Una placa base (también llamada placa base , placa de circuito principal , [1] o mobo ) es la placa de circuito impreso (PCB) principal en computadoras de uso general y otros sistemas expandibles. Mantiene y permite la comunicación entre muchos de los componentes electrónicos cruciales de un sistema, como la unidad central de procesamiento (CPU) y la memoria , y proporciona conectores para otros periféricos . A diferencia de una placa posterior , una placa base generalmente contiene subsistemas importantes, como el procesador central, la entrada / salida del chipset y los controladores de memoria, la interfaz conectores, y otros componentes integrados para uso general.
Placa base significa específicamente una PCB con capacidades de expansión. Como su nombre lo indica, esta placa a menudo se conoce como la "madre" de todos los componentes conectados a ella, que a menudo incluyen periféricos, tarjetas de interfaz y tarjetas secundarias : tarjetas de sonido , tarjetas de video , tarjetas de red , adaptadores de bus de host , tarjetas sintonizadoras de TV. , Tarjetas IEEE 1394 ; y una variedad de otros componentes personalizados.
De manera similar, el término placa base describe un dispositivo con una sola placa y sin expansiones o capacidades adicionales, como placas de control en impresoras láser, televisores, lavadoras, teléfonos móviles y otros sistemas integrados con capacidades de expansión limitadas.
Historia
Antes de la invención del microprocesador , la computadora digital consistía en múltiples placas de circuito impreso en una caja de jaula de tarjetas con componentes conectados por un backplane , un conjunto de enchufes interconectados. En diseños muy antiguos, los cables de cobre eran las conexiones discretas entre los pines del conector de la tarjeta, pero las placas de circuito impreso pronto se convirtieron en la práctica estándar. La unidad central de procesamiento (CPU), la memoria y los periféricos se alojaban en placas de circuito impreso individualmente, que se conectaban al backplane. El omnipresente bus S-100 de la década de 1970 es un ejemplo de este tipo de sistema de backplane.
Las computadoras más populares de la década de 1980, como Apple II e IBM PC, habían publicado diagramas esquemáticos y otra documentación que permitía una rápida ingeniería inversa y placas base de reemplazo de terceros. Por lo general, pensadas para construir nuevas computadoras compatibles con los ejemplares, muchas placas base ofrecían rendimiento adicional u otras características y se usaban para actualizar el equipo original del fabricante.
A finales de la década de 1980 y principios de la de 1990, resultó económico trasladar un número creciente de funciones periféricas a la placa base. A fines de la década de 1980, las placas base de computadoras personales comenzaron a incluir circuitos integrados únicos (también llamados chips Super I / O ) capaces de admitir un conjunto de periféricos de baja velocidad: teclado y mouse PS / 2 , unidad de disquete , puertos serie y puertos paralelos . A fines de la década de 1990, muchas placas base de computadoras personales incluían funciones integradas de audio, video, almacenamiento y redes para el consumidor sin la necesidad de ninguna tarjeta de expansión ; sistemas de gama alta para juegos en 3D y gráficos de computadoranormalmente retuvo solo la tarjeta gráfica como un componente separado. Era más probable que las PC, las estaciones de trabajo y los servidores empresariales necesitaran tarjetas de expansión, ya sea para funciones más sólidas o para velocidades más altas; esos sistemas a menudo tenían menos componentes integrados.
Las computadoras portátiles y portátiles que se desarrollaron en la década de 1990 integraban los periféricos más comunes. Esto incluso incluía placas base sin componentes actualizables, una tendencia que continuaría a medida que se introdujeran sistemas más pequeños después del cambio de siglo (como la tableta y la netbook ). La memoria, los procesadores, los controladores de red, la fuente de alimentación y el almacenamiento se integrarían en algunos sistemas.
Diseño
Una placa base proporciona las conexiones eléctricas mediante las cuales se comunican los otros componentes del sistema. A diferencia de un backplane, también contiene la unidad central de procesamiento y aloja otros subsistemas y dispositivos.
Una computadora de escritorio típica tiene su microprocesador , memoria principal y otros componentes esenciales conectados a la placa base. Otros componentes tales como almacenamiento externo , controladores para visualización de video y sonido , y dispositivos periféricos se pueden conectar a la placa base como tarjetas enchufables o mediante cables; en las microcomputadoras modernas, es cada vez más común integrar algunos de estos periféricos en la propia placa base.
