本文是以前发布的相关文章的合订本。方便读者集中阅读。
1,ATX和microATX
ATX规范是Intel很早发布的个人计算机设计规范,按ATX规范设计的主板简称ATX主板。ATX主板有两种版面设计,完整尺寸的ATX主板,其平面尺寸规格是12”×9.6”(mm×mm)。还有一种缩小尺寸的规格,称为MicroATX,其平面尺寸规格是9.6”×9.6”(mm×mm)。两种尺寸的主板都能安装到ATX机箱中。
除了外形尺寸,ATX规范还对机箱内部的布局,主板上重要组件的排布,以及安装螺孔的位置和大小等等都有要求。
下图是ATX和MicroATX平面尺寸、螺孔位置示意图(图片来自规范文件)。
下图是ATX主板实物照片(图片来自网络)
ATX这种规格的主板,主要应用于台式个人电脑。也有少量应用于工业自动化、交通运输,通信等行业。应用在工业领域时,ATX主板一般是安装在4U工控机箱内。更多详细信息请参阅《工业计算机硬件技术支持手册》。与ATX有点类似的,还有BTX规范,因为用的不多,略过。
2,mini-ITX主板
mini-ITX主板是在microATX主板的基础上,进一步缩小尺寸,平面尺寸仅有mm×mm。保留了C、F、H、J四个螺孔位置,并且保持它们之间的相对位置不变。请参阅下图(图片来自规范文件)。因此,mini-ITX主板兼容ATX机箱。
Mini-ITX主板一般只有一个总线扩展插槽,如果需要用到更多的功能卡时,可以采用转接卡(RiseCard)来增加总线扩展插槽。转接卡实物照片如下图所示(图片来自网络):
由于mini-ITX主板的尺寸比较小,除了在个人电脑中广泛应用外,也被较多应用到自动化控制和医疗设备等领域。但应用在工业领域时,往往会根据需要做出较大的调整。比如弃用ATX电源接口,改为单电压(比如单12V)供电;弃用内存插槽,改用Onboard内存;加入更多的串口或更多的显示接口,加入Onboard电子盘或CF卡座等等。
下图是ITX主板实物照片(图片来自网络)
更详细的规格说明,请参阅《工业计算机硬件技术支持手册》
3,插卡式主板
插卡式主板是把主板做成附加卡(Add-in-Card)的形式,和显卡外形一样,在主板的一侧边缘,有一排金手指,可以插到背板上指定的扩展槽内。背板上有很多扩展槽,通过这些扩展槽,可以扩充许多功能卡。功能卡和主板是平行插到背板上的。空间利用率比较高,系统散热相对较好。这种结构一般应用在工业自动化等领域。
最先发布的插卡式主板规格,是由PICMG1.0(PCI-ISA)规范所定义。该规范有定义全长卡(FullSize)和半长卡(HalfSize)两种规格,全长卡的平面尺寸是mm×mm,半长卡的平面尺寸是mm×mm。半长卡又分为:只有PCI扩展总线的,称为PCI半长卡,只有ISA扩展总线的,称为ISA半长卡。更多详细信息请参阅《工业计算机硬件技术支持手册》。
在PCIExpress总线规范发布后,PICMG又基于PCIExpress发布了PICMG1.3(SHBExpress)规范。该规范主要是加入了PCIExpress总线,放弃了ISA总线。平面尺寸基本没变。
另外,与插卡式主板相关的,PICMG还发布了PICMG1.1(PCI-PCI桥板)和PICMG1.2(嵌入式PCI-X)等规范。有兴趣的读者可以查阅相关文献。
下图是PICMG1.0全长卡主板(图片来自网络):
下图是PICMG1.3全长卡主板(图片来自网络):
下图是插卡式主板安装在机箱内的照片(图片来自网络):
4,cPCI主板、CPCIe主板
CompactPCI是PICMG发布的PICMG2.0规范,简称cPCI。符合cPCI规范的cPCI主板采用欧式板卡外形,有3U和6U两种规格。
3U前端板的平面尺寸为mm×mm,3U后端IO板的平面尺寸为mm×80mm;
