Una scheda madre (plurale schede madri), motherboard ("scheda madre"), o meno conosciuta come planar board (scheda piana), abbreviata MB, M/B, mobo, in elettronica e informatica, è un tipo di scheda elettronica principale, raccoglie in sé tutta la circuiteria elettronica e i collegamenti di interfaccia tra i vari componenti interni principali di un personal computer come memoria e le altre schede elettroniche montate o alloggiate sopra, comprendendo anche i bus di espansione e le interfacce verso le periferiche esterne.
Descrizione
È responsabile dunque della trasmissione e temporizzazione corretta di centinaia di segnali diversi, tutti ad alta frequenza e sensibili ai disturbi, tra processore e RAM, schede di espansione e periferiche esterne attraverso i vari bus di sistema. La sua buona realizzazione è quindi un fattore chiave per le prestazioni e l'affidabilità dell'intero computer.
È composta da un circuito stampato estremamente complesso, ricavato da un sandwich di strati di vetronite e rame: generalmente una scheda madre può avere dai quattro a sei strati di rame. In questi sono ricavate le piste che collegano i componenti, che devono essere calcolate con molta cura: alle frequenze normalmente adoperate dalle CPU e dalle memorie RAM in uso oggi, infatti, la trasmissione dei segnali elettrici non si può più considerare istantanea ma deve tenere conto dell'impedenza propria della pista di rame e delle impedenze di ingresso e di uscita dei componenti connessi, che influenzano il tempo di volo dei segnali da un punto all'altro del circuito.
Su questo circuito stampato vengono saldati una serie di circuiti integrati, di zoccoli e di connettori; gli integrati più importanti sono il chipset che svolge la gran parte del lavoro di interfaccia fra i componenti principali e i bus di espansione, la ROM (o PROM, EEPROM o simile), il Socket per il processore e i connettori necessari per il montaggio degli altri componenti del PC e della espansione. La struttura attuale delle schede di sistema dei computer è il frutto di un'evoluzione tecnologica che ha portato a definire un'architettura di sistema valida, in linea di massima, per tutti i sistemi di classe personal computer o di potenza paragonabile. Chiaramente, i server, i blade server o le workstation hanno schede madri specifiche, così come i telefonini o i dispositivi mobili. Infine, qualsiasi apparato informatico o elettronico contiene una scheda madre.
Componenti
I componenti di una scheda madre possono variare a seconda di che tipo di computer si sta considerando: nel seguito di questa descrizione faremo riferimento a una generica scheda madre per personal computer (ovviamente l'elemento base è il PCB ovvero la scheda grezza (vuota) su cui poi vengono montati i componentiIl produttore della scheda madre (per conto terzi o per sé) acquista il PCB dal fornitore, esattamente come gli altri componenti della distinta base del prodotto.).
Chipset, l'insieme di chip che si occupano di smistare e dirigere il traffico di informazioni passante attraverso il Bus di sistema, fra CPU, RAM e controller delle periferiche di input/output (come Floppy disk, Hard disk ecc.). Socket (CPU), una parte fondamentale del computer che accoglie la CPU. Nelle schede embedded (o in quelle vecchie e molto economiche) è assente, e il processore è saldato direttamente sulla scheda. Lo zoccolo (socket) può essere di tipo PGA o LGA. Nel caso di processori di tipo PGA, i pin di interconnessione risiedono sulla parte inferiore della CPU. Se il socket è di tipo LGA (ovvero Land Grid Array) i pin risiedono sul socket ed è necessaria una piastra di caricamento per tenere in posizione la CPU dato che, a differenza delle CPU PGA, non è tenuta in posizione dai piedini che vanno a incastrarsi nel socket. La soluzione LGA è adottata da diverso tempo da Intel con molti dei suoi processori Pentium IV, Core, entrambi interfacciati con 775 pin. A differenza di Intel, la rivale AMD ha adottato più