Hauptplatine - Hardware-Zone

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Hauptplatine
Die Hauptplatine, auch als Main- oder Motherboard bezeichnet, ist eine Leiterplatte, auf der alle Funktionseinheiten zusammengeführt werden. Sie besteht u.a. aus folgenden Teilen:

  • Chipsatz
  • Firmware-Chip
  • Ein-/Ausgabeleitungen (Adress-, Daten- und Steuerleitungen)
  • Prozessorsockel
  • Steckplätze für Arbeitsspeicher
  • Steckplätze für Grafikkarte und andere Ein-/Ausgabegeräte (z.B. Soundkarte, Netzwerkkarte)
  • Anschlüsse für externe Geräte (z.B. Maus, Tastatur, Bildschirm, Lautsprecher)  
Aufbau

Komponenten einer Hauptplatine (von oben links nach unten rechts):
Externe Schnittstellen
Auf der rechten Seite befinden sich die Anschlüsse für externe Geräte:

Audio für Lautsprecher, Mikrofon, Headset

USB für Maus, Tastatur, USB-Stick, externe Festplatte

HDMI für Fernseher, Bildschirm, Beamer

Display Port (DP) für Bildschirm

DVI für Bildschirm (veraltet)

PS/2 für Maus, Tastatur (veraltet)

LAN-Anschluss für Netzwerkkabel

WLAN-Anschluss für externe Antenne
CPU-Sockel


Der Prozessor wird in einen speziell angepassten Sockel auf der Hauptplatine eingesetzt, der sich neben den Arbeitsspeicher-Steckplätzen befindet. Intel bezeichnet seine Sockel meist entsprechend der Anzahl der Kontaktflächen (z.B. Sockel 1151).
PCI-Express-Schnittstellen


Die PCI-Express-Steckplätze (PCI = Peripheral Component Interconnect) für Erweiterungskarten (z.B. Grafik-, Sound-, Netzwerk- oder TV-Karten) gibt es in 2 Längen: 25 mm (PCIe x1) und 89 mm (PCIe x4, x8  oder x16). Die Zahl hinter dem x bezeichnet die Anzahl der Übertragungswege (Lanes). Je nach benötigter Bandbreite gibt es für jede Ausbaustufe entsprechende Steckkarten. PCI x16 wird meist für die Grafikkarte verwendet, kann aber auch für x1-, x4- und x8- Karten benutzt werden.
CMOS-Batterie


Diese Knopfzelle sorgt dafür, dass Datum, Uhrzeit und geänderte Hardware-Einstellungen auch nach Unterbrechung der Stromversorgung erhalten bleiben.
Strom-Anschluss für CPU


Der achtpolige EPS12V-Anschluss dient der Stromversorgung der CPU.
Firmware/BIOS


Die Betriebssoftware, auch als Firmware oder BIOS (Basic Input/Output System, dt. "grundlegendes Ein-/Ausgabesystem") bezeichnet, ist in einem wiederbeschreibbaren Flash-Speicherchip (EEPROM) untergebracht, damit sie auch erneuert werden kann.

Strom-Anschlüsse für Lüfter


Anschlüsse für Gehäuse- und CPU-Lüfter
DIMM-Steckplätze


Die Steckplätze für die Arbeitsspeichermodule (DIMM = Dual Inline Memory Module) befinden sich unterhalb des Prozessorsockels und sind bei Hauptplatinen, die mehrere Speicherkanäle (z.B. Dual-Channel) unterstützen, mit unterschiedlichen Farben gekennzeichnet. Wenn man mehr Leistung benötigt, sollte man jede Farbe mit mindestens einem Modul bestücken.
Serial ATA


An die schmalen Serial-ATA-Anschlüsse (Serial Advanced Technology Attachment) unten links werden Festplatten, SSDs, DVD-Laufwerke und -Brenner angeschlossen. Die Farbe ist vom Mainboard-Hersteller abhängig.
ATX-Stromanschluss


Mit der 24-poligen ATX-Buchse unten rechts wird die Hauptplatine an das Netzteil angeschlossen.
Chipsatz

Die wichtigste Komponente auf der Hauptplatine ist der Chipsatz, da alle Datenströme zwischen CPU und Ein-/Ausgebegeräten über ihn laufen. Er bestand früher aus 2 Mikrochips, die als North- und Southbridge bezeichnet wurden. Die Northbridge enthielt den Speichercontroller und stellte eine eigene, leistungsfähige Verbindung zur Grafikkarte zur Verfügung, während die anderen Ein-/Ausgabegeräte und die Festplatten über die Southbridge eingebunden wurden. Da die aktuellen Prozessoren die Funktion einer Northbridge selbst übernommen haben, gibt es meist nur noch einen Chip. Bei Intel wird dieser auch als PCH (Platform Controller Hub, ein "Hub" ist ein zentraler Verteiler). Die Kommunikation zwischenn CPU und PCH erfolgt über eine sehr schnelle Punkt-zu-Punkt-Verbindung (Direct Media Interface oder PCIe x4).

