-Sockel (Central Processing Unit) oder Steckplatz ist ein elektrisches Bauteil, das an einer Leiterplatte (PCB) befestigt wird und zur Aufnahme einer CPU (auch Mikroprozessor genannt) bestimmt ist. Es handelt sich um eine spezielle Art von Sockel für integrierte Schaltungen, der für eine sehr hohe Anzahl von Pins ausgelegt ist. Ein CPU-Sockel hat viele Funktionen, darunter eine physische Struktur zur Aufnahme der CPU, die Aufnahme eines Kühlkörpers, die Erleichterung des Austauschs (sowie eine Kostenreduzierung) und vor allem die Bildung einer elektrischen Schnittstelle sowohl mit der CPU als auch mit der Leiterplatte. CPU-Sockel auf der Hauptplatine sind in den meisten Desktop- und Server-Computern zu finden (Laptops verwenden in der Regel oberflächenmontierte CPUs), insbesondere in solchen, die auf der x86-Architektur von Intel basieren. Der CPU-Sockeltyp und der Chipsatz der Hauptplatine müssen die CPU-Serie und die Geschwindigkeit unterstützen. ⓘ
Integrierte Peripheriegeräte
Da die Kosten und die Größe der integrierten Schaltkreise immer weiter sinken, ist es heute möglich, viele Peripheriegeräte auf der Hauptplatine zu integrieren. Durch die Kombination vieler Funktionen auf einer Platine können die physische Größe und die Gesamtkosten des Systems reduziert werden; hochintegrierte Hauptplatinen sind daher besonders beliebt bei Computern mit kleinem Formfaktor und bei preiswerten Computern.
- Festplattencontroller für SATA-Laufwerke und historische PATA-Laufwerke.
- Historischer Floppy-Disk-Controller
- integrierter Grafikcontroller, der 2D- und 3D-Grafiken unterstützt, mit VGA-, DVI-, HDMI-, DisplayPort- und TV-Ausgang
- integrierte Soundkarte, die 8-Kanal (7.1) Audio und S/PDIF-Ausgang unterstützt
- Ethernet-Netzwerk-Controller für den Anschluss an ein LAN und für den Internet-Empfang
- USB-Controller
- Controller für drahtlose Netzwerkschnittstelle
- Bluetooth-Steuerung
- Temperatur-, Spannungs- und Lüftergeschwindigkeitssensoren, die es der Software ermöglichen, den Zustand der Computerkomponenten zu überwachen. ⓘ
Steckplätze für Peripheriekarten
Ein typisches Motherboard hat je nach Standard und Formfaktor eine unterschiedliche Anzahl von Anschlüssen. ⓘ
Ein modernes Standard-ATX-Motherboard verfügt in der Regel über zwei oder drei PCI-Express-x16-Anschlüsse für eine Grafikkarte, einen oder zwei herkömmliche PCI-Steckplätze für verschiedene Erweiterungskarten und einen oder zwei PCI-E-x1-Steckplätze (die den PCI-Standard abgelöst haben). Ein Standard-EATX-Motherboard hat zwei bis vier PCI-E x16-Anschlüsse für Grafikkarten und eine unterschiedliche Anzahl von PCI- und PCI-E x1-Steckplätzen. Manchmal ist auch ein PCI-E x4-Steckplatz vorhanden (je nach Marke und Modell unterschiedlich). ⓘ
Einige Hauptplatinen haben zwei oder mehr PCI-E x16-Steckplätze, um mehr als zwei Monitore ohne spezielle Hardware zu ermöglichen, oder verwenden eine spezielle Grafiktechnologie namens SLI (für Nvidia) und Crossfire (für AMD). Damit können 2 bis 4 Grafikkarten miteinander verbunden werden, um eine bessere Leistung bei intensiven grafischen Aufgaben wie Spielen, Videobearbeitung usw. zu erzielen. ⓘ
Bei neueren Hauptplatinen sind die M.2-Steckplätze für SSD und/oder drahtlose Netzwerkschnittstellen-Controller vorgesehen. ⓘ
Temperatur und Zuverlässigkeit
