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Curso de Computadoras para Bases de Datos - Tema 5.1: la placa base

Imagen cenital de una placa baseLa placa base o, en inglés, mother board es, sin lugar a dudas, el componente más olvidado y menospreciado de un ordenador cuando en realidad es tan importante o más que el procesador. La placa base es el componente sobre el que se ensamblan el resto de componentes de un ordenador. Este componente nos determinará el tipo de procesador, la cantidad y tipo de memoria RAM, los dispositivos de almacenamiento que podemos conectar, las conexiones disponibles, los estándares que soporta… vamos, todo.

Es un circuito impreso fabricado pensando para una familia de procesadores con los cuáles son compatibles, siendo imposible montar un procesador para el que no está pensado.

Existen multitud de fabricantes que ponen a disposición del público una amplia gama de placas base que aportan desde funcionalidades básicas hasta las más complejas, siendo el precio directamente proporcional a las funcionalidades que ofrece. Algunos fabricantes reconocidos mundialmente son Asrock, Asus, MSI, Gigabyte, Rapsberry… Cada fabricante ofrece sus productos a un público objetivo concreta y tratan de sacar innovaciones que mejoren el rendimiento general del sistema.

Las placas bases suelen llevar impresas de algún modo el nombre del modelo. Con este dato y el nombre del fabricante se puede buscar en línea el manual de instrucciones de la placa base. En este documento se refleja cómo se realiza el montaje de la propia placa base sobre la caja y de cada uno de los componentes, así como el tipo de componentes que admite en cada uno de los módulos. Por lo tanto, tendremos que acudir a él para saber que socket tiene, el tipo de memoria RAM que es compatible y los tamaños máximos, los puertos PCI-Express disponibles…

Formato o factor de forma

Factores de forma en relación con los formatos de papelLas tarjetas madre necesitan tener dimensiones compatibles con las cajas que las contienen, de manera que desde los primeros computadores personales se han establecido características mecánicas y físicas, llamadas factor de forma. Definen la distribución de los diversos componentes y las dimensiones físicas, como por ejemplo el largo y ancho de la tarjeta, la posición de agujeros de sujeción y las características de los conectores.

Con el paso de los años fueron apareciendo nuevos factores de forma,  que se fueron imponiendo unas sobre otras, llegando a desaparecer los formatos antiguos. El primer formato que se utilizó fue el XT, Xtended Technology o tecnología extendida. Fue el formato de la placa base de la computadora IBM PC XT (modelo 5160), lanzado en 1983. En este factor de forma se definió un tamaño exactamente igual al de una hoja de papel tamaño carta y un único conector externo para el teclado.

En el año 1984 surgió el formato AT, Advanced Technology o tecnología avanzada. Es uno de los formatos más grandes de toda la historia con una dimensiones grandes: 305 × 279 - 330 milímetros. Definió un conector de potencia formado por dos partes. Fue usado de manera extensa desde 1985 hasta 1995.

En 1995 fue creado por un grupo liderado por Intel el formato ATX, Advanced Technology eXtended o tecnología avanzada extendida. Se introdujeron las conexiones exteriores en la forma de un panel entrada/salida y definió un conector de 24 pines para la energía. Es el factor de forma más en la actualidad en los ordenadores de sobremesa, que incluyen conectores de energía extra o reducciones en el tamaño. Dentro de este tamaño se distinguen varios tipos.

  • ATX: 305 × 244 mm (Intel)
  • microATX: 244 × 244 mm
  • FlexATX: 229 × 191 mm
  • MiniATX: 284 × 208 mm

En el año 2001 comienza a usarse el formato ITX, Integrated Technology eXtended, con rasgos procedentes de las especificaciones microATX y FlexATX de Intel. El diseño de VIA se centra en la integración en placa base del mayor número posible de componentes, además de la inclusión del hardware gráfico en el propio chipset del equipo siendo innecesaria la instalación de una tarjeta gráfica en la ranura AGP.