tardi soluzioni LGA con l'avvento dei processori Athlon FX serie 7x interfacciati con 1207 pin alla scheda madre. Ora la soluzione LGA è divenuta di fatto standard. ROM (Read Only Memory), la piccola memoria presente su tutti i personal computer, che in alcuni casi può essere riprogrammata, (può essere PROM, EEPROM, flash o altro) contenente l'UEFI della scheda madre. L'Uefi è un tipo di firmware dalle funzionalità molto limitate. Le sue funzioni sono essenzialmente tre: eseguire il controllo dell'hardware all'accensione (il POST, Power On Self Test), eseguire alcune istruzioni basilari per il controllo dell'hardware stesso e caricare il sistema operativo. RAM (Random Access Memory), può essere di diversi tipi, esistono vari tipi di RAM diffusi dalle industrie sin dai primi anni ottanta. Attualmente le schede madri in commercio adottano slot DDRAM (DDR, DDR2, DDR3, DDR4, DDR5 nelle diverse evoluzioni delle prestazioni), derivate delle precedenti SDRAM, che a loro volta erano derivate dalle SIMM e SIPP presenti sulle macchine che montavano processori compatibili con l'80386. CMOS RAM, piccola memoria RAM, in cui sono memorizzate le impostazioni dell'UEFI. Il CMOS è un semiconduttore che richiede pochissima energia per funzionare. Quando il computer viene spento, per mantenere memorizzate le impostazioni dell'UEFI, utilizza una piccola batteria al litio, solitamente del tipo CR2032, con 3 Volt di tensione. bus di espansione, si tratta di un collegamento dati generico punto-multipunto, progettato per permettere di collegare alla scheda madre delle altre schede di espansione alloggiate su connettori (slot), che ne estendono le capacità. Attualmente il tipo di bus più diffuso è il bus PCI Express, arrivata alla versione PCIe 4.0, con la prossima commercializzazione della versione 5.0, molto più veloce del PCI originario. In linea di principio a un bus può essere collegato hardware di ogni tipo: schede video aggiuntive, schede audio professionali, schede acquisizione dati, unità di calcolo specializzate, coprocessori: nella pratica si ricorre a una scheda di espansione su slot interno solo per hardware che ha bisogno di una collaborazione estremamente stretta con la CPU o con la memoria RAM; per le espansioni hardware meno critiche si sfruttano le connessioni "lente" (USB, seriali ecc.). Fa parte del bus PCI anche lo slot AGP, dedicato alla scheda video, che è uno slot PCI dotato di alcuni comandi aggiuntivi separati e di una trasmissione dati privilegiata; le interfacce AGP sono state sostituite da tempo dagli slot PCI Express, perfettamente in grado di fare da ponte fra la scheda grafica e il resto del sistema.
Esistono anche altri componenti della scheda madre dette connettori. Si tenga presente che ogni tipo di connessione NON è intercambiabile con nessun altro e ha una propria posizione di inserzione, per evitare collegamenti errati, potenzialmente pericolosi o addirittura fatali per l'integrità della stessa scheda madre o dei componenti collegati.
Connettori interni
Connettore SATA
Il connettore SATA è stato definito da ATA (Advanced Technology Attachment) ed è un collegamento che permette lo scambio dei dati tra il resto del computer e memorie di massa come hard disk, SSD e/o lettori/masterizzatori CD/DVD per PC.
Nelle versioni più recenti, chiamate SerialATA 3, o SATA3, si arriva a velocità dei dati in lettura e scrittura dell'ordine dei Gigabit/secondo. Normalmente ce ne sono almeno due, si può arrivare a sei o più.
Connettore M.2 (o NGFF)
Si tratta di una connessione specifica per i nuovi modelli di memorie a stato solido tipo NVMe, con prestazioni di lettura/scrittura pari o anche superiori alla connessione SATA3, in base a come viene collegato il bus dati nella scheda madre. Richiede una vite di fissaggio specifica, di solito già fornita come accessorio con le schede madri più recenti o talvolta con la scheda di memoria. Può essere necessario anche un dissipatore dedicato per il suo raffreddamento.
