Tarjeta de expansion
En informática, una tarjeta de expansión (también llamada tarjeta de expansión, tarjeta adaptadora, tarjeta periférica o tarjeta accesoria) es una placa de circuito impreso que se puede insertar en un conector eléctrico o en una ranura de expansión (también conocida como ranura de bus) en la computadora placa base (ver también backplane) para agregar funcionalidad a un sistema informático. A veces, el diseño de la carcasa y la placa base de la computadora implica colocar la mayoría (o todas) de estas ranuras en una tarjeta extraíble separada. Por lo general, estas tarjetas se denominan tarjetas verticales en parte porque se proyectan hacia arriba desde la placa y permiten que las tarjetas de expansión se coloquen encima y paralelas a la placa base.
Las tarjetas de expansión permiten que las capacidades y las interfaces de un sistema informático se amplíen o complementen de forma adecuada a las tareas que realizará. Por ejemplo, un sistema de adquisición de datos multicanal de alta velocidad no sería útil en una computadora personal utilizada para la contabilidad, pero podría ser una parte clave de un sistema utilizado para el control de procesos industriales. Las tarjetas de expansión a menudo se pueden instalar o quitar en el campo, lo que permite un grado de personalización del usuario para propósitos particulares. Algunas tarjetas de expansión adoptan la forma de "placas secundarias" que se enchufan en los conectores de una placa del sistema de soporte.
En computación personal, los buses de expansión y los estándares de tarjetas de expansión notables incluyen el bus S-100 de 1974 asociado con el sistema operativo CP/M, las ranuras de expansión de 50 pines de la computadora Apple II original de 1977 (exclusivo de Apple), Arquitectura Estándar de la Industria (ISA) de IBM introducida con IBM PC en 1981, bus de expansión de tubo de Acorn en BBC Micro también de 1981, arquitectura Micro Channel (MCA) patentada y propietaria de IBM de 1987 que nunca ganó el favor del mercado de clones, la interconexión de componentes periféricos (PCI) enormemente mejorada que desplazó a ISA en 1992, y PCI Express de 2003 que abstrae la interconexión en "carriles" de comunicación de alta velocidad. y relega todas las demás funciones al protocolo de software.
Historia
Las computadoras basadas en tubos de vacío tenían una construcción modular, pero las funciones individuales para dispositivos periféricos llenaban un gabinete, no solo una placa de circuito impreso. Las tarjetas de procesador, memoria y E/S se hicieron factibles con el desarrollo de los circuitos integrados. Las tarjetas de expansión hacen que los sistemas de procesador se adapten a las necesidades del usuario al permitir conectar varios tipos de dispositivos, incluidas E/S, memoria adicional y características opcionales (como una unidad de punto flotante) al procesador central. Las minicomputadoras, comenzando con la PDP-8, estaban hechas de múltiples tarjetas que se comunicaban a través de una placa trasera pasiva y estaban alimentadas por ella.
La primera microcomputadora comercial que presentó ranuras de expansión fue la Micral N, en 1973. La primera empresa en establecer un estándar de facto fue Altair con la Altair 8800, desarrollada entre 1974 y 1975, que luego se convirtió en un estándar de múltiples fabricantes, el Autobús S-100. Muchas de estas computadoras también eran diseños de backplane pasivos, donde todos los elementos de la computadora (procesador, memoria y E/S) se conectaban a una jaula de tarjetas que distribuía pasivamente señales y energía entre las tarjetas.
Las implementaciones de bus patentadas para sistemas como Apple II coexistieron con estándares de varios fabricantes.
IBM PC y descendientes
IBM introdujo lo que retroactivamente se llamaría el bus Industry Standard Architecture (ISA) con la PC de IBM en 1981. En ese momento, la tecnología se llamaba PC bus. El IBM XT, presentado en 1983, usaba el mismo bus (con una pequeña excepción). El bus de PC y XT de 8 bits se amplió con la introducción de IBM AT en 1984. Este usaba un segundo conector para extender el bus de direcciones y datos sobre el XT, pero era compatible con versiones anteriores; Las tarjetas de 8 bits todavía se podían usar en las ranuras AT de 16 bits. Industry Standard Architecture (ISA) se convirtió en la designación del bus IBM AT después de que se desarrollaran otros tipos. Los usuarios del bus ISA debían tener un conocimiento profundo del hardware que estaban agregando para conectar correctamente los dispositivos, ya que las direcciones de memoria, las direcciones de los puertos de E/S y los canales DMA debían configurarse mediante interruptores o puentes en la tarjeta para que coincidieran. la configuración en el software del controlador.
