Tarjeta de expansión

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En informática , una tarjeta de expansión (también llamada placa de expansión , tarjeta adaptadora , tarjeta periférica o tarjeta accesoria ) es una placa de circuito impreso que se puede insertar en un conector eléctrico o ranura de expansión (también denominada ranura de bus) en la placa base de una computadora (ver también placa base ) 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 separada y extraíble. Por lo general, a estas tarjetas se las conoce como tarjetas verticales en parte porque se proyectan hacia arriba desde la placa y permiten colocar tarjetas de expansión por encima y en paralelo a la placa base.

Las tarjetas de expansión permiten ampliar o complementar las capacidades e interfaces de un sistema informático de forma adecuada a las tareas que realizará. Por ejemplo, un sistema de adquisición de datos multicanal de alta velocidad no sería de ninguna utilidad en un ordenador personal utilizado para llevar 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 cierto grado de personalización por parte del usuario para fines particulares. Algunas tarjetas de expansión adoptan la forma de "placas hijas" que se conectan a conectores en una placa base de soporte.

En informática personal , los buses de expansión y 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 del ordenador Apple II original de 1977 (exclusivas de Apple), la Arquitectura Estándar de la Industria (ISA) de IBM introducida con el IBM PC en 1981, el bus de expansión de tubos de Acorn en el BBC Micro también de 1981, la arquitectura Micro Channel (MCA) patentada y propietaria de IBM de 1987 que nunca ganó favor en el 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.

Las computadoras basadas en tubos de vacío tenían una construcción modular, pero las funciones individuales para los dispositivos periféricos llenaban un gabinete, no solo una placa de circuito impreso. El procesador, la memoria y las tarjetas de E/S se hicieron factibles con el desarrollo de circuitos integrados . ^[1] Las tarjetas de expansión hacen que los sistemas de procesador se adapten a las necesidades del usuario al hacer posible conectar varios tipos de dispositivos, incluyendo 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 base pasiva y eran alimentadas por ella .

El primer microordenador comercial que incluyó ranuras de expansión fue el Micral N , en 1973. La primera empresa en establecer un estándar de facto fue Altair con el Altair 8800 , desarrollado entre 1974 y 1975, que más tarde se convirtió en un estándar de varios fabricantes, el bus S-100 . Muchos de estos ordenadores también tenían diseños de placa base pasiva, en los que todos los elementos del ordenador (procesador, memoria y E/S) se conectaban a una caja de tarjetas que distribuía pasivamente señales y energía entre las tarjetas.

Las implementaciones de bus propietarias para sistemas como el Apple II coexistieron con estándares de múltiples fabricantes.

IBM introdujo lo que se llamaría retroactivamente el bus de Arquitectura estándar de la industria (ISA) con el IBM PC en 1981. En ese momento, la tecnología se llamaba bus de PC . El IBM XT , introducido en 1983, utilizó el mismo bus (con una ligera excepción). El bus de PC y XT de 8 bits se amplió con la introducción del IBM AT en 1984. Este utilizaba 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 utilizar en las ranuras AT de 16 bits. Arquitectura estándar de la industria (ISA) se convirtió en la designación para el bus IBM AT después de que se desarrollaran otros tipos. Los usuarios del bus ISA tenían que 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 tenían que configurarse mediante interruptores o puentes en la tarjeta para que coincidieran con la configuración del software del controlador.

El bus MCA de IBM , desarrollado para el PS/2 en 1987, fue un competidor de ISA, también su diseño, pero cayó en desgracia debido a la aceptación de ISA en toda la industria y la licencia de MCA por parte de IBM. EISA, la versión extendida de 32 bits de ISA defendida por Compaq , se utilizó en algunas placas base de PC hasta 1997, cuando Microsoft lo declaró un subsistema "heredado" en el libro blanco de la industria PC 97. Los buses locales propietarios (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 eran exclusivos del bus de CPU 80386 y 80486. ^{[2] [3] [4]} El bus PC/104 es un bus integrado que copia el bus ISA.

Intel lanzó sus chipsets 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 en cadena. CardBus , que utiliza el conector PCMCIA , es un formato PCI que conecta periféricos al bus PCI del host a través de un puente PCI a PCI. Cardbus está siendo reemplazado por el formato ExpressCard .

Intel introdujo el bus AGP en 1997 como una solución dedicada a la aceleración de vídeo. Los dispositivos AGP se conectan de forma lógica al bus PCI a través de un puente PCI a PCI. Aunque se denomina bus, AGP normalmente sólo admite una única tarjeta a la vez ( problemas de compatibilidad con BIOS heredados ). Desde 2005, PCI Express ha ido sustituyendo tanto a PCI como a AGP. Este estándar, aprobado ^{[¿ como quién? ]} en 2004, implementa el protocolo PCI lógico a través de una interfaz de comunicación en serie. A menudo se añaden PC/104(-Plus) o Mini PCI para la expansión en placas de formato pequeño como Mini-ITX .