Hauptplatinen sind in der Regel luftgekühlt, wobei die Kühlkörper bei modernen Hauptplatinen oft auf größeren Chips angebracht sind. Eine unzureichende oder unsachgemäße Kühlung kann zu Schäden an den internen Komponenten des Computers führen oder ihn zum Absturz bringen. Bis in die späten 1990er Jahre reichte für viele CPUs von Desktop-Computern eine passive Kühlung oder ein einzelner Lüfter, der auf dem Netzteil montiert war, aus; seitdem sind aufgrund der steigenden Taktraten und des höheren Stromverbrauchs für die meisten CPU-Lüfter erforderlich, die auf Kühlkörpern montiert sind. Die meisten Hauptplatinen haben Anschlüsse für zusätzliche Computerlüfter und integrierte Temperatursensoren zur Erfassung der Hauptplatinen- und CPU-Temperaturen sowie steuerbare Lüfteranschlüsse, über die das BIOS oder das Betriebssystem die Lüftergeschwindigkeit regeln kann. Alternativ können Computer anstelle vieler Lüfter auch ein Wasserkühlungssystem verwenden. ⓘ
Einige Computer mit kleinem Formfaktor und Heimkino-PCs, die auf einen leisen und energieeffizienten Betrieb ausgelegt sind, sind lüfterlos. Dies erfordert in der Regel die Verwendung einer stromsparenden CPU sowie ein sorgfältiges Layout der Hauptplatine und anderer Komponenten, um die Platzierung von Kühlkörpern zu ermöglichen. ⓘ
Eine Studie aus dem Jahr 2003 ergab, dass einige ungewollte Computerabstürze und allgemeine Zuverlässigkeitsprobleme, die von Bildverzerrungen auf dem Bildschirm bis hin zu E/A-Lese-/Schreibfehlern reichen, nicht auf Software oder periphere Hardware, sondern auf alternde Kondensatoren auf PC-Hauptplatinen zurückgeführt werden können. Letztlich wurde nachgewiesen, dass dies das Ergebnis einer fehlerhaften Elektrolytformulierung ist, ein Problem, das als Kondensatorpest bezeichnet wird. ⓘ
Moderne Hauptplatinen verwenden Elektrolytkondensatoren, um die auf der Platine verteilte Gleichspannung zu filtern. Diese Kondensatoren altern temperaturabhängig, da ihre wasserbasierten Elektrolyte langsam verdampfen. Dies kann zu einem Kapazitätsverlust und in der Folge zu Fehlfunktionen des Motherboards aufgrund von Spannungsinstabilitäten führen. Während die meisten Kondensatoren für 2000 Betriebsstunden bei 105 °C (221 °F) ausgelegt sind, verdoppelt sich ihre erwartete Lebensdauer ungefähr für jede 10 °C (18 °F) darunter. Bei 65 °C (149 °F) kann mit einer Lebensdauer von 3 bis 4 Jahren gerechnet werden. Viele Hersteller liefern jedoch minderwertige Kondensatoren, die die Lebenserwartung erheblich verringern. Unzureichende Gehäusekühlung und erhöhte Temperaturen um den CPU-Sockel herum verschärfen dieses Problem noch. Mit Top-Lüftern können die Motherboard-Komponenten unter 95 °C gehalten werden, wodurch sich die Lebensdauer des Motherboards effektiv verdoppelt. ⓘ
Mittelklasse- und High-End-Motherboards hingegen verwenden ausschließlich Feststoffkondensatoren. Für jede 10 °C weniger verdreifacht sich ihre durchschnittliche Lebensdauer, was zu einer 6-fachen Lebenserwartung bei 65 °C (149 °F) führt. Diese Kondensatoren können für 5000, 10000 oder 12000 Betriebsstunden bei 105 °C (221 °F) ausgelegt sein, was die prognostizierte Lebensdauer im Vergleich zu Standard-Feststoffkondensatoren verlängert. ⓘ
In Desktop-PCs und Notebooks basieren die Kühlungs- und Überwachungslösungen für die Hauptplatine normalerweise auf Super I/O oder Embedded Controller. ⓘ
Bootstrapping
