Trabajo Práctico Nº3: La placa principal (Motherboard - Mainboard)

 El Motherboard es un circuito impreso que consta de un material aislante (fibra de vidrio, pertinox, etc.) sobre la cual se hayan los conductores que conectan los distintos componentes que irán soldados sobre ella. Con la tecnología actual se construyen circuitos impresos que pueden tener varias capas.

 

 Si analizamos la PC el conjunto Motherboard y microprocesador resultan los componentes centrales. La característica que siempre tuvieron los Motherboard es la que podemos llamar "arquitectura modular y abierta" que posibilita incorporar o intercambiar elementos de la PC para mejorar sus características. Esta tecnología deja la puerta abierta para que muchos fabricantes produzcan partes que conforman los equipos. Es decir se puede armar una PC con un Motherboard de una marca, una placa de video de otra, una placa de sonido de otra,etc, y reemplazar cualquiera de ellos por otra de otra marca. Es decir que todos los componentes se fabrican siguiendo estándares bien definidos. Como veremos más adelante esas normas son dictadas muchas veces por organizaciones internacionales y otras por los propios fabricantes que se reúnen para definirlas. De esta manera surgieron los llamados clones de PC que no tienen una marca específica y cuyo componentes proceden de diferentes fabricantes.

Elementos de un Motherboard:

1- Conectores: los Motherboard que respetan la norma ATX (Advance Tecnology Extended) incorporan un grupo de conectores estándar: RS232 (serie), Paralelo (centronics), PS/2 (violeta: teclado y verde: mouse), USB, VGA, RJ45 (red) y conectores de audio (micrófono, parlantes o auriculares y entrada de línea).

2- Zócalo del microprocesador (socket): aquí se coloca el microprocesador. La cantidad de contactos y la medida dependen de la marca y del modelo utilizado. Además también, en algunos casos, los anclajes para el Cooler (compuesto por el disipador y el ventilador).

 Amd



Intel


Intel


Amd

3 – Conectores de memoria: aquí se colocan los módulos  de memoria RAM Dinámicas que reciben el mismo nombre que las memorias (SIMM, DIMM, RIMM)

SiMM

 

DIMM

 

RIMM

4- Conectores de disketera: (ya en desuso)

5-Conectores IDE: en estos conectores se conectan los cables planos que permite conectar hasta 4 dispositivos (disco rígido y /o lectora/grabadora de CD/DVD). En los motherboards mas modernos se encuentran en los conectores SATA que es la interfase que se usa actualmente en los discos rigidos .

IDE: 130MB/S

SATA1: 150MB/S

SATA2: 300MB/S

SATA3: 600MB/S

IDE

SATA

6 – Conector de alimentacion: mediante este conector el motherboard recibe las tensiones de alimentación.Los conectores que se usan en la actualidad siguen la norma adx que reemplazo a los antiguos conectores ad.

7 - BIOS:(Basic imput output system) este circuito integrado contiene el software básico que le permite al motherboard que se comunique con el sistema operativo.

Entre otras  cosas el bios controla la forma en que el motherboard maneja la memoria los discos duros y mantiene la fecha y la hora del reloj el bios contiene

2 tipos de memoria una memoria ROM (memoria de solamente lectura) y una memoria RAM (memoria de lectura y escritura llamada setup que mantiene la información

Aunque la  maquina se apague debido a que esta alimentada por una batería

8 - Chipset northbridge:(puente norte) es el encargado de controlar el bus de datos del procesador y el bus de direcciones

9- Conectores al gabinete: aqui se conectan los comandos e indicadores que se encuentran en el frente del gabinete: led de encendido, led  de funcionamiento del disco rigido, boton de encendido,boton de reset

10- chipset southbridge: (puente sur) es la parte del chipset encargada de brindar conectividad. Controla los discos rigidos el bus pci, los puertos usb

11- Pila: mantiene el setup es del tipo cr 2032. en caso de que la computadora pierda su configuracion como por ejemplo : la hora la fecha o la geometria del disco rigido debera ser cambiada

12- Slot PCI: en estas ranuras se insertan las placas  de expansion como por ejemplo:  las placas de red, placa de sonido, capturadoras de video, sintonizadoras de tv, etc.