Der Chipsatz bestimmt folgende Leistungsmerkmale:

  • Anzahl der Speicherkanäle
  • unterstützte Prozessoren
  • verfügbare Schnittstellen (z.B. USB, SATA, PCI-Express)
  • Anzahl der verfügbaren PCI-Express-Lanes
  • Anzahl der Schnittstellen
  • zusätzliche integrierte Geräte wie Audio oder WLAN
  • Erweiterte Funktionen (z.B. RAID-Verwaltung, Virtualisierung)
Aktuelle Intel-Chipsätze im Vergleich
Chipsatz
H310
B360
B365
H370
Q370
Z370
Z390
X299
Unterstützte CPUs
Core-i-Prozessoren (8. und 9.Gen.), Pentium G54/55/56xx, Celeron G49xx X-Serie (7xxx und 9xxx)
Übertaktung möglich

Speichermodule pro Kanal
12
Schnittstellen
PCIe-Version
2.03.0
PCIe-Lanes
6122024
Multi-GPU-Betrieb
USB 2.0
101214
USB 3.0
--8--10-10
USB 3.1 (Gen 1/Gen 2)
4/-6/4-8/410/6-10/6-
SATA 6 Gb/s
468
Technologien
Intel Optane-Speicher


Quelle
Aktuelle AMD-Chipsätze im Vergleich
Chipsatz
A300
X300
A320
B350
B450
X370
X470
X570
X399
Unterstützte CPUs
Alle CPUs für den AM4-Sockel (A-Serie 7. Gen./Athlon X4/Ryzen 1. und 2 . Gen.)RyzenRyzen TR
Übertaktung möglich
Speichermodule pro Kanal
24
Schnittstellen
PCIe-Version
3.03.02.0/3.04.0
PCIe-Lanes
4 (2.0)
6 (2.0)
8 (2.0)
12 (4.0)8 (2.0)
Multi-GPU-Betrieb
USB 2.0
0646
USB 3.1 (Gen 1/Gen 2)
4/0 6/16/210/28/814/2
SATA 6 GBit/s
2
4
61212
SATA Express
01 (PCIe x2)2 (PCIe x2)k.A.k.A.
Technologien
StoreMI
 
Bemerkungen

  • PCIe-Lanes: Die tatsächliche Anzahl verfügbarer Schnittstellen hängt vom jeweiligen Mainboard sowie der eingesetzten CPU ab. 16 PCI-Express-Lanes sind für den Grafikkarten-Steckplatz (x16) reserviert, die restlichen Lanes werden für die anderen Schnittstellen verwendet:
    • 1, 2 oder 4 Lanes pro  PCIe-x1/x2/x4-Steckplatz
    • 1 Lane pro SATA-Schnittstelle
    • 1 oder 2 Lanes pro USB-Schnittstelle
    • 2 Lanes pro SATA-Express-Schnittstelle
    • 2 oder 4 Lanes pro M.2--Schnittstelle

  • AM4-Chipsätze belegen außerdem selbst 4 PCIe-Lanes für die CPU-Anbindung.


  • Mainboards für Spieler besitzen in der Regel Chipsätze, die eine Aufteilung dieser 16 Lanes auf 2 x8-Steckplätze unterstützen und so den parallelen Betrieb zweier Grafikkarten ermöglichen (Multi-GPU-Betrieb). Oberklasse-Mainboards mit X299- oder X399-Chipsatz können sogar mit bis zu 4 Grafikkarten betrieben werden (max. 4 x8- oder x16-Schnittstellen).

  • Um Core-i-CPUs der aktuellsten 9. Generation auf äteren Mainboards mit einem Chipsatz der 300er Serie verwenden zu können, genügt eine Erneuerung der Betriebssoftware (UEFI oder BIOS). Mehr Informationen dazu findet man auf der Website des jeweiligen Mainboard-Herstellers. Auch wenn Core-i-Prozessoren der 6. und 7. Generation (Core-i-6xxx und Core-i-7xxx) den gleichen Sockel 1151 nutzen, funktionieren diese nur auf Mainboards mit den älteren Chipsätzen der 100er und 200er Serie. Um diese Inkompatibilität hervorzuheben, wird der neue Sockel oft auch als 1151v2 bezeichnet.

  • USB 3.1 Gen 2 ist Nachfolger des USB-3.0- bzw. USB-3.1-Gen-1-Standards und liefert mit 1,2 GB/s eine mehr als doppelt so hohe Datenübertragungsrate als dieser.

Prozessorsockel
Der große Sockel direkt über den Steckplätzen für die Arbeitsspeicher-Module stellt die Prozessorschnittstelle dar. Er ermöglicht den bequemen Austausch der CPU, ohne die gesamte Hauptplatine ersetzen zu müssen. Aktuelle CPUs von Intel verwenden die Sockel 1151 und 2066, die Modelle von AMD nutzen hingegen die Sockel AM4, FM2+ und TR4.

