Placa base

Una placa base (también placa de circuito principal, mb, mboard, placa del sistema, placa lógica) es la principal placa de circuito impreso (PCB) en computadoras de propósito general y otros sistemas expandibles. Contiene 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, los controladores de memoria y entrada/salida del conjunto de chips, los conectores de interfaz y otros componentes integrados para uso general.

Placa base significa específicamente una PCB con capacidades de expansión. Como sugiere el nombre, 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 placas secundarias: tarjetas de sonido, tarjetas de video, tarjetas de red, adaptadores de bus 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 las placas de control de 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 constaba de múltiples placas de circuitos impresos en una caja de jaula de tarjetas con componentes conectados por una placa posterior, 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 alojaron en placas de circuito impreso individuales, que se conectaron a la placa posterior. El omnipresente autobús 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 la ingeniería inversa rápida y las placas base de reemplazo de terceros. Por lo general, destinadas a construir nuevas computadoras compatibles con los ejemplares, muchas placas base ofrecían un rendimiento adicional u otras características y se usaban para actualizar el equipo original del fabricante.

A fines de la década de 1980 y principios de la de 1990, resultó económico trasladar un número cada vez mayor de funciones periféricas a la placa base. A fines de la década de 1980, las placas base de las computadoras personales comenzaron a incluir IC 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 seriales 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 de nivel de consumidor sin necesidad de ninguna tarjeta de expansión; Los sistemas de gama alta para juegos en 3D y gráficos por computadora generalmente conservaban solo la tarjeta gráfica como un componente separado. Las PC, las estaciones de trabajo y los servidores comerciales tenían más probabilidades de necesitar tarjetas de expansión, ya sea para funciones más robustas o para velocidades más altas;

Las computadoras portátiles y portátiles que se desarrollaron en la década de 1990 integraron 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 de procesamiento central y alberga 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, como el almacenamiento externo, los controladores para la visualización de video y el sonido, y los dispositivos periféricos pueden conectarse a la placa base como tarjetas enchufables o mediante cables; En los microordenadores modernos, cada vez es más habitual 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 conjunto de chips 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 las CPU en paquetes de matriz de rejilla esférica, como VIA Nano y Goldmont Plus, la CPU se suelda directamente a la placa base.
• 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, DDR5 o LPDDRx integrados.
• El conjunto de chips 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 diversos componentes.
• Ranuras para tarjetas de expansión (la interfaz con el sistema a través de los buses admitidos por el conjunto de chips)
• Conectores de alimentación, que reciben energía eléctrica de la fuente de alimentación de la computadora y la distribuyen a la CPU, el conjunto de chips, la memoria principal y las tarjetas de expansión. A partir de 2007, algunas tarjetas gráficas (por ejemplo, GeForce 8 y Radeon R600) requieren más energía de la que puede proporcionar la placa base y, por lo tanto, se introdujeron conectores dedicados para conectarlas directamente a la fuente de alimentación.
• Conectores para unidades de disco duro, unidades de disco óptico o unidades de estado sólido, generalmente 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, incluían solo este soporte periférico mínimo en la placa base. Ocasionalmente, el hardware de la interfaz de video también se integró en la placa base; por ejemplo, en Apple II y rara vez en computadoras compatibles con IBM como IBM PC Jr. Se proporcionaron periféricos adicionales como controladores de disco y puertos serie como tarjetas de expansión.

Dado el alto poder 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 llamados factores de forma, 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 carcasas. A partir de 2005, 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 construyeron a partir de componentes básicos. El factor de forma de la placa base y la unidad de fuente de alimentación (PSU) de una carcasa deben coincidir, aunque algunas placas base de factor de forma más pequeño de la misma familia encajarán en carcasas más grandes. Por ejemplo, una caja ATX generalmente acomodará una placa base microATX. Las computadoras portátiles generalmente usan placas base altamente integradas, miniaturizadas y personalizadas. Esta 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 suele ser más costosa que una placa base de escritorio.

Zócalos 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 un gran número de pines. Un zócalo de CPU proporciona muchas funciones, incluida una estructura física para soportar la CPU, soporte para un disipador de calor, lo que facilita el reemplazo (además de reducir los costos) y, lo que es más importante, forma una interfaz eléctrica tanto con la CPU como con la placa de circuito impreso. 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 la arquitectura Intel x86. Un tipo de zócalo de CPU y un conjunto de chips de placa base deben ser compatibles con la serie y la velocidad de la CPU.