En el año 2004 surgió uno de los formatos con peor aceptación: BTX. Fue retirada en muy poco tiempo del mercado debido a que resultó prácticamente incompatible con ATX, salvo en la fuente de alimentación. Fue creada para intentar solventar los problemas de ruido y refrigeración, como evolución de la ATX.

El factor de forma DTX estuvo destinado a las PC de pequeño formato. Hacen uso de un conector de energía de 24 pines y de un conector adicional de 2x2.

Partes              

Partes que componen una placa baseSus partes internas son: BIOS, chipset, pila, conector eléctrico, zócalo ZIF, ranuras de memoria, ranuras PCI, ranura PCI-Express, ranura AGP, ranuras ISA, conector disquetera, conector IDE, conector SATA, conector teclado, conector teclado, conector mouse, conector USB, conector RJ45, controladoras de dispositivos, jumpers y conmutadores DIP. Veamos cada uno de ellos para saber cuál es su función.

BIOS

En informática el sistema básico de entrada-salida o BIOS, del inglés Basic Input/Output System, es un estándar de facto que define la interfaz de firmware para computadoras IBM PC compatibles.​ El nombre se originó en 1975, en el BIOS usado por el sistema operativo CP/M.3​4​

El software del BIOS es almacenado en un circuito integrado de memoria ROM no volátil en la placa base. La información se mantiene almacenada cuando se apaga el ordenador gracias a una pila de botón que suministra la energía necesaria para ello, pudiendo ser motivo de que el ordenador no se cargue el que la pila esté agotada.

Está específicamente diseñada para trabajar con cada modelo de placa base en particular, conectando los diversos dispositivos que componen el conjunto de chips complementarios del sistema. En computadoras modernas, el BIOS está almacenado en una memoria flash, por lo que su contenido puede ser reescrito sin retirar el circuito integrado de la placa base. Esto permite que el BIOS sea fácil de actualizar para agregar nuevas características o corregir errores, pero puede hacer que la computadora sea vulnerable a los rootkit de BIOS.

El firmware del BIOS es instalado dentro de la computadora personal y es el primer programa que se ejecuta cuando se enciende la computadora. El propósito fundamental del BIOS es iniciar y probar el hardware del sistema y cargar un gestor de arranque o un sistema operativo desde un dispositivo de almacenamiento de datos.

Además, el BIOS provee una capa de abstracción para el hardware, por ejemplo, que consiste en una vía para que los programas de aplicaciones y los sistemas operativos interactúen con el teclado, el monitor y otros dispositivos de entrada/salida. Las variaciones que ocurren en el hardware del sistema quedan ocultas por el BIOS, ya que los programas usan servicios de BIOS en lugar de acceder directamente al hardware. Los sistemas operativos modernos ignoran la capa de abstracción provista por el BIOS y acceden al hardware directamente.

Chipset

El chipset es un conjunto de circuitos electrónicos que gestionan las transferencias de datos entre los diferentes componentes de la computadora: procesador, memoria, tarjeta gráfica, unidad de almacenamiento secundario, etcétera.

El chipset, generalmente se divide en dos secciones. El puente norte, northbridge, que gestiona la interconexión entre el microprocesador, la memoria RAM y la unidad de procesamiento gráfico; y el puente sur ,southbridge, que gestiona la interconexión entre los periféricos y los dispositivos de almacenamiento, como los discos duros o las unidades de disco óptico.

Buses

Imagen detallada de una placa baseLos buses son espacios físicos que permiten el transporte de información y energía entre dos puntos de la computadora.

En la actualidad el sistema de buses es de 64 bits pero aún podemos encontrar muchos de 32 bits. La capacidad del bus es medida por la velocidad del reloj que puede ser de 66Mhz, 100Mhz, 133Mhz y desde que salió el sistema Pentium IV en adelante a 400Mhz.

