اللوحة الأم

تُصنع اللوحات الأم بأحجام وأشكال متنوعة تُعرف باسم عوامل الشكل ، بعضها خاص بمصنّعي أجهزة الكمبيوتر. مع ذلك، صُممت اللوحات الأم المستخدمة في الأنظمة المتوافقة مع IBM لتناسب أحجامًا مختلفة من هياكل الكمبيوتر . اعتبارًا من عام 2024تستخدم معظم لوحات الأم لأجهزة الكمبيوتر المكتبية معيار ATX ، حتى تلك الموجودة في أجهزة ماكنتوش وسن ، والتي لم تُصنع من مكونات قياسية. يجب أن يتطابق شكل لوحة الأم ووحدة تزويد الطاقة (PSU) داخل هيكل الجهاز ، مع العلم أن بعض لوحات الأم الأصغر حجمًا من نفس الفئة قد تتناسب مع هياكل أكبر. على سبيل المثال، عادةً ما يتسع هيكل ATX للوحة أم microATX . تستخدم أجهزة الكمبيوتر المحمولة عمومًا لوحات أم متكاملة للغاية، ومصغرة، وقابلة للتخصيص. وهذا أحد أسباب صعوبة ترقية أجهزة الكمبيوتر المحمولة وارتفاع تكلفة إصلاحها. غالبًا ما يتطلب تعطل أحد مكونات الكمبيوتر المحمول استبدال لوحة الأم بالكامل، وهو ما يكون عادةً أغلى من لوحة أم الكمبيوتر المكتبي.

مقبس وحدة المعالجة المركزية ( CPU ) أو فتحة وحدة المعالجة المركزية هو مكون كهربائي يُركّب على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) ومصمم لاستيعاب وحدة المعالجة المركزية (المعروفة أيضًا باسم المعالج الدقيق). وهو نوع خاص من مقابس الدوائر المتكاملة مصمم لعدد كبير جدًا من الأطراف. يوفر مقبس وحدة المعالجة المركزية العديد من الوظائف، بما في ذلك بنية مادية لدعم وحدة المعالجة المركزية، ودعم مشتت حراري، وتسهيل الاستبدال (بالإضافة إلى تقليل التكلفة)، والأهم من ذلك، تشكيل واجهة كهربائية مع كل من وحدة المعالجة المركزية ولوحة الدوائر المطبوعة. توجد مقابس وحدة المعالجة المركزية على اللوحة الأم في معظم أجهزة الكمبيوتر المكتبية والخوادم (تستخدم أجهزة الكمبيوتر المحمولة عادةً وحدات معالجة مركزية مثبتة على السطح)، وخاصة تلك التي تعتمد على بنية Intel x86 . يجب أن يدعم نوع مقبس وحدة المعالجة المركزية وشريحة اللوحة الأم سلسلة وسرعة وحدة المعالجة المركزية.

مع الانخفاض المستمر في تكاليف وحجم الدوائر المتكاملة ، أصبح من الممكن الآن تضمين دعم العديد من الأجهزة الطرفية على اللوحة الأم. ومن خلال دمج العديد من الوظائف على لوحة دوائر مطبوعة واحدة ، يمكن تقليل الحجم المادي والتكلفة الإجمالية للنظام؛ ولذلك تحظى اللوحات الأم عالية التكامل بشعبية خاصة في أجهزة الكمبيوتر صغيرة الحجم والمنخفضة التكلفة. ويمكن أيضًا تسمية الأجهزة الطرفية المتكاملة بالأجهزة المدمجة .