Connettore IDE
L'interfaccia IDE è la connessione standard che è stata utilizzata per molti anni per collegare hard disk tradizionali e lettori/mastrizzatori CD/DVD. Caratterizzata da un cavo piatto a nastro e piuttosto largo, si potevano collegare fino a due hard disk per connettore, detti slave e master.
Questo connettore è stato ampiamente soppiantato dal connettore SATA.
Connettore floppy L'interfaccia per l'unità a dischi floppy, utilizza un cavo simile al cavo IDE standard per collegare gli hard disk IDE in quanto è un cavo piatto a nastro. Ad ogni connettore è possibile collegare 1 o 2 drive.
Non è più presente nelle schede madri ormai da diverso tempo.
Connettore ventola CPU
Il connettore della ventola della CPU, a 4 pin, è situato nelle immediate vicinanze del socket del processore e si trova in ogni computer che dispone di una CPU con dissipatore montato sopra di esso, munito di ventola di varia grandezza, a cui il connettore va collegato necessariamente.
I 4 pin del connettore consistono in:
massa
alimentazione +5V segnale per il numero di giri della ventola regolazione della velocità in PWM
Il connettore a 4 pin accetta anche una ventola a 3 pin omettendo di collegare il segnale PWM.
Il pin del segnale del regime di rotazione della ventola, in caso di rotazione bassa o assente, può essere usato dal sistema per spegnere il sistema o rifiutarsi di avviarsi per evitare il surriscaldamento della CPU.
Sulle scheda madri possono esserci anche altri connettori supplementari per alimentare le eventuali ventole montate nel case del computer, allo scopo di aiutare la circolazione e l'espulsione dell'aria riscaldata dalla CPU e dagli altri componenti come schede video, schede audio, memorie Ram ecc. Su alcuni tipi di schede madri è stato eliminato in favore di soluzioni diverse, come l'uso di piccoli radiatori costruiti appositamente per il raffreddamento di CPU a basso consumo.
USB Header 2.0 e 3.0 Header dell'USB o semplicemente USB Header è un gruppo di pin, localizzato tipicamente sulla scheda madre di computer o su scheda di espansione, a cui viene collegato un cavo USB interno per fornire una o più porte USB 2.0 supplementari sulla parte frontale del case del PC. Per connettere le porte USB 3.0 viene usato invece uno specifico connettore di colore blu, che assomiglia all'estremità del connettore IDE, ma più piccolo.
System panel header
È un gruppo di pin dedicato al collegamento verso il case, dei tasti di accensione, di reset, delle spie relative all'accensione stessa del PC e del funzionamento dell'hard disk interno.
A seconda del produttore del case del PC, i cavi di questi pin si possono anche trovare riuniti in un unico connettore predisposto, pronto per l'innesto.
20+4-Pin Motherboard Power
Il connettore Motherboard Power (Motherboard Power Connector) a 20+4 pin è facilmente identificabile sulla scheda madre. È un'altra delle connessioni più importanti del PC, collegando l'alimentatore alla scheda madre. È attraverso questa connessione che le varie tensioni di funzionamento e altri segnali vengono inviati alla scheda madre. (Potrebbe essere necessario familiarizzarsi con questi segnali nella sezione sulle funzioni di alimentazione se necessario.) I fattori di forma differenti utilizzano diversi numeri, tipi, forme e dimensioni dei connettori tra l'alimentatore e la scheda madre.
P4 e P4+P4 Power connector Il connettore P4 è per il collegamento del cavo di alimentazione da 12V utilizzato con schede madri con processore Intel Pentium 4 o successivo. Si trova normalmente nelle vicinanze dell'alloggiamento del processore. Attualmente, è un connettore fondamentale di alimentazione, è standard e viene utilizzato con le schede madri con chipset sia di Intel sia di AMD. Il cavo P4 ha due fili neri che servono da terra e due fili gialli che sono a +12VDC e si collegano alla connessione a quattro pin sulla scheda madre.