Uno de los buses más antiguos y que ya prácticamente desapareció del mercado es el bus ISA (Industry Standard Architecture) de 16 bits. Éste utilizaba una ranura de color negra en la que se podían conectar tarjetas de video, sonido y modem de los más antiguos. Posterior al ISA se crearon otros sistemas de buses como el EISA (Enhanced Industry Standard Architecture), MCA (Micro Channel Architecture) y VLB (Video Local Bus) que también ya han desaparecido.

En las motherboard actuales se utiliza el sistema de bus conocido como PCI (Peripheral Component Interconnect), aunque según podemos ver recientemente, ya algunas motherboard están desapareciendo el uso de las ranuras PCI y las reemplazan incrementando las entradas vía USB.

Al igual que el bus ISA otro componente de las motherboard que ha desaparecido por completo son las ranuras de tipo SIMM ya que las memorias que se colocaban allí, fueron desfasadas desde hace un buen tiempo.

Los buses generales son cinco. Los buses de datos son las líneas de comunicación por donde circulan los datos externos e internos del microprocesador.

El bus de dirección es la línea de comunicación por donde viaja la información específica sobre la localización de la dirección de memoria del dato o dispositivo al que se hace referencia.

El bus de control es la línea de comunicación por donde se controla el intercambio de información con un módulo de la unidad central y los periféricos.

Los buses de expansión son el conjunto de líneas de comunicación encargado de llevar el bus de datos, el bus de dirección y el de control a la tarjeta de interfaz (entrada, salida) que se agrega a la placa principal.

Todos los componentes de la placa madre se vinculan a través del bus del sistema, mediante distintos tipos de datos del microprocesador y de la memoria principal, que también involucra a la memoria caché de nivel 2. La velocidad de transferencia del bus de sistema está determinada por la frecuencia del bus y el ancho.

Zócalo de CPU

Es un receptáculo que encastra el microprocesador y lo conecta con el resto de componentes a través del bus frontal de la placa base. También es conocido como socket. Cada familia de procesadores tiene un socket ya que la arquitectura cambia con cada familia de procesadores: LGA, PGA, BGA… cada uno con sus características físicas y técnicas concretas que le hacen único.

Si la placa madre dispone de un único zócalo para microprocesador, se denomina monoprocesador. En cambio, si dispone de dos o más zócalos, se denomina placa multiprocesador.

Ranuras de memoria de acceso aleatorio

Las placas bases tienen ranuras o slots de memoria de acceso aleatorio. Su número varía de 2 a 6 ranuras en una misma placa base común. Pueden estar codificadas por colores.

En ellas se insertan memorias del tipo conveniente dependiendo de la velocidad, capacidad y fabricante requeridos según la compatibilidad de cada placa base y la CPU.

Conectores de alimentación

La placa base necesita recibir alimentación eléctrica para surtir de energía a todos sus componentes. Esto se realiza mediante uno o varios de conectores de alimentación de una fuente de alimentación eléctrica que proporciona a la placa base los diferentes voltajes e intensidades necesarios para su funcionamiento. La conexión más habitual en la actualidad tiene 24 pines de contacto, pudiendo venir todos juntos o separados por su función. En el caso de que vengan separados es de vital importancia seguir las instrucciones del fabricante para su montaje debido a que cada cable lleva una tensión distinto.

El reloj

Regula la velocidad de ejecución de las instrucciones del microprocesador y de los periféricos internos.

La CMOS

Imagen de una placa base con el detalle de la pila

El semiconductor complementario de óxido metálico o complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) es una de las familias lógicas empleadas en la fabricación de circuitos integrados. Es una pequeña memoria que preserva cierta información importante (como la configuración del equipo, fecha y hora), mientras el equipo no está alimentado por electricidad. Este se consigue mediante una pila de tipo botón que proporciona la electricidad necesaria para operar el circuito constantemente y que este último no se apague perdiendo la serie de configuraciones guardadas, como la fecha, hora, secuencia de arranque...