Actualmente las placas de video se conectan al puerto pci express

13- Slot AGP: aqui se conectaban las placas de video. Actualmente esta en deshuso.

             

                                                   Factor de forma (form factor)

Atendiendo a la estructura modular o la arquictectura abierta los fabricantes de motherboard deben atenerse al cumplimiento de los extandares y normas de la industria del hardware. Ademas cuando surge un elemento nuevo como por ejemplo: el puerto usb todos los fabricantes deberan cumplir con las normas y caracteristicas constructivas de este puerto para no quedar fuera del negocio del hardware.

El factor de forma indica las dimensiones y el tamaño de la placa lo que lo vincula con le gabinete especifico. Tambien estrablece la posicion de los anclajes  yl a distribucion de los componentes (Slots de expancion, ubicacion de los bancos de memoria, ubicacion del socalo del microprocesador, etc  ).

Los formatos obsoletos son los AT y Baby AT y los formatos en uso son los ATX , microATX y ATX Flex.

Northbridge (puente norte)

   El puente norte se encarga de soportar al micro procesador en el manejo de los buses y la memoria. Justamente sirve de conección entre el motherboard, el microprocesador y la memoria por eso su nombre de puente. Generalmente las innovaciones tecnológicas como las memoria DDR y el FSB (Frout Side Bus) son soportados por este chip. La tecnología de fabricación del northbridge es similar al la del propio microprocesador ya que debe ocuparse de manejos de alta velocidad como el FSB cuya frecuencia va de 400 a 800 MHz. Por esta razón este circuito integrado está dotado de un discipador de calor y en algunas máquinas hasta de un ventilador.

Southbridge (puente sur)

   El puente sur es el segundo chip de importancia y controla los buses de entrada y salida de datos de los perifericos. Controla los puertos IDE y SATA (discos rígidos y lectoras/grabadoras), los puertos USB y el bus PCI y el audio de seis canales. La conección de los puentes norte y sur se realizaba a través del bus PCI, pero recientemente algunos fabricantes de motherboard han empezado a usar buses especiales que permiten una transferencia de datos directa y sin interferencia entre los dos puentes. La vieja conección PCI tiene un ancho de banda de solo 133 Mb/seg que quedó insuficiente para la velocidad de los dispositivos actuales. Solamente teniendo en cuenta que los discos rígidos actuales rondan los 100 Mb/seg y si le agregamos la transferencia de las placas que están colocadas en los slots PCI y los puertos USB:0 vemos que el bus PCI vemos que el bus PCI se encuentra congestionado. La mejor solución fue entonces conectar los puentes con un bus dedicado. Por ejemplo el Chipset I810 de Intel incorporó un pequeño bus de 8 bits (1 byte a 266 MHz). 

Bus agp (advanced graphics port)

-Ancho del bus: 32bits

-Frecuencias del Clock: 66Mhz

Buses

   Los buses constituyen físicamente pistas de cobre de los circuitos impresos que interconectan eléctricamente los dispositivos montados sobre el motherboard (microprocesador, memoria RAM, BIOS, puertos, etc.).

   Los buses de un motherboard se pueden dividir en: bus de datos, bus de direcciones y bus de sistema.

   El bus de datos transporta datos o instrucciones en forma de pulsos eléctricos desde y hacia el microprocesador. Dependiendo del sistema y del microprocesador este bus tendrá una cantidad de líneas llamada ancho del bus. Las primeras PC tenían buses de 8 bits y en la actualidad pueden llegar a 64 bits.

   El bus de direcciones determina cual es el origen y el destino de los datos. Cada dispositivo y cada posición de memoria tiene una dirección dentro de lo que se llama mapa de memoria, que es su identificación en el sistema. Las direcciones no pueden repetirse. Todo lo descrito anteriormente se refiere a los elementos que efectivamente están montados sobre la placa.

