Placa madre

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Una placa base (también llamada placa base , placa de circuito principal , MB , placa base , placa del sistema o, en los ordenadores Apple , placa lógica ) es la placa de circuito impreso (PCB) principal en los ordenadores de uso 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 base , una placa base suele contener subsistemas importantes, como el procesador central, los controladores de entrada/salida y memoria del chipset , conectores de interfaz y otros componentes integrados para uso general.

Placa base significa específicamente una PCB con capacidades de expansión. Como sugiere el nombre, a esta placa se la suele denominar la madre de todos los componentes conectados a ella, que a menudo incluyen periféricos, tarjetas de interfaz y placas hijas : 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 placas de control en impresoras láser, televisores, lavadoras, teléfonos móviles y otros sistemas integrados con capacidades de expansión limitadas.

Antes de la invención del microprocesador , la CPU de una computadora digital consistía en múltiples placas de circuitos en una caja de tarjetas con componentes conectados por una placa base que contenía un conjunto de conectores interconectados en los que se conectaban las placas de circuitos. En diseños muy antiguos, los cables de cobre eran las conexiones discretas entre los pines del conector de la tarjeta, pero las placas de circuitos impresos pronto se convirtieron en la práctica estándar. La unidad central de procesamiento (CPU), la memoria y los periféricos estaban alojados en placas de circuitos impresos individuales, que se conectaban a la placa base.

En los sistemas más antiguos basados ​​en microprocesadores, la CPU y algunos circuitos de soporte cabían en una única placa de CPU, con la memoria y los periféricos en placas adicionales, todos conectados a la placa base. El omnipresente bus S-100 de la década de 1970 es un ejemplo de este tipo de sistema de placa base.

Los ordenadores más populares de la década de 1980, como el Apple II y el IBM PC, contaban con diagramas esquemáticos publicados y otra documentación que permitía realizar ingeniería inversa rápida y sustituir las placas base por placas de terceros. Muchas placas base, que normalmente estaban destinadas a construir nuevos ordenadores compatibles con los modelos originales, ofrecían un rendimiento adicional u otras características y se utilizaban para actualizar el equipo original del fabricante.

A finales de los años 1980 y principios de los años 1990, se hizo económico trasladar un número cada vez mayor de funciones periféricas a la placa base. A finales de los años 1980, las placas base de los ordenadores personales empezaron a incluir circuitos integrados (también llamados chips Super I/O ) capaces de soportar un conjunto de periféricos de baja velocidad: teclado y ratón PS/2 , unidad de disquete , puertos serie y puertos paralelos . A finales de los años 1990, muchas placas base de ordenadores personales incluían funciones integradas de audio, vídeo, almacenamiento y red de nivel de consumidor sin necesidad de ninguna tarjeta de expansión ; los sistemas de gama alta para juegos 3D y gráficos de ordenador normalmente conservaban solo la tarjeta gráfica como componente independiente. Los ordenadores, estaciones de trabajo y servidores empresariales tenían más probabilidades de necesitar tarjetas de expansión, ya sea para funciones más robustas o para velocidades más altas; esos sistemas a menudo tenían menos componentes integrados.

Las computadoras portátiles y notebooks que se desarrollaron en la década de 1990 integraron los periféricos más comunes. Esto incluía incluso placas base sin componentes actualizables, una tendencia que continuaría a medida que se introdujeran sistemas más pequeños después del cambio de siglo (como la computadora tablet y la netbook ). La memoria, los procesadores, los controladores de red, la fuente de alimentación y el almacenamiento se integrarían en algunos sistemas.