El bus MCA de IBM, desarrollado para PS/2 en 1987, era un competidor de ISA, también su diseño, pero cayó en desgracia debido a la aceptación de ISA en toda la industria y a IBM' 39;s licencias de MCA. EISA, la versión extendida de 32 bits de ISA defendida por Compaq, se usó en algunas placas base de PC hasta 1997, cuando Microsoft la declaró "heredada" subsistema en el libro blanco de la industria PC 97. Los buses locales patentados (qv Compaq) y luego el estándar de bus local VESA, fueron buses de expansión de finales de la década de 1980 que estaban vinculados, pero no exclusivamente, al bus de CPU 80386 y 80486. El bus PC/104 es un bus integrado que copia el bus ISA.
Intel lanzó sus conjuntos de chips de bus PCI junto con las CPU Pentium basadas en P5 en 1993. El bus PCI se introdujo en 1991 como reemplazo de ISA. El estándar (ahora en la versión 3.0) se encuentra en las placas base de PC hasta el día de hoy. El estándar PCI admite puentes de bus: se han probado hasta diez buses PCI conectados en cadena. Cardbus, que utiliza el conector PCMCIA, es un formato PCI que conecta periféricos al bus PCI host a través de un puente PCI a PCI. Cardbus está siendo suplantado por el formato ExpressCard.
Intel presentó el bus AGP en 1997 como una solución de aceleración de video dedicada. Los dispositivos AGP están conectados lógicamente al bus PCI a través de un puente PCI a PCI. Aunque se denomina bus, AGP generalmente admite solo una tarjeta a la vez (problemas de soporte de Legacy BIOS). Desde 2005, PCI Express ha reemplazado tanto a PCI como a AGP. Este estándar, aprobado en 2004, implementa el protocolo PCI lógico sobre una interfaz de comunicación serie. PC/104(-Plus) o Mini PCI a menudo se agregan para la expansión en placas de factor de forma pequeño como Mini-ITX.
Para sus modelos 1000 EX y 1000 HX, Tandy Computer diseñó la interfaz de expansión PLUS, una adaptación de las tarjetas de soporte de bus XT de un factor de forma más pequeño. Debido a que es eléctricamente compatible con el bus XT (también conocido como ISA de 8 bits o XT-ISA), se puede hacer un adaptador pasivo para conectar tarjetas XT a un conector de expansión PLUS. Otra característica de las tarjetas PLUS es que son apilables. Otro autobús que ofrecía módulos de expansión apilables era el "sidecar" bus utilizado por IBM PCjr. Esto puede haber sido eléctricamente comparable al bus XT; ciertamente tenía algunas similitudes, ya que ambos esencialmente expusieron los buses de datos y direcciones de la CPU 8088, con algo de almacenamiento en búfer y enganche, la adición de interrupciones y DMA proporcionados por los chips complementarios de Intel, y algunas líneas de detección de fallas del sistema (alimentación buena, verificación de memoria, verificación de canal de E/S). Una vez más, los sidecars de PCjr no son técnicamente tarjetas de expansión, sino módulos de expansión, con la única diferencia de que el sidecar es una tarjeta de expansión encerrada en una caja de plástico (con orificios que exponen los conectores).
Autobuses de expansión externa
Por lo general, las computadoras portátiles no pueden aceptar la mayoría de las tarjetas de expansión diseñadas para computadoras de escritorio. En consecuencia, se desarrollaron varios estándares de expansión compactos.
El estándar original de la tarjeta de expansión PC Card es esencialmente una versión compacta del bus ISA. El estándar de tarjeta de expansión CardBus es una evolución del estándar de tarjeta de PC para convertirlo en una versión compacta del bus PCI. El estándar ExpressCard original actúa como si fuera un periférico USB 2.0 o un dispositivo PCI Express 1.x x1. ExpressCard 2.0 agrega SuperSpeed USB como otro tipo de interfaz que puede usar la tarjeta. Desafortunadamente, CardBus y ExpressCard son vulnerables al ataque DMA a menos que la computadora portátil tenga un IOMMU que esté configurado para frustrar estos ataques.
Una excepción notable a lo anterior es la inclusión de una sola ranura interna para una versión especial de tamaño reducido del escritorio estándar. Los ejemplos más conocidos son Mini-PCI o Mini PCIe. Tales tragamonedas generalmente estaban destinadas a un propósito específico, como ofrecer "incorporado" redes inalámbricas o actualizar el sistema en producción con una GPU discreta.