Para sus modelos 1000 EX y 1000 HX , Tandy Computer diseñó la interfaz de expansión PLUS, una adaptación del bus XT que soporta tarjetas 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 bus que ofrecía módulos de expansión apilables era el bus "sidecar" utilizado por el IBM PCjr . Este puede haber sido eléctricamente comparable al bus XT; ciertamente tenía algunas similitudes ya que ambos exponían esencialmente los buses de dirección y datos de la CPU 8088, con algo de almacenamiento en búfer y enclavamiento, la adición de interrupciones y DMA proporcionados por chips complementarios de Intel y algunas líneas de detección de fallas del sistema (Power Good, Memory Check, I/O Channel Check). Nuevamente, 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 agujeros que exponen los conectores).

En general, las computadoras portátiles no pueden aceptar la mayoría de las tarjetas de expansión diseñadas para computadoras de escritorio. Por lo tanto, se desarrollaron varios estándares de expansión compactos.

El estándar de tarjeta de expansión PC Card original es esencialmente una versión compacta del bus ISA. El estándar de tarjeta de expansión CardBus es una evolución del estándar de tarjeta 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 la tarjeta puede usar. Desafortunadamente, CardBus y ExpressCard son vulnerables a ataques DMA a menos que la computadora portátil tenga una IOMMU configurada para frustrar estos ataques.

Una notable excepción a lo anterior es la inclusión de una única ranura interna para una versión especial de tamaño reducido del estándar de escritorio. Los ejemplos más conocidos son Mini-PCI o Mini PCIe . Estas ranuras solían estar destinadas a un propósito específico, como ofrecer redes inalámbricas "integradas" o actualizar el sistema en producción con una GPU discreta.

La mayoría de las demás líneas de ordenadores, incluidas las de Apple Inc. , Tandy , Commodore , Amiga y Atari, Inc. , ofrecían sus propios buses de expansión. El Amiga utilizaba Zorro II . Apple utilizó un sistema propietario con siete ranuras de 50 pines para tarjetas periféricas Apple II , y más tarde utilizó ambas variantes de 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 propia BIOS u otra ROM son problemáticas, aunque las tarjetas de video que cumplan con los estándares VESA se pueden usar para monitores secundarios. Las estaciones de trabajo DEC Alpha, IBM PowerPC y NEC MIPS usaban conectores de bus PCI. ^[5] Tanto Zorro II como NuBus eran plug and play , por lo que no requerían configuración de hardware por parte del usuario.

Se utilizaron otros buses de computadora para control industrial, instrumentos y sistemas científicos. Un ejemplo específico es HP-IB (o Hewlett Packard Interface Bus), que finalmente se estandarizó como IEEE-488 (también conocido como GPIB). Algunos estándares históricos conocidos incluyen VMEbus , STD Bus , SBus (específico para las SPARCStations de Sun) y muchos otros.

Muchas otras consolas de videojuegos, como la Nintendo Entertainment System y la Sega Genesis , incluían buses de expansión de alguna forma; al menos en el caso de la Genesis, el bus de expansión era propietario. De hecho, las ranuras para cartuchos de muchas consolas basadas en cartuchos (sin contar la Atari 2600 ) podrían calificarse como buses de expansión, ya que exponían las capacidades de lectura y escritura del bus interno del sistema. Sin embargo, los módulos de expansión conectados a estas interfaces, aunque funcionalmente son iguales a las tarjetas de expansión, técnicamente no son tarjetas de expansión, debido a su forma física.

El propósito principal de una tarjeta de expansión es proporcionar o ampliar características que no ofrece la placa base. Por ejemplo, la IBM PC 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 proporcionaban capacidad gráfica e interfaz de disco duro respectivamente. Algunas computadoras de placa única no tenían previsión para tarjetas de expansión y es posible que solo tuvieran zócalos de CI en la placa para cambios o personalizaciones limitadas. Dado que los conectores multipines confiables son relativamente costosos, algunos sistemas del 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, lo que sumaba el costoso zócalo correspondiente al costo del dispositivo periférico.

En caso de 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 varios puertos RS232 o varios puertos Ethernet con mayor ancho de banda . En este caso, la placa base proporciona una funcionalidad básica, pero la tarjeta de expansión ofrece puertos adicionales o mejorados.

Un borde de la tarjeta de expansión contiene los contactos (el conector de borde o cabezal de pines ) que encajan en la ranura. Establecen el contacto eléctrico entre los componentes electrónicos de la tarjeta y los de la placa base. Las tarjetas de expansión periféricas generalmente tienen conectores para cables externos. En los ordenadores personales compatibles con PC, estos conectores se ubicaban en el soporte de la parte posterior del gabinete. Los sistemas de placa base industriales tenían conectores montados en el borde superior de la tarjeta, opuestos a los pines de la placa base.