  • Sockel 1151: Der Sockel 1151 ist geeignet für die Core-i-Prozessoren der 6. (6xxx) und 7. (7xxx) Generation sowie die aktuellen Pentium- und Celeron-Modelle. Core-i-Prozessoren der 8. und 9. (8xxx und 9xxx) Generation funktionieren nur in Verbindung mit einem Chipsatz der 300er-Serie.

  • Sockel 2066: Für die Hochleistungs-CPUs der X-Serie hat Intel eine eigene Plattform geschaffen: Den X299-Chipsatz mit dem Sockel 2066.

  • Sockel AM4: Der Sockel AM4 mit 1331 Kontakten unterstützt den Athlon X4, die APUs A12/A10/A8/A6-9xxx ("Bristol Ridge") sowie alle Ryzen-CPUs (1., 2. und 3. Generation) und -APUs außer Threadripper. Auch kommende Prozessoren sollen auf diesen Sockel passen.

  • Sockel FM2+ (veraltet): Die älteren APUs A6/A8/A10-7xxx nutzten noch den Sockel FM2+ mit 906 Kontakten. Im Gegensatz zum Sockel AM4 unterstützte dieser kein DDR4-SDRAM.

  • Sockel TR4: Auch AMD hat einen eigenen Sockel mit gigantischen 4094 Kontakten für seine Hochleistungs-CPU Ryzen Threadripper (1. und 2. Generation).

  • Sockel TRX4: Die Ryzen-Threadripper-Modelle der 3. Generation (3xxx) besitzen einen Sockel, der zwar mechanisch kompatibel zum TR4-Sockel ist, aber aufgrund einer veränderten Pinbelegung nicht mit älteren Ryzen-Threadripper-Modellen funktioniert. Der Wechsel auf einen neuen Sockel ist u.a. auf die erhöhte Leistungsaufnahme der neuen CPUs zurückzuführen (TDP max. 280 W statt wie bisher 250 W). [Quelle]
Sockel AM4
Sockel 1150 (für Core-i-Prozessoren der 4. und 5. Generation)
Firmware
Unter Firmware versteht man ein Programm, das die Hardware steuert und überwacht. Es stellt die Schnittstelle zwischen Hardware und Betriebssystem dar und ist in einem Flash-Speicherbaustein auf der Hauptplatine abgelegt. Bei älteren PCs wird die Firmware als BIOS (Basic Input Output System) bezeichnet. In Erscheinung tritt das BIOS immer beim Einschalten des Computers in Form von Statusmeldungen während des sogenannten POST (Power On Self-Test), bei dem die Hardware auf ihre Funktionstüchtigkeit hin überprüft wird. Zu den weiteren Aufgaben der Firmware bzw. des BIOS gehören:

  • Automatische oder manuelle Konfiguration der Hardware
  • Aufruf des Startprogramms (Bootloader) zum Laden des Betriebssystems
  • Aufruf von Subsystemen z.B. zur Konfiguration eines RAID-Steuerungschip (RAID = Redundant Array of Independent Disks, Zusammenschluss mehrerer Festplatten zur Erhöhung des Datendurchsatzes und/oder der Datensicherheit)
  • Passwortschutz (optional)
  • Anzeige eines Startbildschirms

In 64-Bit-Systemen wird statt BIOS die UEFI (Unified Extensible Firmware Interface)-Schnittstelle eingesetzt. Der wesentliche Vorteil von UEFI ist neben der einfacheren Bedienbarkeit (grafische Benutzeroberfläche mit Mausunterstützung) der Einsatz von Festplatten mit mehr als 2 Terabyte (1 Terabyte = 1.024 GB) Speicherkapazität.
Die Einstellungen werden in einem flüchtigen SRAM-Baustein abgelegt, der von einer Knopfzelle (CMOS-Batterie) ständig mit Strom versorgt werden muss.
Bauformen
Hauptplatinen gibt es in verschiedenen standardisierten Bauformen, die durch den sogenannten Formfaktor festgelegt werden. Er bestimmt nicht nur die genauen Maße von Leiterplatte (engl. PCB - Printed Circuit Board), Gehäuse und Netzteil, sondern auch

  • die Position der Löcher für die Befestigungsschrauben
  • die Position der einzelnen Bauteile (z.B. CPU-Sockel, Steckplätze)
  • die Anzahl der Steckplätze
  • die zur Verfügung stehenden Anschlüsse für Ein-/Ausgabegeräte
  • sowie die Stromversorgung.

Da auch Netzteile und Gehäuse entsprechend standardisiert sind, ist es leichter, die passende Kombination zu finden. Der am weitesten verbreitete Formfaktor ist noch immer das 1996 eingeführte ATX-Format (Advanced Technology eXtended).
Wichtige Formfaktoren
Formfaktor
Abmessungen in mm (Breite x Länge)
max. Steckplätze (slots) für Erweiterungskarten
Layout
ATX305 x 2447
Micro-ATX244 x 244 (80%)4
Mini-ITX 170 x 170 1
Hinweis: Im umrahmten Bereich befinden sich die Anschlüsse für externe Geräte
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