La placa base proporciona las conexiones eléctricas mediante las cuales se comunican los demás componentes del sistema. A diferencia de la placa base, 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 como el almacenamiento externo , los controladores de video y sonido y los dispositivos periféricos pueden estar conectados 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 chipset de soporte del microprocesador , que proporciona las interfaces de soporte entre la CPU y los distintos buses y componentes externos. Este chipset determina, en cierta medida, 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 encapsulados de matriz de rejilla de bolas , como la VIA Nano y la Goldmont Plus , la CPU está soldada directamente a la placa base. ^[2]
• Ranuras de memoria en las que se instalará la memoria principal del sistema, normalmente en forma de módulos DIMM que contienen chips DRAM . Pueden ser DDR3 , DDR4 , DDR5 o LPDDRx integradas .
• El chipset que forma una interfaz entre la CPU , la memoria principal y los buses periféricos.
• Chips de memoria no volátil (normalmente memoria flash 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 con el sistema a través de los buses soportados por el chipset)
• Conectores de alimentación, que reciben energía eléctrica de la fuente de alimentación del ordenador y la distribuyen a la CPU, al chipset, a la memoria principal y a 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. ^[3]
• Conectores para unidades de disco duro, unidades de disco óptico o unidades de estado sólido, normalmente SATA y NVMe

Además, casi todas las placas base incluyen lógica y conectores para admitir dispositivos de entrada de uso común, como USB para dispositivos de ratón y teclados . Los primeros ordenadores personales, como el Apple II y el IBM PC, solo incluyen este soporte periférico mínimo en la placa base. Ocasionalmente, también se integraba hardware de interfaz de vídeo en la placa base; por ejemplo, en el Apple II y rara vez en ordenadores compatibles con IBM, como el IBM PCjr . Se proporcionaban 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 computadoras de alta velocidad, las placas base modernas casi siempre incluyen disipadores de calor y puntos de montaje para ventiladores para disipar el exceso de calor.

Las placas base se producen en una variedad de tamaños y formas llamados factores de forma , algunos de los cuales son específicos de cada fabricante de computadoras. Sin embargo, las placas base que se utilizan en los sistemas compatibles con IBM están diseñadas para adaptarse a varios tamaños de carcasa . A partir de 2024 ^[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 con 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 se adaptarán a carcasas más grandes. Por ejemplo, una carcasa ATX generalmente acomodará una placa base microATX . Las computadoras portátiles generalmente utilizan 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 generalmente es más cara que una placa base de escritorio.

Un zócalo o ranura de CPU (unidad central de procesamiento) es un componente eléctrico que se conecta a una placa de circuito impreso (PCB) y está diseñado para alojar 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, facilitando el reemplazo (así como reduciendo el costo) y, lo más importante, formando 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 superficial), particularmente aquellas basadas en la arquitectura Intel x86 . Un tipo de zócalo de CPU y un chipset de placa base deben admitir la serie y la velocidad de la CPU.

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; por lo tanto, las placas base altamente integradas son especialmente populares en computadoras de formato pequeño y de bajo costo.

• 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 que admite 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 monitoree el estado de los componentes de la computadora.

Una placa base típica tendrá un número diferente de conexiones dependiendo de su estándar y factor de forma .

Una placa base ATX estándar moderna normalmente tendrá dos o tres conexiones PCI-Express x16 para una tarjeta gráfica, una o dos ranuras PCI antiguas 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 una cantidad variable de ranuras PCI y PCI-E x1. A veces también puede tener una ranura PCI-E x4 (varía según las marcas y los modelos).

Algunas placas base tienen dos o más ranuras PCI-E x16, para permitir más de 2 monitores sin hardware especial, o utilizan una tecnología gráfica especial llamada SLI (para Nvidia ) y Crossfire (para AMD ). Estas permiten vincular de 2 a 4 tarjetas gráficas entre sí, para permitir un mejor rendimiento en tareas de computación gráfica intensivas, 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 .

Las placas base generalmente se enfrían por aire con disipadores de calor a menudo montados en chips más grandes en las placas base modernas. ^[4] Una refrigeración insuficiente o inadecuada puede provocar daños en los componentes internos de la computadora o hacer que se bloquee . La refrigeración pasiva , o un solo ventilador montado en la fuente de alimentación , fue suficiente para muchas CPU de computadoras de escritorio hasta fines de la década de 1990; desde entonces, la mayoría ha requerido ventiladores de CPU montados en disipadores de calor , debido al aumento de las velocidades de reloj y el 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. ^[5] Alternativamente, las computadoras pueden usar un sistema de refrigeración por agua en lugar de muchos ventiladores.