   El sistema puede componerse además por dispositivos que se conectan a la placa mediante ranuras de expansión (slots) que también deben interconectarse. Entonces los contactos de las placas de expansión que se conectan a estas ranuras se integran al sistema. Cada tipo de ranura de expansión se conecta a un bus particular con características propias. Por ejemplo los slots AGP, PCI y PCI express.

Parámetro de los buses:

   - Ancho: se mide en bits.

   - Velocidad de transferencia: bits/segundo.

   - Cantidad de dispositivos que soporta.

   - Clock (reloj): Hz.            

Bus PCI (Peripherical Component Interconect)

   Al bus PCI se lo identifica como un conector blanco de aproximadamente 8,5 cm de largo. Tiene una muesca para la correcta colocación de las placas. Este bus fue desarrollado por Intel, sometido al consenso del resto de la industria que lo adoptó como estándar. Todavía es utilizado y posee las siguientes características:

   - Ancho del bus: 32 o 64 bits.

   - Velocidad de transferencia máxima de datos:

         - 133 MB/s _ 32 bits _ 33 Hz

         - 266 MB/s _ 64 bits _ 33 Hz

Bus Frontal (FSB - Front Side Bus)

   Antiguamente solo existía un bus de datos y el microprocesador accedía a la memoria RAM y a la Caché de segundo nivel a través de él. Para optimizar el desempeño, Intel introdujo el DIB (Dual Independent Bus), donde el microprocesador accedía a la memoria Caché de segundo nivel por el Back Side Bus y a la RAM por la Front Side Bus.

   Regularmente la velocidad del microprocesador se determina aplicando un factor de multiplicación a la frecuencia del FSB. Por ejemplo si aplicamos un factor de multiplicación de 5 a un FSB que está  a 100 MHz se obtiene una velocidad del microprocesador de 500 MHz, este procedimiento se denomina Overclocking. Las máquinas viejas se realizaba cambiando de posición un puente (jumper) en el motherboard. Actualmente se hace desde el setup.

Bus ISA (Industry Standard Architecture)

-Velocidad de transferencia
..Agp - 266mb/s
..Agpx2 -533mb/s
..Agpx4 -1gb/s
..Agpx8 -2,1gb/s
El bus agp se uso durante cierto tiempo para conectar las placas de video. So bien llego a  velocidades de tranferencia de 2gb/s fue reemplazado rapidamente por el slot pci express
Bus pci express
.Es el que se usa actualmente para la coneccion de las placas de video , se desarrollo durante los años  1999 y 2001. Durante su desarrollo tuvo varios nombres System I/O, Infiniband , 3GIO ( 31 generation imput output), araphade
Finalmente el desarrollo termino en  manos del Pci SIG(perephirical Componente Interconection-Special
que es una organizacion sin fines de lucro q tiene como asociados  a empresas fabricadas de hardware.
El bus PCI express presenta mejores caracteristicas de flexibilidad y velocidad como son la trasmiicion en serie y la coneccion punto a punto.
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 La transmición en serie de datos es una de las interfaces más antiguas de las PC (RS232) que sigue presente en los motherboard actuales aunque está practicamente en desuso frente a interfaces externas superiores como la USB. La transmición de datos en el bus PCI Express se realiza en serie, es decir que los datos van pasando bit a bit uno detras del otro mientras que en las interfaces en paralelo los datos viajan por varios cables a la vez. Actualmente se privilegia el uso de interfaces serie porque utilizan menos tensión, generan menos interferencias eléctricas y permiten alcanzar mayores distancias y velocidades sin perdidas de la información; además son más simples lo que permite un diseño más compacto. 