6U前端板的平面尺寸为.35mm×mm,6U后端IO板的平面尺寸为.35mm×80mm。
cPCI主板和插卡式主板近似,也是主板和功能卡平行插入背板中使用。但cPCI主板上没有金手指,采用HM连接器和背板连接。6U主板上最多可以装配5个HM连接器,3U主板最多可以装配2个HM连接器。HM连接器的相对位置以及位置编号是固定的,分别为J1~J5。在这些连接器中,多数引脚的信号分配是固定的。
设计工程师可以根据应用的需要,只启用部分连接器,但连接器的相对位置不能移动,位置编号最好也不要修改。
下面是6UcPCI主板实物照片(图片来自网络)
下面是3UcPCI主板实物照片(图片来自网络)
cPCI主板较多应用在通信、电力和网络等行业。
PXI是cPCI在仪器领域的具体应用。主板和功能卡的尺寸和装配方式基本没变,但功能和引脚定义有做特别调整。有兴趣的读者可以翻阅相关文献。
在PCIExpress总线规范发行后,PICMG也推出了cPCI的换代版本:CompactPCIExpress规范或称PICMGEXP.0规范。有时简写作CPCIe。
CPCIe引入了eHM连接器、ADF连接器、UPM电源连接器等,过渡产品中仍然保留HM连接器。连接器的相对位置以及位置编号仍然固定不变的。更多细节,请参阅《工业计算机硬件技术支持手册》或其它相关文献。
下面是6UCPCIe主板实物照片(图片来自网络)。左边是传统HM连接器,右边是新的连接器。
5,PC/、PCI-、PCIe/、EPIC
PC/是PC/嵌入式协会(PC/EmbeddedConsortium)于年发布的规范。符合该规范的主板和功能卡,分别称为PC/主板和PC/模块。PC/主板有时也被称为PC/模块。如下图所示(图片来自网络)
标准的PC主板,平面尺寸只有90mmX96mm,有两个总线连接器J1和J2,分别用于传输PC、PC/AT总线(合称ISA总线)。连接器的上半部分是母座,连接器的下半部分是排针,特殊的连接器结构,成就了PC/主板和模块的堆叠安装方式。完成安装后,下一层PC/模块的PCB上表面,到上一层PC/模块的PCB下表面,高度为15mm。如下图所示(图片来自规范文件)。
由于PC/主板的平面尺寸和高度都很小,不利于散热,因此,这种结构的产品一般都选择功耗较低的零部件,让模块自身发热量尽可能地低,因此更加适合嵌入到工业设备中,作为设备的核心控制单元。
在PCI总线规范发布后,PC/嵌入式协会也发布PC/的换代规范,对PC/模块做了必要的升级:
保留ISA总线(即PC、PC/AT总线),在ISA总线连接器对侧增加PCI总线连接器的模块,称为PC/Plus模块。有时写作PC/+
如果模块没有ISA总线连接器,只有PCI总线连接器,则称为PCI-模块。
在PCIExpress总线规范发布后,PC/嵌入式协会再次发布换代规范,再次对PC/模块进行必要的升级:
,废除ISA总线连接器,在原ISA总线连接器的位置上,加入PCIExpress(简称PCIe)总线连接器。如果模块同时拥有PCI和PCIe总线连接器,称为PCI/Express模块。如果模块没有PCI总线连接器,只有PCIe总线连接器,则称为PCIe/模块。请参阅下图(图片来自规范文件):
另外,PC/嵌入式协会还发布了EPIC和EPICExpress规范。
简单地说,EPIC就是PC/模块、PC/Plus模块、PCI-模块的尺寸放大版本,允许这些主板适当扩大版面,但总线连接器的相对位置不变。而EPICExpress是PCI/-Express模块、PCIe/模块的尺寸放大版本。更多详细信息请参阅《工业计算机硬件技术支持手册》。
PC/主板及其后续换代产品,一般应用在智慧电网、移动医疗设备、工业设备控制等领域。