Dependiendo del factor de forma de la placa base y la carcasa , se pueden añadir entre una y siete tarjetas de expansión a un sistema informático. Se pueden instalar 19 o más tarjetas de expansión en sistemas de placa base. Cuando se añaden 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 del mercado a partir de 2010 son tarjetas gráficas de doble ranura, que utilizan la segunda ranura como lugar para colocar un disipador de calor activo con un ventilador.

Algunas tarjetas son de "perfil bajo", lo que significa que son más cortas que las tarjetas estándar y encajarán en un chasis de computadora de menor altura, como HTPC y SFF . (Existe un estándar de "tarjeta PCI de perfil bajo" ^[6] que especifica un área de soporte y placa mucho más pequeña). El grupo de tarjetas de expansión que se utilizan para la conectividad externa, como tarjetas de red , SAN o módem , se conocen comúnmente como tarjetas de entrada/salida (o tarjetas de E/S).

Una placa hija , tarjeta hija , placa mezzanine o placa piggyback es una tarjeta de expansión que se conecta a un sistema directamente. ^[7] Las placas hija suelen tener enchufes, zócalos, pines u otros accesorios para otras placas. Las placas hija suelen tener solo conexiones internas dentro de una computadora u otros dispositivos electrónicos, y generalmente acceden a la placa base directamente en lugar de a través de un bus de computadora . Estas placas 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 para permitir que los usuarios personalicen sus computadoras para varios propósitos, como los juegos. ^[8]

Las placas hijas se utilizan a veces en las computadoras para permitir que las tarjetas de expansión encajen en paralelo a la placa base, generalmente para mantener un factor de forma pequeño . Esta forma también se llama tarjetas verticales o risers. Las placas hijas 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 hija a un conector especial en la placa principal. Estas generalmente encajan en la parte superior y paralelas a la placa, separadas por espaciadores o separadores , y a veces se las llama tarjetas 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.

Algunos estándares de interfaz de tarjeta mezzanine incluyen la tarjeta mezzanine FPGA de 400 pines (FMC); la tarjeta mezzanine de alta velocidad de 172 pines (HSMC); ^{[9] [10]} la tarjeta mezzanine PCI (PMC); las mezzanines XMC; la tarjeta mezzanine avanzada ; IndustryPacks (VITA 4), los módulos mezzanine de GreenSpring Computers ; etc.

Algunos ejemplos de tarjetas de expansión de tipo placa hija incluyen:

• Tarjeta de expansión con adaptador de gráficos mejorado que agrega memoria más allá de los 64 KB, hasta 256 KB ^[11]
• La placa de memoria expandida agrega memoria adicional a algunas placas EMS y EEMS ^[12]
• AGREGAR placa hija
• Placa secundaria RAID
• Placa secundaria del controlador de interfaz de red (NIC)
• Placa secundaria con zócalo de CPU
• Placa auxiliar Bluetooth
• Placa hija del módem
• Tarjeta hija de AD/DA/DIO
• Placa hija de comunicación (CDC)
• Placa base de administración del servidor (SMDC)
• Placa auxiliar con conector serial ATA
• Placa hija robótica
• Lista de control de acceso de la placa hija
• Placas hijas "shield" de Arduino
• Placa hija "capa" de Beaglebone
• Placa complementaria "HAT" para Raspberry Pi ^[13]
• Placa hija de red (NDB). Comúnmente integra: lógica de interfaces de bus, LLC , PHY y componentes magnéticos en una sola placa.

• PCI extendida (PCI-X)
• PCI Express (PCIe)
• Mini PCIe
• M.2
• Puerto de gráficos acelerados (AGP)
• Interconexión de componentes periféricos (PCI)
• Arquitectura estándar de la industria (ISA)
• Arquitectura de microcanales (MCA)
• Bus local VESA (VLB)
• Tarjeta CardBus/PC/PCMCIA (para ordenadores portátiles)
• ExpressCard (para computadoras portátiles)
• Conector vertical de audio/módem (AMR)
• Canalización vertical de comunicaciones y redes (CNR)
• CompactFlash (para computadoras portátiles y cámaras y videocámaras de alta velocidad)
• SBus ( computadoras Sun basadas en SPARC de la década de 1990 )
• Zorro (Commodore Amiga )
• NuBus (Apple Macintosh )
• Tarjeta mezzanine FPGA (FMC)

• Tarjeta de compatibilidad
• Tarjeta en idioma chino
• Adaptador de host
• i-RAM
• M-Module , un estándar mezzanine industrial para E/S modulares
• Tarjeta de red
• Tarjeta de física
• Tarjeta postal
• Tarjeta vertical
• Tarjeta sintonizadora de TV
• Tarjeta de video
• Tarjeta secundaria estándar FPGA CRUVI
• Conector de placa a placa (BTB)

• Listado de ranuras de expansión y distribución de pines de la computadora