   La conexión punto a punto quiere decir que la comunicación entre un dispositivo y otro es directa lo que permite un aprovechamiento total del ancho de banda puesto que cada placa tendrá su ancho en particular  y se comunicará con otra sin que nada interfiera su camino. Dijimos que el puerto PCI estándar tiene todos los slot conectados en paralelo por lo que comparten el ancho de banda del bus (133 MB/s).
   En el sistema PCI Express la conexión de la ranura de expansión con el chipset se realiza mediante un módulo llamado switch (muchas veces incluido en el puente sur del chipset).
   Podemos comparar el bus PCI Express y el PCI haciendo una analogía con los concentradores de red switch y hub. En un Hub todos los datos que quieren pasar de una máquina a otra deben pasar por todas las que esten entre un puerto y otro hasta que encuentre el destino correcto mientras que un switch tiene una "inteligencia" que le permite saber la dirección de cada máquina conectada y envía los datos directamente desde una hacia la otra sin pasar por ningún otro cuerpo. Una conexión básica PCI Express (x1) consta solamente de 4 cables, 2 para la transmición de datos en un sentido y 2 para el otro. Cada uno de ellos trabaja a una frecuencia de 2,5 GHz lo que brinda una tasa de transferencia de datos de 2 Gb/s (256 MB/s). Debemos considerar que esos 256 MB/s se transmiten en un solo sentido y que si contamos también el otro alcanzamos los 512 MB/s, una cifra nada despreciable teniendo en cuenta los 133 MB/s del puerto PCI. La ranura PCI Express x4 tiene 4 pares de conductores y la PCI Express x16 tiene 16 pares de conductores siempre full duplex.
   En este puerto se conectan distintos tipos de dispositivos e interfaces: placas gráficas, placas de sonido, interfaces PCI Express a USB 2 y USB 3 y discos rígidos SSD.

Interfaz para disco rígido

   Veremos la forma en que se transfieren datos desde los medios de almacenamiento masivos como discos rígidos y grabadoras/reproductoras de CD y/o DVD, desde y hacia el motherboard.

   Esta interfaz está compuesta actualmente por conectores y buses SATA que han reemplazado a los conectores y buses IDE.

Interfaz IDE (Integrated Drived Electronics)

   La interfaz IDE es un conector con una doble línea de pines donde se conecta un conector a un asociado.

IDE:

  Regularmente hay dos conectores sobre el motherboard bajo los nombres de IDE 0 e IDE 1. La interfaz IDE está basada en un estandar creada por IBM en los años '80 llamado ATA (Advanced Tecnology Attachement). Por eso esta interfaz también se conoce como IDE/ATA. Esta interface se mejoró con el tiempo y fué capaz de soportar discos rígidos cada vez más rápidos pasando sucesivamente por ATA 1, ATA 2, ATA 3, ATA 4 y Fas ATA. Hasta ese momento soportaba solo discos rígidos, pero más tarde la interfaz ATA se convierte en ATAPI (Advanced Tecnology Attachement Paket Interface) y es capaz de soportar unidades de CD-ROM. Es por eso que en el inicio de una PC con lectora de CD-ROM se lee el mensaje "ATAPI-CD:ROM". La evolución de la norma ATA está directamente relacionado con dos modos de transferencia de datos: PIO y DMA. El modo de transferencia más antiguo es el PIO (Programable Input Output) en donde el microprocesador controlaba la transferencia de datos. Este modo tuvo la siguiente evolución:

   - PIO 0  _  3,3 MB/s

   - PIO 1  _  5,2 MB/s

   - PIO 2  _  8,3 MB/s

   - PIO 3  _  11,1 MB/s

   - PIO 4  _  16 MB/s

   Debido al bajo rendimiento de la interface ATA porque requería el uso del microprocesador, se introduce la tecnología DMA (Direct Memory Access). De esta forma los discos rígidos pudieron acceder directamente por la memoria sin pasar por el procesador. Para ello fue necesario un chip DMA. Esta norma fue mejorando hasta llegar  la UDMA (Ultra DMA) que llega hasta los 133 MB/s con la siguiente evolución:

   - ATA33 >> 33 MB/s

   - ATA66 >> 66 MB/s

   - ATA100 >> 100 MB/s

   - ATA133 >> 133 MB/s

Interfaz SATA (Serial ATA)

   Fue superada ATA/IDE (paralelo) en el año 2003 cuando se introdujo la variante serie llamada SATA cuyas ventajas son: mayor velocidad de transferencia, permite usar cables más largos y permite conectar y desconectar unidades sin apagar la máquina. Actualmente es estandar en todos los motherboard.