Un componente importante de una placa base es el conjunto de chips de soporte del microprocesador , que proporciona las interfaces de soporte entre la CPU y los diversos buses y componentes externos. Este chipset determina, hasta cierto punto, las características y capacidades de la placa base.
Las placas base modernas incluyen:
- Zócalos de CPU (o ranuras de CPU) en los que se pueden instalar uno o más microprocesadores . En el caso de CPU en paquetes de matriz de rejilla de bola , como VIA Nano y Goldmont Plus , la CPU se suelda directamente a la placa base [3]
- Las ranuras de memoria en las que se instalará la memoria principal del sistema, generalmente en forma de módulos DIMM que contienen chips DRAM , pueden ser DDR3 , DDR4 o DDR5
- El chipset que forma una interfaz entre la CPU , la memoria principal y los buses periféricos.
- Chips de memoria no volátil (generalmente Flash ROM en las placas base modernas) que contienen el firmware o BIOS del sistema
- El generador de reloj que produce la señal de reloj del sistema para sincronizar los distintos componentes.
- Ranuras para tarjetas de expansión (la interfaz al sistema a través de los buses admitidos por el chipset)
- Conectores de alimentación, que reciben la alimentación eléctrica del equipo de fuente de alimentación y la distribuyen a la CPU, chipset, memoria principal, y las tarjetas de expansión. A partir de 2007 [actualizar], algunas tarjetas gráficas (por ejemplo, GeForce 8 y Radeon R600 ) requieren más energía de la que puede proporcionar la placa base, por lo que se han introducido conectores dedicados para conectarlas directamente a la fuente de alimentación [4]
- Conectores para unidades de disco duro, unidades de disco óptico o unidades de estado sólido, normalmente SATA y NVMe ahora.
Además, casi todas las placas base incluyen lógica y conectores para admitir dispositivos de entrada de uso común, como USB para dispositivos de mouse y teclados . Las primeras computadoras personales , como Apple II o IBM PC, solo incluían este soporte periférico mínimo en la placa base. Ocasionalmente, el hardware de interfaz de video también se integró en la placa base; por ejemplo, en el Apple II y rara vez en los ordenadores compatibles con IBM, como el IBM PC Jr . Se proporcionaron periféricos adicionales como controladores de disco y puertos serie como tarjetas de expansión.
Dada la alta potencia de diseño térmico de las CPU y los componentes de las computadoras de alta velocidad, las placas base modernas casi siempre incluyen disipadores de calor y puntos de montaje para que los ventiladores disipen el exceso de calor.
Factor de forma
Las placas base se producen en una variedad de tamaños y formas denominados factor de forma de computadora , algunos de los cuales son específicos de los fabricantes de computadoras individuales. Sin embargo, las placas base utilizadas en los sistemas compatibles con IBM están diseñadas para adaptarse a varios tamaños de carcasa . A partir de 2005 [actualizar], la mayoría de las placas base de las computadoras de escritorio utilizan el factor de forma estándar ATX , incluso las que se encuentran en las computadoras Macintosh y Sun , que no se han construido a partir de componentes básicos. El factor de forma de la placa base y la unidad de fuente de alimentación (PSU) de un gabinete deben coincidir, aunque algunas placas base de factor de forma más pequeño de la misma familia se ajustarán a gabinetes más grandes. Por ejemplo, una caja ATX generalmente se adapta a unplaca base microATX . Las computadoras portátiles generalmente usan placas base altamente integradas, miniaturizadas y personalizadas. Ésta es una de las razones por las que las computadoras portátiles son difíciles de actualizar y costosas de reparar. A menudo, la falla de un componente de la computadora portátil requiere el reemplazo de toda la placa base, que generalmente es más costosa que una placa base de escritorio.