Otras familias
La mayoría de las demás líneas de computadoras, incluidas las de Apple Inc. como (Apple II y Macintosh), Tandy, Commodore, Amiga y Atari, ofrecían sus propios buses de expansión. El Amiga usó Zorro II. Apple usó un sistema patentado con siete ranuras de 50 pines para tarjetas periféricas Apple II, luego usó ambas variaciones en Processor Direct Slot y NuBus para su serie Macintosh hasta 1995, cuando cambiaron a un bus PCI.
En términos generales, la mayoría de las tarjetas de expansión PCI funcionarán en cualquier plataforma de CPU que incorpore hardware de bus PCI siempre que haya un controlador de software para ese tipo. Las tarjetas de video PCI y cualquier otra tarjeta que contenga su propio BIOS u otra ROM son problemáticas, aunque se pueden usar tarjetas de video que cumplan con los estándares VESA para monitores secundarios. Las estaciones de trabajo DEC Alpha, IBM PowerPC y NEC MIPS usaban conectores de bus PCI. Tanto Zorro II como NuBus eran plug and play y no requerían configuración de hardware por parte del usuario.
Otros buses de computadora se utilizaron para control industrial, instrumentos y sistemas científicos. Un ejemplo específico es HP-IB (o Bus de interfaz de Hewlett Packard), que finalmente se estandarizó como IEEE-488 (también conocido como GPIB). Algunos estándares históricos bien conocidos incluyen VMEbus, STD Bus, SBus (específico de las SPARCStations de Sun) y muchos otros.
Consolas de videojuegos
Muchas otras consolas de videojuegos, como Nintendo Entertainment System y Sega Genesis, incluían buses de expansión de alguna forma; En el caso de al menos el Génesis, el bus de expansión era propietario. De hecho, las ranuras para cartuchos de muchas consolas basadas en cartuchos (sin contar la Atari 2600) calificarían como buses de expansión, ya que exponen las capacidades de lectura y escritura del bus interno del sistema. Sin embargo, los módulos de expansión conectados a estas interfaces, aunque funcionalmente son los mismos que las tarjetas de expansión, técnicamente no son tarjetas de expansión debido a su forma física.
Aplicaciones
El objetivo principal de una tarjeta de expansión es proporcionar o ampliar funciones que no ofrece la placa base. Por ejemplo, la PC IBM original no tenía gráficos integrados ni capacidad de disco duro. En ese caso, una tarjeta gráfica y una tarjeta controladora de disco duro ST-506 proporcionaron capacidad gráfica e interfaz de disco duro, respectivamente. Algunas computadoras de una sola placa no hicieron provisión para tarjetas de expansión y es posible que solo hayan proporcionado enchufes IC en la placa para cambios o personalización limitados. Dado que los conectores multi-pin confiables son relativamente costosos, algunos sistemas de mercado masivo, como las computadoras domésticas, no tenían ranuras de expansión y, en su lugar, usaban un conector de borde de tarjeta en el borde de la placa principal, colocando el costoso zócalo correspondiente en el costo del periférico. dispositivo.
En el caso de la expansión de la capacidad integrada, una placa base puede proporcionar un único puerto serie RS232 o un puerto Ethernet. Se puede instalar una tarjeta de expansión para ofrecer múltiples puertos RS232 o múltiples puertos Ethernet de mayor ancho de banda. En este caso, la placa base proporciona la funcionalidad básica, pero la tarjeta de expansión ofrece puertos adicionales o mejorados.
Construcción física
Un borde de la tarjeta de expansión contiene los contactos (el conector del borde o el cabezal de clavijas) que encajan en la ranura. Establecen el contacto eléctrico entre la electrónica de la tarjeta y la placa base. Las tarjetas de expansión de periféricos generalmente tienen conectores para cables externos. En la computadora personal compatible con PC, estos conectores estaban ubicados en el soporte de soporte en la parte posterior del gabinete. Los sistemas de backplane industriales tenían conectores montados en el borde superior de la tarjeta, opuesto a los pines del backplane.
Según el factor de forma de la placa base y la carcasa, se pueden agregar entre una y siete tarjetas de expansión a un sistema informático. Se pueden instalar 19 o más tarjetas de expansión en los sistemas de backplane. Cuando se agregan muchas tarjetas de expansión a un sistema, el consumo total de energía y la disipación de calor se convierten en factores limitantes. Algunas tarjetas de expansión ocupan más de un espacio de ranura. Por ejemplo, muchas tarjetas gráficas en el mercado a partir de 2010 son tarjetas gráficas de doble ranura, que usan la segunda ranura como un lugar para colocar un disipador de calor activo con un ventilador.