• وحدات تحكم الأقراص لمحركات أقراص SATA ، ومحركات أقراص PATA القديمة
• وحدة تحكم القرص المرن التاريخية
• وحدة تحكم رسومات مدمجة تدعم الرسومات ثنائية وثلاثية الأبعاد ، مع منافذ VGA و DVI و HDMI و DisplayPort ومخرجات تلفزيونية
• بطاقة صوت مدمجة تدعم الصوت ثماني القنوات (7.1) ومخرج S/PDIF
• وحدة تحكم شبكة إيثرنت للاتصال بشبكة محلية (LAN) واستقبال الإنترنت
• وحدة تحكم USB
• وحدة تحكم واجهة الشبكة اللاسلكية
• وحدة تحكم بلوتوث
• مستشعرات درجة الحرارة والجهد وسرعة المروحة التي تسمح للبرامج بمراقبة حالة مكونات الكمبيوتر.
• أجهزة أخرى مدمجة، مثل دائرة إدارة الطاقة المتكاملة (PMIC)

تحتوي اللوحة الأم النموذجية على عدد مختلف من الفتحات، وذلك حسب معيارها وشكلها .

تتميز العديد من اللوحات الأم بفتحتين أو أكثر من فتحات PCI Express (PCIe) x16، مما يتيح دعم بطاقات رسومات متعددة أو توصيل شاشات متعددة مباشرةً دون الحاجة إلى أجهزة متخصصة. تدعم بعض الطرازات المتطورة تقنيات تعدد وحدات معالجة الرسومات، مثل واجهة الربط القابلة للتوسيع (SLI) من Nvidia وتقنية CrossFire من AMD (المعروفة سابقًا باسم ATI CrossFire)، والتي تسمح بتشغيل من بطاقتين إلى أربع بطاقات رسومات بالتوازي، مما يُحسّن الأداء في التطبيقات كثيفة الرسومات مثل الألعاب وتحرير الفيديو. مع ذلك، ونظرًا لأن الألعاب الحديثة وواجهات برمجة التطبيقات (APIs) تُفضّل بشكل متزايد وحدات معالجة الرسومات القوية، ومع توقف كل من Nvidia وAMD عن تقديم الدعم الفعال لهذه التقنيات، أصبحت تكوينات تعدد وحدات معالجة الرسومات أقل شيوعًا.

تتميز اللوحات الأم الحديثة أيضًا بفتحات PCIe x1 وربما فتحات PCI القديمة للأجهزة الطرفية الأخرى.

تحتوي اللوحة الأم ATX الحديثة القياسية عادةً على فتحتين أو ثلاث فتحات PCIe x16 لبطاقة الرسومات، وفتحة أو فتحتين PCI قديمة لبطاقات التوسعة المختلفة، وفتحة أو فتحتين PCIe x1. أما اللوحة الأم EATX القياسية ، فتحتوي على فتحتين إلى أربع فتحات PCIe x16 لبطاقات الرسومات، وعدد متفاوت من فتحات PCI و PCIe x1. وقد تحتوي أحيانًا على فتحة PCIe x4 (مع العلم أن هذا يختلف بين العلامات التجارية والطرازات).

تتضمن اللوحات الأم الحديثة عادةً منفذًا واحدًا أو أكثر من منافذ M.2 ، وتوفر بعض الطرازات المتطورة ما يصل إلى أربعة منافذ. تدعم هذه المنافذ مجموعة متنوعة من الأجهزة، بما في ذلك محركات الأقراص الصلبة NVMe ، ومحركات أقراص M.2 SSD بتقنية SATA ، ووحدات تحكم واجهة الشبكة اللاسلكية (مثل وحدات Wi-Fi وBluetooth). يوفر منفذ M.2 واجهة صغيرة الحجم وعالية السرعة تستفيد من ناقل PCIe أو SATA، حسب التكوين.