Algunas computadoras de formato pequeño y PC de cine en casa diseñadas para un funcionamiento silencioso y de bajo consumo de energía cuentan con diseños sin ventilador. Esto generalmente requiere el uso de una CPU de bajo consumo, así como una disposición cuidadosa de la placa base y otros componentes para permitir la ubicación del disipador de calor.

Un estudio de 2003 descubrió que algunos fallos falsos de ordenador y problemas generales de fiabilidad, 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 los ordenadores. ^[6] En última instancia, se demostró que esto era el resultado de una formulación defectuosa del electrolito, ^[7] un problema denominado plaga de condensadores .

Las placas base modernas utilizan condensadores electrolíticos para filtrar la corriente continua que se distribuye 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 capacidad y el posterior mal funcionamiento de la placa base debido a las inestabilidades de voltaje . Si bien la mayoría de los condensadores están clasificados para 2000 horas de funcionamiento a 105 °C (221 °F), ^[8] su vida útil esperada se duplica aproximadamente por cada 10 °C (18 °F) por debajo de esta temperatura. 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, ^[9] lo que reduce significativamente la expectativa de vida. La refrigeración inadecuada de la carcasa y las temperaturas elevadas alrededor del zócalo de la CPU agravan este problema. Con ventiladores superiores, los componentes de la placa base se pueden mantener por debajo de los 95 °C (203 °F), duplicando efectivamente la vida útil de la placa base.

Por otro lado, las placas base de gama media y alta utilizan exclusivamente condensadores sólidos . Por cada 10 °C menos, su vida útil media se multiplica aproximadamente por tres, lo que da como resultado una expectativa de vida útil 6 veces mayor a 65 °C (149 °F). ^[10] 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 proyectada en comparación con los condensadores sólidos estándar.

En las computadoras de escritorio y portátiles, las soluciones de monitoreo y enfriamiento de la placa base generalmente se basan en un súper chip de E/S o un controlador integrado .

Las placas base contienen una ROM (y más tarde EPROM , EEPROM , NOR flash ) que almacena el firmware que inicializa los dispositivos de hardware y arranca un sistema operativo desde un dispositivo periférico . Los términos bootstrapping y boot provienen de la frase "lifting yourself by your bootstraps" (elevarse por los propios medios). ^[11]

Los microordenadores como el Apple II y el IBM PC utilizaban chips ROM montados en zócalos en la placa base. Al encenderse, la unidad central de procesamiento cargaba su contador de programa con la dirección de la ROM de arranque y comenzaba a ejecutar instrucciones desde la ROM de arranque. Estas instrucciones inicializaban y probaban el hardware del sistema, mostraban información del sistema en la pantalla, realizaban comprobaciones de RAM y luego intentaban arrancar un sistema operativo desde un dispositivo periférico. Si no había ningún dispositivo periférico que contuviera un sistema operativo disponible, el ordenador realizaba tareas desde otras memorias ROM o mostraba un mensaje de error, según el modelo y el diseño del ordenador. Por ejemplo, tanto el Apple II como el IBM PC original tenían Cassette BASIC (ROM BASIC) y lo iniciaban si no se podía cargar ningún sistema operativo desde el disquete o el disco duro.

El firmware de arranque en los diseños de placas base compatibles con IBM PC modernos contiene un BIOS , al igual que la ROM de arranque en el IBM PC original, o UEFI . UEFI es un sucesor del BIOS que se hizo popular después de que Microsoft comenzó a exigirlo para que un sistema estuviera certificado para ejecutar Windows 8. [ ^{12] [13]}

Cuando se enciende la computadora, el firmware de arranque prueba y configura la memoria, los circuitos y los periféricos. Esta prueba automática de encendido (POST) puede incluir la prueba de 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 ventiladores 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

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Placas base de ordenador .

• La fabricación de una placa base: visita a la fábrica de ECS
• La fabricación de una placa base: visita a la fábrica de Gigabyte
• Guía de diseño de conectividad de E/S del panel frontal - v1.3 (archivo pdf)