Sockets de CPU
Un zócalo de CPU (unidad central de procesamiento) o ranura es un componente eléctrico que se conecta a una placa de circuito impreso (PCB) y está diseñado para albergar una CPU (también llamada microprocesador). Es un tipo especial de zócalo de circuito integrado diseñado para recuentos de pines muy altos. Un zócalo de CPU proporciona muchas funciones, incluida una estructura física para soportar la CPU, soporte para un disipador de calor, facilitar el reemplazo (así como reducir el costo) y, lo más importante, formar una interfaz eléctrica tanto con la CPU como con la PCB. Los zócalos de CPU en la placa base se pueden encontrar con mayor frecuencia en la mayoría de las computadoras de escritorio y servidores (las computadoras portátiles generalmente usan CPU de montaje en superficie), particularmente aquellas basadas en Intel x86arquitectura. Un tipo de zócalo de CPU y un conjunto de chips de placa base deben admitir la serie y la velocidad de la CPU.
Periféricos integrados
Con los costos y el tamaño de los circuitos integrados en constante disminución , ahora es posible incluir soporte para muchos periféricos en la placa base. Combinando muchas funciones en una placa de circuito impreso , se puede reducir el tamaño físico y el costo total del sistema; Por lo tanto, las placas base altamente integradas son especialmente populares en computadoras de pequeño tamaño y económicas.
- Controladores de disco para unidades SATA y unidades PATA históricas .
- Controlador de disquete histórico
- Los gráficos integrados controlador de apoyo en 2D y 3D de gráficos, con VGA , DVI , HDMI , DisplayPort y TV de salida
- tarjeta de sonido integrada que admite audio de 8 canales (7.1) y salida S / PDIF
- Controlador de red Ethernet para la conexión a una LAN y para recibir Internet
- Controlador USB
- Controlador de interfaz de red inalámbrica
- Controlador bluetooth
- Sensores de temperatura, voltaje y velocidad del ventilador que permiten que el software controle el estado de los componentes de la computadora.
Ranuras para tarjetas periféricas
Una placa base típica tendrá un número diferente de conexiones según su estándar y factor de forma .
Una placa base ATX estándar y moderna generalmente tendrá dos o tres conexiones PCI-Express x16 para una tarjeta gráfica, una o dos ranuras PCI heredadas para varias tarjetas de expansión y una o dos PCI-E x1 (que ha reemplazado a PCI ). Una placa base EATX estándar tendrá de dos a cuatro conexiones PCI-E x16 para tarjetas gráficas y un número variable de ranuras PCI y PCI-E x1. A veces también puede tener una ranura PCI-E x4 (variará entre marcas y modelos).
Algunas placas base tienen dos o más ranuras PCI-E x16, para permitir más de 2 monitores sin hardware especial, o usan una tecnología de gráficos especial llamada SLI (para Nvidia ) y Crossfire (para AMD ). Estos permiten vincular de 2 a 4 tarjetas gráficas, para permitir un mejor rendimiento en tareas intensivas de computación gráfica, como juegos, edición de video, etc.
En las placas base más nuevas, las ranuras M.2 son para SSD y / o controlador de interfaz de red inalámbrica .
Temperatura y confiabilidad
Las placas base generalmente se enfrían por aire con disipadores de calor a menudo montados en chips más grandes en las placas base modernas. [5] Una refrigeración insuficiente o inadecuada puede dañar los componentes internos de la computadora o hacer que se bloquee . El enfriamiento pasivo , o un solo ventilador montado en la fuente de alimentación , fue suficiente para muchas CPU de computadoras de escritorio hasta finales de la década de 1990; desde entonces, la mayoría ha requerido que los ventiladores de la CPU se monten en sus disipadores de calor , debido al aumento de la velocidad del reloj y al consumo de energía. La mayoría de las placas base tienen conectores para ventiladores de computadora adicionalesy sensores de temperatura integrados para detectar las temperaturas de la placa base y la CPU y conectores de ventilador controlables que el BIOS o el sistema operativo pueden usar para regular la velocidad del ventilador. [6] Alternativamente, las computadoras pueden usar un sistema de enfriamiento por agua en lugar de muchos ventiladores.
Algunas computadoras de factor de forma pequeño y computadoras de cine en casa diseñadas para un funcionamiento silencioso y de bajo consumo cuentan con diseños sin ventilador. Por lo general, esto requiere el uso de una CPU de bajo consumo, así como un diseño cuidadoso de la placa base y otros componentes para permitir la colocación del disipador de calor.