تُبرَّد اللوحات الأم عادةً بالهواء ، حيث تُركَّب مشتتات الحرارة غالبًا على الرقائق الكبيرة في اللوحات الأم الحديثة. ^{[ 11 ]} قد يؤدي التبريد غير الكافي أو غير المناسب إلى تلف المكونات الداخلية للحاسوب، أو حتى تعطلّه . كان التبريد السلبي ، أو مروحة واحدة مُركَّبة على وحدة التزويد بالطاقة ، كافيًا للعديد من وحدات المعالجة المركزية في أجهزة الكمبيوتر المكتبية حتى أواخر التسعينيات؛ ومنذ ذلك الحين، أصبح من الضروري تركيب مراوح تبريد على مشتتات الحرارة في معظمها ، نظرًا لارتفاع سرعات المعالجة واستهلاك الطاقة. تحتوي معظم اللوحات الأم على موصلات لمراوح إضافية ، ومستشعرات حرارة مدمجة لرصد درجات حرارة اللوحة الأم ووحدة المعالجة المركزية، بالإضافة إلى موصلات تحكم في سرعة المراوح يُمكن لنظام BIOS أو نظام التشغيل استخدامها لتنظيم سرعة المروحة. بدلاً من ذلك، يُمكن استخدام نظام تبريد مائي بدلًا من العديد من المراوح.

تتميز بعض أجهزة الكمبيوتر صغيرة الحجم وأجهزة الكمبيوتر المنزلية المخصصة للمسرح المنزلي، والمصممة للعمل الهادئ والموفر للطاقة، بتصميمات خالية من المراوح. ويتطلب ذلك عادةً استخدام معالج مركزي منخفض الطاقة، بالإضافة إلى تصميم دقيق للوحة الأم والمكونات الأخرى لتوفير مساحة كافية لوضع مشتتات الحرارة.

أظهرت دراسة أجريت عام 2003 أن بعض حالات تعطل الحاسوب المفاجئة ومشاكل الموثوقية العامة، بدءًا من تشوهات صورة الشاشة وصولًا إلى أخطاء القراءة والكتابة في عمليات الإدخال /الإخراج، لا تُعزى إلى البرامج أو الأجهزة الطرفية ، بل إلى المكثفات القديمة في اللوحات الأم لأجهزة الحاسوب. ^{[ 12 ]} وفي نهاية المطاف، تبين أن هذا ناتج عن تركيبة إلكتروليتية معيبة، ^{[ 13 ]} وهي مشكلة تُعرف باسم "وباء المكثفات" .

تستخدم اللوحات الأم الحديثة مكثفات إلكتروليتية لتنقية التيار المستمر الموزع على اللوحة. تتلف هذه المكثفات بمعدل يعتمد على درجة الحرارة، حيث يتبخر الإلكتروليت المائي ببطء. قد يؤدي ذلك إلى فقدان السعة الكهربائية وما يتبعه من أعطال في اللوحة الأم نتيجةً لعدم استقرار الجهد . في حين أن معظم المكثفات مصممة للعمل لمدة 2000 ساعة عند درجة حرارة 105 درجة مئوية (221 درجة فهرنهايت) ، ^{[ 14 ]} فإن عمرها الافتراضي المتوقع يتضاعف تقريبًا لكل انخفاض قدره 10 درجات مئوية (18 درجة فهرنهايت) عن هذه الدرجة. عند 65 درجة مئوية (149 درجة فهرنهايت)، يمكن توقع عمر افتراضي يتراوح بين 3 و4 سنوات. مع ذلك، يُقدم العديد من المصنّعين مكثفات دون المستوى المطلوب، ^{[ 15 ]} مما يقلل بشكل كبير من عمرها الافتراضي. يُفاقم عدم كفاية تبريد الهيكل وارتفاع درجات الحرارة حول مقبس المعالج هذه المشكلة. باستخدام مراوح التبريد العلوية، يمكن الحفاظ على درجة حرارة مكونات اللوحة الأم أقل من 95 درجة مئوية (203 درجة فهرنهايت) ، مما يُضاعف عمر اللوحة الأم فعليًا.        

