Wie funktioniert ein Mainboard? #2

Willkommen zur zweiten Folge der Computer-Reihe auf dem Kanal Brainfuck. Heute geht es mit dem ersten Komponenten-Video los. Wir schauen uns gemeinsam den Aufbau und die Funktion der Schaltzentrale eines Computers an und am Ende stelle ich euch dann noch ein ganz besonderes Mainboard vor. Viel Spaß! Das Mainboard oder Motherboard vernetzt alle Komponenten eines Computers und stellt damit die zentrale Platine dar. Grundlage dieser Platine ist das sogenannte PCB, Printed Circuit Board, im Deutschen auch Leiterplatte genannt. Diese besteht aus einem Faser-Kunststoff-Verbund, auf dem sich auf den ersten Blick nur oberflächliche Leiterbahnen und einige Lötflächen und Lötaugen befinden, auf die man Bauteile befestigen kann. Im Inneren verborgen jedoch befindet sich eine ungeahnte Komplexität. Bis zu acht miteinander verklebte Schichten ergeben ein kompliziertes Schaltnetz, das schließlich eine Vielzahl von Bauteilen miteinander verbinden kann. Ohne diesen Multilayer-Design wäre eine Vernetzung auf so kleinem Raum oftmals gar nicht möglich. Es werden aber auch gern mehr Schichten benutzt, um eine stabilere Stromversorgung zu gewährleisten, weil aufgrund der größeren Abschirmung der einzelnen Leiterbahnen weniger elektromagnetische Interferenzen entstehen. Beim Mainboard kann man nun verschiedene Größen unterscheiden. Da gibt es Mini-ITX-Mainboards, die sehr klein sind und meist für kompakte Computersysteme und für Home-Vita-Personal-Systeme verwendet werden. Etwas größer ist der Micro-ATX-Formfaktor, der für ähnliche Bereiche wie ein ITX-Board verwendet wird, aber mehr Möglichkeiten für Erweiterungen bietet. Die Standardgröße für Mainboards ist die ATX-Größe. Sie wird fast in jedem Desktop-Computer verbaut und stellt einen guten Kompromiss zwischen Erweiterbarkeit und Kompaktheit dar. Es gibt natürlich auch noch kleinere und größere Formfaktoren und auch Zwischengrößen, die genannten sind aber mit Abstand die häufigsten. Unabhängig vom Formfaktor befinden sich auf einem Mainboard immer die gleichen Bauteile, wenn auch in unterschiedlich häufiger Ausführung. So sind auf diesen Leiterplatten immer viele Widerstände, Kondensatoren, Spulen, Microchips und Anschlüsse für andere Komponenten vorhanden. Schauen wir uns jetzt einmal die einzelnen Bereiche eines Mainboards an. Mittig oben befindet sich meist der Sockel für den Hauptprozessor. Rechts daneben gibt es zwei bis vier Slots für Arbeitsspeicherriegel. Darunter ist meist der PCH, der Platform Controller Hub, zu finden. Das ist ein sehr wichtiger Chip, der die Vorgänge in einem Mainboard koordiniert. Früher bestand diese Steuerung aus zwei Chips, deshalb hat man auch von einem Chipsatz gesprochen, der sich aus DOS und Northbridge zusammensetzte. Mittlerweile werden aber immer mehr Aufgaben in die CPU, den Hauptprozessor, integriert, weshalb ein einzelner Hauptchip für die Steuerung des Mainboards ausreicht. Es sind aber dennoch weitere kleinere Chips, sogenannte Controller, auf dem Board vorhanden, die nur für einzelne Bauteile zuständig sind. Am rechten Rand befinden sich meist einige SATA-Ports, an die man Festplatten, SSDs und optische Laufwerke anschließen kann. Platz für Erweiterungskarten findet man links unten am Mainboard. Ein PCI-E-Steckplatz ermöglicht es, eine Grafikkarte auf das Mainboard zu stecken. Und wenn einem der integrierte Onboard-Sound des Mainboards nicht genügt, kann man an den übrigen PCI- und PCI-E-Steckplätzen zusätzlich noch eine Soundkarte und auch Ladenkarten, TV-Karten und viele mehr anschließen. Über den Steckplätzen