下面是EPIC模块和EPICExpress模块的尺寸和功能区划示意图(图片来自规范文件):
6,ETX模块、XTX模块
ETX是指EmbeddedTechnologyeXtended,ETX是较早提出将计算机主板的核心部分与外围I/O部分分开设计的规范。计算机的核心部分做成一个独立的模块,称之为ETX模块;外围I/O部分做成载板(Carrierboard)。ETX模块和载板之间通过4个板对板连接器连接。ETX模块的平面尺寸为95mmXmm。
下面是ETX模块实物底面照片(图片来自网络)
下面是ETX载板实物照片(图片来自网络)
两张图片的缩小比率不同,实际载板比模块大很多,模块底面两边各有两个连接器,把模块翻过来,正好可以扣入载板上的四个连接器。两边的两个连接器之间,间距不同,起到防插错的作用。
XTX是指eXtendedTechnologyforETX。是ETX的延续和升级。平面尺寸、连接器位置基本没变,主要是把X2连接器上的ISA信号废除,换成PCIe、USB、SATA、LPC、HDAudio等信号,其它三个连接器上的信号基本没变。
ETX和XTX主要应用在军工、医疗、强固移动工作站等领域。
许多复杂的工业控制系统,大多数会采用模块化计算机主板。一是系统集成商可以集中精力专注自己擅长的领域,把自己不是很擅长的计算机主板外包出去,可有效降低技术门槛。二是系统集成商开发出一套载板之后,可以换用不同运算能力的计算机模块,快速实现产品系列化和更新换代。大缩短了开发周期并丰富了产品线。
更多信息请参阅《工业计算机硬件技术支持手册》
7,COMExpress模块
COM是指ComputerOnModule。COMExpress规范是PICMG制定的模块计算机规范(也称COM.0)。COMExpress有时简写作COM-E或COMe。符合COMe规范的主板称为COMe模块。
COMe模块的平面尺寸有四种规格:
MiniModule:版面尺寸为84mmX55mm。也称NanoModule。
CompactModule:版面尺寸为95mmX95mm。
BasicModule:版面尺寸为mmX95mm。
ExtendedModule:版面尺寸为mmXmm)。
以上模块,除MiniModule只使用一个连接器外,其它三种模块都可以使用两个连接器。连接器的相对位置不变。
连接器有多种引脚定义:
R1.0版定义了:Type1、Type2、Type3、Type4、Type5等五种;
R2.0版在R1.0的基础上,又增加了Type6和Type10;
R3.0版COMExpress规范废除了Type1~Type5,调整了Type6和Type10的定义,增加了Type7。
下面是COMe模块实物顶层照片(图片来自网络):
下面是COMe模块实物底层照片(图片来自网络):
下面是COMe载板实物照片(图片来自网络):
COMExpress模块与ETXXTX模块的市场基本重叠,COMExpress模块推出不久就慢慢取代了ETXXTX模块。更多相关信息,请参阅《工业计算机硬件技术支持手册》。
8,COM-HPC模块
COM-HPC(for“ComputeronModule–HighPerformanceComputing”)是PICMG推出的新一代模块式计算机,分为服务器模块和客户端模块。两者的引脚定义有所不同,它们的载板不要交叉使用。COM-HPC模块平面尺寸有五种。分别为:
尺寸A为95mmxmm,推荐客户端模块使用;
尺寸B为mmxmm,推荐客户端模块使用;
尺寸C为mmxmm,推荐客户端模块使用;
尺寸D为mmxmm,推荐服务器模块使用;
尺寸E为mmxmm,推荐服务器模块使用。
下面是各种尺寸模块的对比图。(图片来自PICMG官方资料)
下面是COM-HPC装配示意图(图片来自PICMG官方资料)