Periféricos integrados

Con la disminución constante de los costos y el tamaño de los circuitos integrados, ahora es posible incluir soporte para muchos periféricos en la placa base. Al combinar muchas funciones en una PCB, se puede reducir el tamaño físico y el costo total del sistema; Las placas base altamente integradas son, por lo tanto, especialmente populares en computadoras económicas y de factor de forma pequeño.

• Controladores de disco para unidades SATA y unidades PATA históricas.
• Controlador de disquete histórico
• Controlador de gráficos integrado compatible con gráficos 2D y 3D, con salida VGA, DVI, HDMI, DisplayPort y TV
• tarjeta de sonido integrada compatible con audio de 8 canales (7.1) y salida S/PDIF
• Controlador de red Ethernet para 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 una cantidad diferente de conexiones según su estándar y factor de forma.

Una placa base ATX estándar y moderna normalmente 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 (varía 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 entre sí, 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 fiabilidad

Las placas base generalmente se enfrían con aire con disipadores de calor que a menudo se montan en chips más grandes en las placas base modernas. Una refrigeración insuficiente o inadecuada puede causar daños a 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 ventiladores de CPU montados en 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 adicionales y 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. Alternativamente, las computadoras pueden usar un sistema de refrigeración por agua en lugar de muchos ventiladores.

Algunas computadoras de factor de forma pequeño y PC 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 descubrió que algunas fallas falsas de la computadora 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 en las placas base de la PC. En última instancia, se demostró que esto era el resultado de una formulación de electrolito defectuosa, un problema denominado plaga de condensadores.

Las placas base modernas utilizan condensadores electrolíticos para filtrar la corriente continua 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 la pérdida de capacitancia y el mal funcionamiento posterior de la placa base debido a inestabilidades de voltaje. Si bien la mayoría de los condensadores están clasificados para 2000 horas de funcionamiento a 105 °C (221 °F), su vida útil prevista se duplica aproximadamente por cada 10 °C (18 °F) por debajo de este valor. A 65 °C (149 °F) se puede esperar una vida útil de 3 a 4 años. Sin embargo, muchos fabricantes entregan condensadores de calidad inferior,que reducen significativamente la esperanza de vida. La refrigeración inadecuada de la carcasa y las temperaturas elevadas alrededor del zócalo de la CPU exacerban este problema. Con ventiladores superiores, los componentes de la placa base se pueden mantener por debajo de los 95 °C (203 °F), lo que duplica efectivamente la vida útil de la placa base.

Las placas base de gama media y alta, por otro lado, utilizan exclusivamente condensadores sólidos. Por cada 10 °C menos, su vida útil promedio se multiplica aproximadamente por tres, lo que da como resultado una expectativa de vida útil 6 veces mayor a 65 °C (149 °F). Estos condensadores pueden tener una capacidad nominal de 5000, 10000 o 12000 horas de funcionamiento a 105 °C (221 °F), lo que amplía la vida útil prevista en comparación con los condensadores sólidos estándar.

En las PC de escritorio y las computadoras portátiles, las soluciones de monitoreo y enfriamiento de la placa base generalmente se basan en Super I / O o Embedded Controller.

Arranque

Las placas base contienen una ROM (y más tarde EPROM, EEPROM, NOR flash) para inicializar dispositivos de hardware y cargar un sistema operativo desde un dispositivo periférico. Las microcomputadoras como Apple II e IBM PC usaban chips ROM montados en zócalos en la placa base. En el momento del encendido, la unidad de procesamiento central cargaría su contador de programa con la dirección de la ROM de inicio y comenzaría a ejecutar instrucciones desde la ROM de inicio. Estas instrucciones inicializaron y probaron el hardware del sistema, mostraron información del sistema en la pantalla, realizaron verificaciones de RAM y luego cargaron un sistema operativo desde un dispositivo periférico. Si no hubiera 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,

La mayoría de los diseños de placa base modernos utilizan un BIOS, almacenado en una EEPROM o un chip flash NOR soldado o conectado a la placa base, para iniciar un sistema operativo. Cuando se enciende la computadora, el firmware del BIOS prueba y configura la memoria, los circuitos y los periféricos. Esta autoprueba 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 ventilador para monitoreo 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 del BIOS llamado UEFI. Se hizo popular después de que Microsoft comenzó a exigirlo para que un sistema estuviera certificado para ejecutar Windows 8.