befindet sich ein kleiner, aber extrem wichtiger Bestandteil des Mainboards, nämlich das BIOS. Dieses Basic Input-Output-System besteht aus einem EEPROM- oder Flash-Mikrochip und beinhaltet die Firmware des Computers. Die Firmware lädt noch vor dem Betriebssystem, überprüft alle Komponenten und spricht diese schließlich mit Standardtreibern an, damit die Informationen für den Boot-Vorgang von der Festplatte abgerufen werden können. Mittlerweile gibt es aber schon eine Nachfolger für das BIOS, nämlich der UEFI-Chip. UEFI steht für Unified Extensible Firmware Interface und macht eigentlich nichts anderes als das herkömmliche BIOS. Nur als kleinen Einblick. UEFI ist minimalistischer als das BIOS und gibt somit die Kontrolle früher an das Betriebssystem ab. Außerdem kann damit mehr Speicher adressiert werden, es ist modular und wird in C programmiert, das alles macht es den Programmierern leichter. Das einzige, was man als Endbenutzer mit UEFI aber merkt, ist ein schnellerer Systemstart und eine grafische Oberfläche mit Cursor im BIOS-Menü. Neben dem BIOS ist immer eine Knopfbatterie angebracht. Diese wird für einen batteriegepufferten CMOS-RAM-Speicher benötigt, der veränderliche Daten wie Uhrzeit, Datum und Boot-Informationen für das BIOS bereitstellt. Alle Komponenten auf dem Mainboard benötigen natürlich eine Energieversorgung. Zu dem Zweck wird eine 24-Pin- und eine 8-Pin-Leitung vom Netzteil am Mainboard angeschlossen. Letzterer ist insbesondere für die Versorgung der CPU zuständig. Da die 12 Volt, die das Netzteil durch diese Leitung zur Verfügung stellt, viel zu groß für den Hauptprozessor sind, gibt es einen Spannungswandler auf dem Mainboard. Ein Controller, MOSFETs, Kondensatoren und Rosselspulen splitten die 12 Volt schließlich in mehrere kleinere Spannungen. Zusätzlich zu dem großen Spannungswandler für die CPU gibt es auch noch mehrere kleinere auf dem Mainboard für andere Bauteile. Das war jetzt aber noch lange nicht alles auf einem Mainboard. Es gibt noch weitere Anschlussmöglichkeiten auf der Platine, auch für Teile des Gehäuses. Es müssen z.B. Lüfter, Start-Reset-Knopf, Speaker und Kontroll-LEDs angeschlossen werden. Bis jetzt waren das alles interne Anschlussmöglichkeiten. Es gibt aber auch noch externe. Diese sind alle im IO-Shield bzw. der Anschlussblende zu finden. Dort schließt man dann u.a. den Monitor, Maustastatur, Netzwerkkabel und Lautsprecher an. Und wie zu Beginn schon gesagt, werden alle diese Teile mit Leiterbahnen verbunden, um Daten miteinander auszutauschen. Diese Datenbahnen nennt man im Computer allgemein BUS. Damit ist nicht etwa der Schulbus gemeint. Es ist mal wieder eine Abkürzung und steht für Binary Unit System. Datenbusse, Steuerbusse, Adressbusse und einige andere bilden somit die Grundlage für die Kommunikation aller Komponenten eines Computers. Aber was rede ich hier groß rum? Ich zeige euch das jetzt einfach mal an einem praktischen Beispiel und somit kommen wir zum ersten Specs-Check. Vor uns befindet sich ein Asus Maximus VI Impact. An dieser Stelle vielen Dank an Asus, dass sie mir dieses kleine Prachtexemplar zur Verfügung gestellt haben. Links dazu findet ihr in der Videobeschreibung. Wie man sieht, handelt es sich bei dem Mainboard um ein sehr kleines Board. Es ist nämlich ein Mini-ITX-Mainboard mit einer Seitenlänge von nur 17 cm. Früher war es kaum möglich, mit einem Mini-ITX-Board einen ordentlichen Gaming-PC zusammenzustellen, weil aktuelle Sockel einfach nicht verfügbar waren und die mangelnde Leistung des kleinen Mainboards auch andere Komponenten ausgebremst