Motherboards enthalten ein ROM (und später EPROM, EEPROM, NOR-Flash), um Hardwaregeräte zu initialisieren und ein Betriebssystem von einem Peripheriegerät zu laden. Mikrocomputer wie der Apple II und der IBM PC verwendeten ROM-Chips, die in Sockeln auf der Hauptplatine montiert waren. Beim Einschalten lud die zentrale Prozessoreinheit ihren Programmzähler mit der Adresse des Boot-ROMs und begann mit der Ausführung von Befehlen aus dem Boot-ROM. Diese Befehle initialisierten und testeten die Systemhardware, zeigten Systeminformationen auf dem Bildschirm an, führten RAM-Prüfungen durch und luden dann ein Betriebssystem von einem Peripheriegerät. Wenn kein Betriebssystem verfügbar war, führte der Computer Aufgaben aus anderen ROM-Speichern aus oder zeigte eine Fehlermeldung an, je nach Modell und Design des Computers. So verfügten beispielsweise sowohl der Apple II als auch der ursprüngliche IBM PC über Cassette BASIC (ROM BASIC) und starteten dieses, wenn kein Betriebssystem von der Diskette oder Festplatte geladen werden konnte. ⓘ
Die meisten modernen Hauptplatinen verwenden ein BIOS, das in einem EEPROM- oder NOR-Flash-Chip gespeichert ist, der auf die Hauptplatine gelötet oder gesockelt ist, um ein Betriebssystem zu starten. Wenn der Computer eingeschaltet wird, testet und konfiguriert die BIOS-Firmware Speicher, Schaltkreise und Peripheriegeräte. Dieser Selbsttest beim Einschalten (Power-On Self Test, POST) kann einige der folgenden Dinge testen:
- Grafikkarte
- In Steckplätze eingesetzte Erweiterungskarten, z. B. herkömmliche PCI- und PCI-Express-Karten
- Historisches Diskettenlaufwerk
- Temperaturen, Spannungen und Lüftergeschwindigkeiten zur Hardware-Überwachung
- CMOS-Speicher, der zum Speichern der BIOS-Konfiguration verwendet wird
- Tastatur und Maus
- Soundkarte
- Netzwerkkarte
- Optische Laufwerke: CD-ROM oder DVD-ROM
- Festplattenlaufwerk und Solid State Drive
- Sicherheitsgeräte, wie z. B. ein Fingerabdrucklesegerät
- USB-Geräte, wie z. B. ein USB-Massenspeichergerät ⓘ
Viele Hauptplatinen verwenden jetzt einen Nachfolger des BIOS, der UEFI genannt wird. Es wurde populär, nachdem Microsoft anfing, es für ein System zu verlangen, um für die Ausführung von Windows 8 zertifiziert zu werden. ⓘ
Bauformen
Formate
Das Format der Hauptplatinen wird nach dem Formfaktor unterschieden. Mit dem IBM PC AT wurde 1984 zunächst das AT-Format eingeführt. Seit 1995 ist das ATX-Format aktuell. Es löste das AT-Format ab und brachte diverse Umstellungen an Gehäusen und Netzteilen mit sich. Es existieren diverse Variationen von ATX und AT, um auch kompaktere Geräte ohne proprietäre Formate bestücken zu können, etwa Baby-AT oder µATX. Mini-ITX, Flex-ATX und Micro-ATX passen in ATX-Gehäuse. Steckplätze, Schrauben und das Fenster für I/O-Shield befinden sich an einheitlichen oder derselben Position. Das ATX-Format sollte ab 2003 durch das damit inkompatible BTX-Format abgelöst werden, BTX konnte sich aber nicht durchsetzen und verschwand 2007 vom Markt. Im Vergleich zu BTX sind bei ATX die Plätze für die Steckkarten an der anderen Seite der Hauptplatine angeordnet. Aus diesem Grund befindet sich die Hauptplatine im Gehäuse an der anderen Seitenwand. Bei senkrecht eingebauten Hauptplatinen wirkte sich dies auf die Lage der Kühlkörper von Steckkarten aus. ⓘ
AMD kündigte Anfang September 2007 das DTX-Format an, das für sparsame Benutzer gedacht ist, da es kleiner und zum größten Teil ATX-kompatibel ist. ⓘ