Un estudio de 2003 encontró que algunos fallos de computadora espurios y problemas generales de confiabilidad, que van desde distorsiones de la imagen de la pantalla hasta errores de lectura / escritura de E / S , pueden atribuirse no al software o al hardware periférico , sino al envejecimiento de los condensadores de las placas base de las PC. [7] En última instancia, se demostró que esto era el resultado de una formulación defectuosa de electrolitos, [8] un problema denominado plaga de condensadores .
Las placas base estándar utilizan condensadores electrolíticos para filtrar la potencia de CC distribuida por la placa. Estos condensadores envejecen a un ritmo que depende de la temperatura, ya que sus electrolitos a base de agua se evaporan lentamente. Esto puede provocar una pérdida de capacitancia y un mal funcionamiento posterior de la placa base debido a inestabilidades de voltaje . Si bien la mayoría de los condensadores tienen una capacidad nominal de 2000 horas de funcionamiento a 105 ° C (221 ° F), [9] su vida útil prevista se duplica aproximadamente por cada 10 ° C (18 ° F) por debajo de esta. A 65 ° C (149 ° F) se puede esperar una vida útil de 3 a 4 años. Sin embargo, muchos fabricantes ofrecen condensadores de calidad inferior [10].que reducen significativamente la esperanza de vida. El enfriamiento inadecuado de la carcasa y las temperaturas elevadas alrededor del zócalo de la CPU agravan este problema. Con los ventiladores superiores, los componentes de la placa base se pueden mantener por debajo de 95 ° C (203 ° F), duplicando efectivamente la vida útil de la placa base.
Las placas base de gama media y alta, por otro lado, utilizan condensadores sólidos exclusivamente. Por cada 10 ° C menos, su vida útil promedio se multiplica aproximadamente por tres, lo que resulta en una esperanza de vida 6 veces mayor a 65 ° C (149 ° F). [11] Estos condensadores pueden tener una capacidad nominal de 5000, 10000 o 12000 horas de funcionamiento a 105 ° C (221 ° F), lo que prolonga la vida útil proyectada en comparación con los condensadores sólidos estándar.
En las computadoras de escritorio y las computadoras portátiles, las soluciones de monitoreo y enfriamiento de la placa base generalmente se basan en Super I / O o controlador integrado .
Bootstrapping usando el sistema básico de entrada / salida
Las placas base contienen una ROM (y posteriormente EPROM , EEPROM , NOR flash ) para inicializar los dispositivos de hardware y cargan un sistema operativo desde el dispositivo periférico . Microcomputadoras como Apple II e IBM PC usaban chips ROM montados en zócalos en la placa base. En el encendido, la unidad de procesador central cargaría su contador de programa con la dirección de la ROM de arranque y comenzaría a ejecutar las instrucciones desde la ROM de arranque. Estas instrucciones inicializaron y probaron el hardware del sistema, muestran información del sistema en la pantalla, realizan RAMcomprobaciones y luego cargó un sistema operativo desde un dispositivo periférico. Si no había ninguno disponible, la computadora realizaría tareas de otras tiendas de ROM o mostraría un mensaje de error, según el modelo y el diseño de la computadora. Por ejemplo, tanto el Apple II como el IBM PC original tenían Cassette BASIC (ROM BASIC) y comenzarían eso si no se pudiera cargar ningún sistema operativo desde el disquete o el disco duro.