hätte. Das ist aber zum Glück Vergangenheit. Das Maximus Impact ist nämlich eines der ersten vollwertigen Gaming-Mainboards im Mini-ITX-Format, das seinen großen Brüdern in nichts nahe steht. Also, was befindet sich da jetzt so drauf? In der Mitte der Sockel für den CPU. Hier ist es ein 1150-Sockel für Intel-Prozessoren. Dann hier zwei RAM-Slots für den Arbeitsspeicher. Solange man große Riegel, z.B. je 8 GB benutzt, reicht das auch. Daneben auch gleich die nötigen Stromanschlüsse vom Netzteil, ein 24-Pin-Anschluss und ein 8-Pin-Anschluss. Dazu der Spannungswandler, der hier vertikal angebracht wurde, um Platz zu sparen. Der schwarze Block hier ist ein Kühlkörper, der die Spannungswandler-Bausteine kühlt. Hier ist ein Start- und Reset-Button. Die sind beide fürs Übertakten da, wenn man das Mainboard z.B. noch nicht im Gehäuse eingebaut hat. Hier ein Lüfteranschluss, Speakeranschluss, USB 3.0-Anschluss. Hier schließt man dann den Start- und Reset-Button und die zwei LEDs vom Gehäuse an. Das sind vier SATA-3-Anschlüsse, an die man Festplatten, SSDs und z.B. einen Blu-ray-Brenner anschließen kann. Daneben ist wieder ein Kühlblock, unter dem sich der Hauptchip des Mainboards befindet, der PCH. Das ist dann ein PCIe-Steckplatz für die Grafikkarte oder eine andere Erweiterungskarte. Dieses Teil ist eine Besonderheit bei einigen Asus-Boards, es heißt MPCIe Combo 2. Darauf befindet sich bereits eine WLAN-Karte, die sich in einem MPCIe-Steckplatz befindet. Gegenüber hat man dann noch die Möglichkeit, eine SSD-Platine in einem NGFF bzw. M.2-Steckplatz unterzubringen. Das andere vertikale Gebilde ist hier eine Soundkarte, die im Lieferumfang schon dabei ist. Sie wird auch unbedingt benötigt, weil kein Onboard-Sound vorhanden ist. Darüber ist der kleine BIOS-Chip, der eigentlich schon ein UEFI-Chip ist. Hier die Batterie für den CMOS-Speicher, noch einige andere Chips und noch drei Anschlüsse für Lüfter, u.a. auch für den CPU-Lüfter. Und hier hat's noch die externen Anschlüsse, auf die die Anschlussblende gesteckt wird. Audio-In, Audio-Out, Mikrofon, LAN-Kabel, zweimal USB 3.0 und eSATA, das ist einfach die externe Variante des SATA-Anschlusses. Und hier nochmal zwei USB 3.0-Anschlüsse. Daneben sind vier USB 2.0-Anschlüsse, wobei der untere für das Flashen, also das Updaten des BIOS benutzt werden kann. Dazugehörig ist der linke Knopf, mit dem der Flash-Vorgang gestartet werden kann. Mit dem Knopf darüber kann man die BIOS-Einstellungen zurücksetzen. Weiter links ein MEM-OK-Button, um die Einstellungen des Arbeitsspeichers auf die Standardwerte zu setzen. Darüber der Direct-Key, damit kommt man direkt in das BIOS-Menü und darüber wiederum eine zweistellige Anzeige für Fehlercodes. Als letztes sieht man dann hier noch einen SPDEF-Ausgang, der für eine elektronische und optische Übertragung von Audio zuständig ist, darunter ein HDMI-Port und ein Display-Port. Beide übertragen Ton- und Bildsignale digital an Monitore und ganz links noch zwei Eingänge für die WLAN-Antenne. Das alles zusammen ergibt dann eine kleine, aber flotte Grundlage für den Aufbau eines kompletten Computers. So, das war es dann mit dem Mainboard. Hoffentlich habt ihr einen groben Einblick bekommen, für was das Mainboard alles zuständig ist und aus was es sich zusammensetzt. Bewertet bitte wie immer das Video und teilt mir eure Verbesserungsvorschläge mit. Falls ihr das letzte Video verpasst habt, könnt ihr es euch hier nochmal anschauen oder ihr schaut gleich in die Playlist, um alle Computer-Videos zu sehen. Und wisst ihr eigentlich schon, wie Polarlichter entstehen?