من ناحية أخرى، تستخدم اللوحات الأم متوسطة وعالية الجودة مكثفات صلبة حصراً. فمقابل كل  انخفاض في درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية، يتضاعف متوسط ​​عمرها الافتراضي ثلاث مرات تقريباً، مما يؤدي إلى زيادة عمرها المتوقع بمقدار ستة أضعاف عند درجة حرارة 65 درجة مئوية (149 درجة فهرنهايت) . ^{[ 16 ]} قد تُصنّف هذه المكثفات للعمل لمدة 5000 أو 10000 أو 12000 ساعة عند درجة حرارة 105 درجة مئوية (221 درجة فهرنهايت) ، مما يطيل عمرها المتوقع مقارنةً بالمكثفات الصلبة القياسية.    

في أجهزة الكمبيوتر المكتبية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، تعتمد حلول تبريد ومراقبة اللوحة الأم عادةً على شريحة إدخال/إخراج فائقة أو وحدة تحكم مدمجة .

في الحواسيب الصغيرة المبكرة مثل Apple II و IBM Personal Computer ، كانت البرامج الثابتة تُخزَّن في رقائق ذاكرة قراءة فقط (ROM) قابلة للتركيب على اللوحة الأم. عند التشغيل، تقوم وحدة المعالجة المركزية (CPU) بتحميل عداد البرنامج الخاص بها بعنوان ذاكرة القراءة فقط (ROM) المخصصة للتمهيد، ثم تبدأ بتنفيذ التعليمات منها. تُجري هذه التعليمات اختبارًا ذاتيًا عند التشغيل (POST)، وتُهيئ مكونات الجهاز، وتعرض معلومات النظام، وتتحقق من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، وتحاول تحديد موقع نظام التشغيل وتحميله من جهاز طرفي قابل للتمهيد. إذا لم يتم العثور على مثل هذا الجهاز، يقوم النظام إما بتشغيل البرامج المدمجة من ذاكرة القراءة فقط (ROM) - مثل Cassette BASIC (المعروفة باسم ROM BASIC) - أو يعرض رسالة خطأ، وذلك حسب الطراز. على سبيل المثال، كان كل من Apple II وIBM PC الأصلي يُشغِّلان مُفسِّر BASIC المدمج فيهما عند عدم وجود قرص قابل للتمهيد.

يحتوي برنامج الإقلاع في تصميمات اللوحات الأم الحديثة المتوافقة مع أجهزة IBM PC إما على نظام BIOS ، كما كان الحال في ذاكرة القراءة فقط (ROM) الخاصة بالإقلاع في أجهزة IBM PC الأصلية، أو على نظام UEFI . يُعد UEFI نظامًا متطورًا عن BIOS، وقد اكتسب شعبية واسعة بعد أن بدأت مايكروسوفت باشتراطه لاعتماد النظام لتشغيل نظام التشغيل Windows 8. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

عند تشغيل الكمبيوتر، يقوم برنامج بدء التشغيل باختبار وتكوين الذاكرة والدوائر والأجهزة الطرفية. قد يتضمن اختبار التشغيل الذاتي (POST) اختبار بعض العناصر التالية:

• بطاقة الفيديو
• بطاقات التوسعة التي يتم إدخالها في الفتحات، مثل PCI التقليدية و PCI Express
• محرك أقراص مرنة تاريخي
• درجات الحرارة والفولتية وسرعات المراوح لمراقبة الأجهزة
• ذاكرة CMOS المستخدمة لتخزين إعدادات BIOS
• لوحة المفاتيح والماوس
• بطاقة صوت
• محول الشبكة
• محركات الأقراص الضوئية: CD-ROM أو DVD-ROM
• محرك الأقراص الصلبة ومحرك الحالة الصلبة
• أجهزة الأمان، مثل قارئ بصمات الأصابع
• أجهزة USB ، مثل جهاز تخزين USB الجماعي

في الأنظمة المدمجة، يمكن استخدام برامج تشغيل أبسط، مثل Das U-Boot ، على اللوحة الأم. ^{[ 20 ]}