La mayoría de los diseños de placas base modernas utilizan un BIOS , almacenado en un chip flash EEPROM o NOR, soldado o enchufado en la placa base, para iniciar un sistema operativo . Cuando la computadora está encendida, el firmware del BIOS prueba y configura la memoria, los circuitos y los periféricos. Esta prueba automática de encendido (POST) puede incluir probar algunas de las siguientes cosas:
- Tarjeta de video
- Tarjetas de expansión insertadas en ranuras, como PCI y PCI Express convencionales
- Unidad de disquete histórica
- Temperaturas , voltajes y velocidades de los ventiladores para la supervisión de hardware
- Memoria CMOS utilizada para almacenar la configuración del BIOS
- Teclado y Ratón
- Tarjeta de sonido
- Adaptador de red
- Unidades ópticas: CD-ROM o DVD-ROM
- Unidad de disco duro y unidad de estado sólido
- Dispositivos de seguridad, como un lector de huellas dactilares
- Dispositivos USB , como un dispositivo de almacenamiento masivo USB
Muchas placas base ahora usan un sucesor de BIOS llamado UEFI . Se hizo popular después de que Microsoft comenzara a exigir que un sistema estuviera certificado para ejecutar Windows 8 . [12] [13]
Ver también
- Interconexión de componentes periféricos (PCI)
- PCI-X
- PCI Express (PCIe)
- Puerto de gráficos acelerado (AGP)
- M.2
- Tornillos de la caja de la computadora
- Batería CMOS
- Tarjeta de expansion
- Lista de fabricantes de hardware informático
- Sistema básico de entrada / salida (BIOS)
- Interfaz de firmware extensible unificada (UEFI)
- Overclocking
- Computadora de placa única
- Aplicaciones de fuente de alimentación de modo conmutado
- Multiprocesamiento simétrico
Referencias
- ^ Miller, Paul (8 de julio de 2006). "Apple se cuela nueva placa lógica en los quejumbrosos MacBook Pros" . Engadget. Archivado desde el original el 4 de octubre de 2013 . Consultado el 2 de octubre de 2013 .
- ^ "Golden Oldies: placas base 1993" . Archivado desde el original el 13 de mayo de 2007 . Consultado el 27 de junio de 2007 .
- ^ "Tipos de zócalos de CPU explicados: del zócalo 5 a BGA [Explica MakeUseOf]" . 25 de enero de 2013. Archivado desde el original el 7 de abril de 2015 . Consultado el 12 de abril de 2015 .
- ^ W1zzard (6 de abril de 2005). "Pinout del conector de alimentación PCI-Express" . techPowerUp. Archivado desde el original el 4 de octubre de 2013 . Consultado el 2 de octubre de 2013 .
- ^ Karbo, Michael. "La CPU y la placa base" . Guía Karbos. Archivado desde el original el 27 de abril de 2015 . Consultado el 21 de junio de 2015 .
- ^ "Temperaturas" . Wiki de BIOS visual Intel® . Google. Archivado desde el original el 21 de junio de 2015 . Consultado el 21 de junio de 2015 .
- ^ c't Magazine , vol. 21, págs. 216-221. 2003.
- ^ Chiu, Yu-Tzu; Moore, Samuel K. (31 de enero de 2003). "Fallos y fallos: condensadores con fugas ensucian las placas base" . Espectro IEEE. Archivado desde el original el 19 de febrero de 2003 . Consultado el 2 de octubre de 2013 .
- ^ "Fórmula de vida útil del condensador" . Low-esr.com. Archivado desde el original el 15 de septiembre de 2013 . Consultado el 2 de octubre de 2013 .
- ^ Carey Holzman La PC saludable: atención preventiva y remedios caseros para su computadora McGraw-Hill Professional, 2003 ISBN 0-07-222923-3 página 174
- ^ "- GIGABYTE, --Geeks Columna de la semana - Todo condensador sólido" . www.gigabyte.com . Archivado desde el original el 27 de marzo de 2017 . Consultado el 6 de mayo de 2017 .
- ^ "Requisitos de certificación de hardware de Windows para sistemas cliente y servidor" . Microsoft. Enero de 2013.
System.Fundamentals.Firmware.CS.UEFISecureBoot.ConnectedStandby ... Las plataformas deben ser UEFI de clase tres (consulte UEFI Industry Group, Evaluación de UEFI utilizando plataformas y soluciones comercialmente disponibles, versión 0.3, para obtener una definición) sin módulo de soporte de compatibilidad instalado o instalable.
La emulación de BIOS y el arranque de PC / AT heredado deben estar deshabilitados.
- ^ "Microsoft: todo lo que necesita saber sobre Windows 8 en ARM" . Revista de PC . Consultado el 30 de septiembre de 2013 .
Enlaces externos
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- Placas base en Curlie
- Lista de fabricantes de placas base y enlaces a actualizaciones de BIOS
- ¿Qué es una placa base?
- La fabricación de una placa base: recorrido por la fábrica de ECS
- La fabricación de una placa base: visita a la fábrica Gigabyte
- Guía de diseño de conectividad de E / S del panel frontal - v1.3 (archivo pdf)
- Cómo comprar una placa base para una PC para juegos