Conectores externos

Los conectores de entrada/salida que cumplen normalmente con la norma PC 99 y están soldados a la placa base y se agrupan en una rectángulo. Veamos los principales tipos y sus características.

Los puertos serie fueron usados para conectar dispositivos tales como: teclados, ratones, módems.. El conector tenía 9 pines.

Los puertos paralelos eran usados para la conexión de impresoras antiguas. El conector tenía 25 pines.

Los puertos PS/2 fueron usados para conectar teclado y ratón; están prácticamente sustituidos por el USB. Clavijas de tipo Mini DIM de 6 pines.

Los puertos USB, en inglés Universal Serial Bus, para conectar diferentes periféricos: mouse, teclado, memoria USB, teléfonos inteligentes, impresoras. Existen varios formatos que han ido aumentando la velocidad de transferencia; la primera versión v.1 tenía una velocidad máxima de 1,5 MB/s, la v.2 alcanzaba comenzaba en los 60 MB/s y llegó a los 480 MB/s, la v.3 alcanzó hasta los 4,8 GB/s, la v.3.1 llegará hasta los 9,8 GB/s.

Los conectores RJ-45, para conectarse a una red informática.

Conectores para DVI-D, señal digital de vídeo suministrada a través de un conector con 18 o 24 pines.

Los conectores VGA, DVI de señal de vídeo analógica con 15 pines.

Los conectores de alta definición o HDMI para transmitir la señal de vídeo y audio en solo cable. Existen dos tipos distintos, el A con 19 pines y el B con 21.

Los puertos Firewire o IIEE 1394 para la copia de datos desde dispositivos digitales tales como cámaras de vídeo.

Los conectores IDE o Serial ATA, para conectar dispositivos de almacenamiento, tales como discos duros (HDD), dispositivos de estado sólido (SDD) y unidades de disco óptico.

Los conectores jacks de audio, para conectar dispositivos de audio, por ejemplo: altavoces y auriculares (código de color: verde), y micrófonos (código de color: rosado).

Conectores internos

Se usan para dispositivos internos tales como la disquetera, ya en desuso, los discos duros, los discos en estado sólido, ventiladores, auriculares, USB.

Los puertos IDE (Integrated Drive Electronic), los famosos cables planos con maestro y esclavo; EIDE (enhanced IDE), ATA (Advanced Technology Attachment), FDD para disqueteras y PATA (Paralell ATA). Sirven de interfaz de transferencia de datos para discos duros y unidades ópticas.

Los puertos SATA (Serial ATA) se usan para discos duros, discos en estado sólido y unidades ópticas. La velocidad de transmisión ha ido aumentando progresivamente desde los 150 Mb/s de la primera versión hasta los 600 de la tercera versión.

Ranuras de expansión

Son receptáculos o, en inglés, slots que pueden acoger placas o tarjetas de expansión que agregan características o aumentan el rendimiento de la computadora; así se puede añadir una tarjeta gráfica dedicada para mejorar el rendimiento 3D. Estos puertos pueden ser de varios tipos y suelen seguir un código de colores.

  • ISA, Industry Standard Architecture, es una interfaz antigua que alcanzaba una tasa de transferencia de hasta 16 MB/s.
  • PCI (Peripheral Component Interconnect),
  • AGP (Accelerated Graphics Port) y,
  • PCIe o PCI-Express, son los más recientes.

Jumpers

Los jumpers son pines anclados a las placas madres y algunos dispositivos, tales como discos duros, para activar, regular o desactivar funciones específicas de un sistema que no son accesibles por medio del software. Su función como llave eléctrica fue determinar el funcionamiento de diversas funciones de la placa. Era posible, por ejemplo, utilizar un jumper o puente para limitar la potencia del procesador y, en consecuencia, reducir su velocidad y calefacción. Se colocaba un capuchón sobre ellos o se dejaban libres.

Conmutadores DIP

Son varios interruptores diminutos en una misma caja soldados a la placa base, ya en desuso

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