Algunas tarjetas son "de perfil bajo" tarjetas, lo que significa que son más cortas que las tarjetas estándar y caben en un chasis de computadora de menor altura. (Existe un estándar de "tarjeta PCI de bajo perfil" que especifica un soporte y un área de placa mucho más pequeños). El grupo de tarjetas de expansión que se utilizan para conectividad externa, como tarjetas de red, SAN o de módem, se denominan comúnmente tarjetas de entrada/salida (o tarjetas de E/S).
Pizarra hija
Una placa secundaria, tarjeta secundaria, placa intermedia o placa piggyback es una tarjeta de expansión que se conecta a un sistema directamente. Las placas hijas a menudo tienen enchufes, enchufes, clavijas u otros accesorios para otras placas. Las placas secundarias a menudo solo tienen conexiones internas dentro de una computadora u otros dispositivos electrónicos y, por lo general, acceden a la placa base directamente en lugar de a través de un bus de computadora. Dichos tableros se utilizan para mejorar varias capacidades de memoria de una computadora, permitir que la computadora se conecte a ciertos tipos de redes a las que antes no podía conectarse o permitir que los usuarios personalicen sus computadoras para diversos fines, como juegos.
Las placas hijas a veces se usan en computadoras para permitir que las tarjetas de expansión encajen paralelas a la placa base, generalmente para mantener un factor de forma pequeño. A esta forma también se les llama riser cards, o risers. Las placas secundarias también se utilizan a veces para expandir la funcionalidad básica de un dispositivo electrónico, como cuando se agregan características a un determinado modelo y se lanza como un modelo nuevo o separado. En lugar de rediseñar el primer modelo por completo, se puede agregar una placa secundaria a un conector especial en la placa principal. Por lo general, encajan en la parte superior y paralelas al tablero, separadas por espaciadores o separadores, y a veces se denominan cartas mezzanine debido a que se apilan como el entrepiso de un teatro. Las tarjetas de tabla de ondas (tarjetas de síntesis basadas en muestras) a menudo se montan en tarjetas de sonido de esta manera.
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Algunos estándares de interfaz de tarjeta intermedia incluyen la tarjeta intermedia FPGA de 400 pines (FMC); la tarjeta intermedia de alta velocidad (HSMC) de 172 pines; la tarjeta intermedia PCI (PMC); entrepisos XMC; la Tarjeta Mezzanine Avanzada; IndustryPacks (VITA 4), los módulos Mezzanine de GreenSpring Computers; etc.
Los ejemplos de tarjetas de expansión estilo placa secundaria incluyen:
- Enhanced Graphics Adapter pillaback, añade memoria más allá de 64 KB, hasta 256 KB
- Plancha de memoria ampliada, añade memoria adicional a algunas tablas EMS y EEMS
- ADD hijaboard
- Guión de hijas RAID
- Controlador de interfaz de red (NIC)
- CPU Socket daughterboard
- Guión hija Bluetooth
- Modem daughterboard
- AD/DA/DIO tarjeta de hija
- Guión Gráfico (CDC)
- Servidor de gestión hijaboard (SMDC)
- Armario de conexión ATA serie
- Robotic daughterboard
- Control de acceso Lista de hijas
- Arduino "shield" tablas de hija
- Beaglebone "cape" hijaboard
- Raspberry Pi "HAT add-on board"
- Red Daughterboard (NDB). Comunemente integra: lógica de interfaces de autobús, LLC, PHY y Magnetics en una sola tabla.
Estándares
- PCI Extended (PCI-X)
- PCI Express (PCIe)
- Mini PCIe
- M.2
- Puerto Gráficos Acelerados (AGP)
- Interconexión de componentes periféricos (PCI)
- Industry Standard Architecture (ISA)
- Micro Channel architecture (MCA)
- VESA Local Bus (VLB)
- CardBus/PC Card/PCMCIA (para ordenadores portátiles)
- ExpressCard (para ordenadores portátiles)
- Aumentador de audio/modem (AMR)
- Communications and networking riser (CNR)
- CompactFlash (para ordenadores portátiles y cámaras de alta velocidad y videocámaras)
- SBus (1990s ordenadores solares basados en SPARC)
- Zorro (Commodore Amiga)
- NuBus (Apple Macintosh)
- FPGA Mezzanine Card (FMC)
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