   Hasta el momento se han desarrollado tres protocolos SATA (SATA 1, SATA 2 y SATA 3) con las siguientes velocidades de transferencia

   - SATA 1 = 150 MB/s

   - SATA 2 = 300 MB/s

   - SATA 3 = 600 MB/s

Pines SATA:

   

   1   GND (tierra)

   2   TX + (transmición positiva)

   3   TX - (transmición negativa)

   4   GND (tierra)

   5   RX + (recepción positiva)

   6   RX - (recepción negativa)

   7   GND (tierra)
 

Interfaz SCSI (Small Computer System Interface)

   Es una interfaz estándar para la transferencia de datos entre distintos dispositivos de la computadora. Se utiliza habitualmente en los discos rígidos, pero también interconecta una amplia gama de dispositivos incluyendo escáneres, unidades de CD-ROM, DVD y hasta impresoras.

   En el pasado era común en toda clase de computadoras, pero actualmente se utiliza casi con exclusividad en estaciones de trabajo de alto rendimiento, servidores y periféricos de alta gama. En las computadoras que se utilizan normalmente se usan interfaces más lentas como la SATA y USB (el USB emplea un conjunto de comandos SCSI para algunas operaciones). Actualmente se está usando un sistema SCSI Serie (Serial Atachement SCSI --> SAS) que es la continuación de la interfaz SCSI paralela. Actualmente llega a 6 GB/s (SAS 600).

   Esta última tecnología se encuentra presente en motherboards para servidores como el S5520HC de Intel que soporta dos microprocesadores Intel XEON 5500 con 12 ranuras para memoria DDR3, 6 puertos PCI Express, 6 puertos SATA y un puerto SAS 600.

Puerto USB (Universal Serial Bus)

   El bus USB fue fabricado en los años '90. La propuesta original fue de Intel junto con IBM. Actualmente el foro USB agrupa a más de 680 compañías.

   El USB permitió estandarizar la conexión de periféricos como: teclado, mouse, joystick, escáner, impresora, modem, tarjetas de red (alámbricos e inalámbricos), sintonizadores de TV, discos rígidos externos, cámaras digitales, teléfonos celulares, pendrive, lectora de CD o DVD externas, mp3, etc. El éxito fue total desplazando el puerto serie, al puerto paralelo, al PS/2, etc.

   El USB posee dos tipos de conectores, A y B y cada uno de ellos a su vez tiene tres tamaños: normal, mini y micro.

 
 
Velocidades de transmisión:

   Los dispositivos USB se clasifican en cuatro tipos según su velocidad de transferencia de datos:

   

   - Baja Velocidad (1.0): tasa de transferencia 1,5 Mb/s (192 KB/s). Este puerto soporta la mayor parte de los dispositivos de interfaz humana como los teclados y los mouses.

   - Velocidad Completa (1.1): tasa de transferencia 12 Mb/s (1,5 MB/s). Este estándar fue rápidamente reemplazado por la especificación 2.0 .

   - Alta velocidad (2.0): tasa de transferencia: 480 Mb/s (60 MB/s). Aunque por lo general se limita hasta 125 Mb/s (16 MB/s). El cable USB 2.0 dispone de 4 líneas, un par para datos y otro par para alimentación.

   - Super alta velocidad (3.0): tasa de transferencia de hasta 4,8 Gb/s (600 MB/s). La velocidad del bus es diez veces más rápida que la velocidad del USB 2.0 . En octubre de 2009 la compañia taiwanesa ASUS lanzó el primer motherboard que incluía puertos USB 3.0.