注:COMExpress、ETX、XTX模块的装配与之类似。
下面COM-HPC模块底面实物照片(图片来自网络)
COM-HPC规范引入了IPMI管理功能框架,管理架构如下图所示(图片来自PICMG官方文档)
按照模块和载板是否使用该管理功能,又把模块和载板分为几种:
M.U:非托管模块,模块不支持管理功能;
M.B:托管模块,模块支持IPMI基本管理指令集;
M.F:完整支持管理功能的模块;
C.U:非托管载板,不包含可以管理COM-HPC模块的BMC类型设备;
C.M:托管载板,包含可以管理COM-HPC模块的BMC类型设备;
下面是关于模块和载板的管理特性级别与命名的详细说明(图片来自PICMG官方文档)
下面是服务器模块和客户端模块可选管理功能接口汇总表(图片来自PICMG官方文档)。注:Min是必选功能,Max是最多可用数量。
9,Qseven
Qseven规范从2.0版开始由嵌入式技术标准化小组(SGeT)发布。标准的Qseven模块的平面尺寸只有7cmx7cm。取Quadratic单词的字头和数字Seven,组合成Qseven。有时简写成Q7。Qseven规范还定义了一款缩小版模块,平面尺寸只有7cmx4cm,称为μQseven。
Qseven模块做成mini-PCI卡的形式,一侧边缘有金手指。可以插入载板上的MXM连接器。载板设计人员可以根据规范和实际需要,选择使用尽可能少或尽可能多的I/O接口。Qseven模块的最小功能和最大功能配置如下表所示(原表来自《工业计算机硬件技术支持手册》)
Qseven模块主要应用在需要超低功耗,对CPU运算能力要求是很高的场合。比如小型移动医疗设备、其它移动终端设备等等。更多细节请参阅《工业计算机硬件技术支持手册》
下面是Qseven模块实物照片(图片来自网络)
10,SMARC
SMARC即SmartMobilityARChitecture,智能移动架构。是嵌入式技术标准化小组(SGeT)推出的多功能小型计算机模块。模块有两种尺寸规格:82mmx50mm和82mmx80mm。模块的一侧边缘是金手指,可插入载板上的MXM3连接器中使用。模块的功耗通常低于6W,但也可以高达15W左右。
SMARC模块有最低功能限制和功能扩充选择限制。详细如下表所示(原表来自《工业计算机硬件技术支持手册》)
SMARC模块的应用领域和Qseven模块差不多,主要应用于各类移动终端设备。依靠电池就能很长久地工作。更多细节请参阅《工业计算机硬件技术支持手册》
下图是SMARC模块实物照片(图片来自网络):
11,其它主板
除了前面介绍的主板规格,常见的还有3.5英寸主板、5英寸主板等等。
3.5英寸主板的尺寸和3.5英寸硬盘尺寸差不多,多应用于工业控制领域。由于设计制造难度不是很大,许多商业主板厂商也参与竞争,导致利润空间缩小,耐用性降低,许多工业主板厂商已淘汰了这个规格的主板。目前只有少数厂商仍有出货。
下面是3.5英寸主板和硬盘实物对比照片。
5英寸主板实际上是按PC/嵌入式协会发布的EBX和EBXExpress规范设计的主板。平面尺寸为5.75x8英寸。大小和5英寸的全尺寸光驱差不多(新的光驱略有缩短)。5英寸主板因为存在结构上的先天不足,主板容易翘曲变形,加上许多商业主板厂商加入竞争,耐用性和稳定性降低,现在已基本停产。
下面是5英寸主板和新光驱实物对比照片。
还有一些厂商推出了2英寸主板和4英寸主板,不过不是国际通行规格,可以算是自定义主板规格了。本文不讨论自定义主板规格。
除了以上介绍的这些,计算机主板还有不少其它规格,因为本人得少用到,不太熟悉,所以没有介绍。有熟悉的朋友可以为拙文续上豹尾,也算是为大家做了一份贡献。
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