Componentes y Arquitectura de la Placa Base: Guía Técnica del Ordenador

Componentes del ordenador

Software: Mi material no forma parte del sistema. Hardware: el material visible del ordenador y los periféricos que pueden conectarse.

Computer Science: Mi computadora obtiene resultados que pueden manejar la antisintetización y la lógica. La información que obtengo transforma el resultado.

Arquitectura de Von Neumann

La estructura de un ordenador configurado por Von Neumann centraliza sus componentes en la CPU. La UAL (Unidad Aritmético-Lógica) y la UC (Unidad de Control) se conectan con la CPU.

• Elementos periféricos: se encuentran dentro de la caja, o conectados a las estructuras.
• Periféricos de salida: elementos como el monitor del ordenador.
• Periféricos de entrada: elementos introducidos en el ordenador.

Von Neumann quería conectar la CPU con la UAL.

Componentes principales

• CPU: el cerebro del ordenador. Da órdenes, es un circuito integrado e interpreta la información guardada. Recibe los datos de entrada, los procesa y envía la salida a los periféricos.
• UC (Unidad de Control): ejecuta e interpreta las instrucciones del programa, y genera información en la memoria principal. Interpreta impulsos electrónicos y fundamentales buses electrónicos.
• UAL (Unidad Aritmético-Lógica): cuando se manipula el control de la información, calcula y realiza operaciones. Toma pocas decisiones de tipo lógico: determina si una afirmación es cierta o falsa. La UC se conecta con la UAL mediante un bus. La UAL y la UC sintetizan la información.
• Bus: conecta todos los elementos y las rutas por donde circulan los datos y las instrucciones del ordenador.

Tipos de ordenadores según su carcasa

• Slimline: pequeñas dimensiones, poco espacio. Difícil ampliar las tarjetas en su interior; es un tipo de equipamiento externo.
• Minitorre: ofrece buenas posibilidades de ampliación, incluso con formatos de bahías insuficientes.
• Sobremesa: más posibilidades de ampliación de tarjetas; se ubica en horizontal sobre la mesa.
• Torre: buenas posibilidades de ampliación, aunque necesita mucho espacio para los cables y más conexiones.
• Servidor: la mayoría de carcasas ofrecen las máximas posibilidades de ampliación.
• Barebone: empresas que lo usan en salas grandes; no tiene CD, DVD ni disquetera. Se instala el sistema operativo del usuario, porque no se pueden obtener datos de los dispositivos. Pueden configurarse para trabajar con los permisos del administrador del sistema y sus aplicaciones.

Placa base

Elementos de la placa base

La placa base es el elemento principal del ordenador. A ella se conectan los discos duros, la memoria y el resto de equipos necesarios para que el conjunto funcione. Su importancia radica en que de ella dependen los componentes que pueden instalarse y las posibilidades de ampliación. Es material físico, formado por circuitos electrónicos.

1.1.1 Zócalo del microprocesador

Conector donde se inserta la CPU.

1.1.2 Ranuras de memoria

Conectores donde se instala la memoria principal del ordenador (RAM, Random Access Memory). Suelen denominarse bancos de memoria.

1.1.3 Chipset

Encargado de controlar muchas funciones y de realizar procesos del ordenador, como transferencias de datos entre memoria y periféricos.

1.1.4 BIOS

Sistema básico de entrada/salida (Basic Input/Output System). Almacena un conjunto de programas en una EPROM.

• EPROM: Erasable Programmable Read Only Memory.

La función de la BIOS es que el sistema se conecte y arranque los dispositivos durante el proceso.

1.1.5 Slot de expansión

Serie de ranuras que pueden alojar componentes; en ellas se introducen las tarjetas de expansión. Los componentes ya integrados están dentro de la torre.

1.1.6 Conectores externos

Permiten la comunicación de dispositivos externos con la CPU (teclado, ratón, etc.).

1.1.7 Conectores internos

Destinados a la comunicación de dispositivos internos (disco duro, DVD, disqueteras, etc.).

• Conexión SATA: un tipo de disco duro con interfaz ATA y SATA. Es un adaptador para conectar hasta dos discos duros.
• Conexión IDE: permite la conexión de una unidad IDE y ATAPI, así como USB.

1.1.8 Conector eléctrico

Conecta los cables de alimentación que proporcionan energía a la placa base y a los componentes.

1.1.9 Batería

Sirve para que el ordenador conserve la configuración cuando está apagado. Todos estos elementos se sujetan a la placa base.

Factor de forma de la placa base

La placa base puede tener distintos tipos de factor de forma. Hay que determinar el tamaño y la orientación de la placa base respecto a la caja, el tipo de fuente de alimentación necesaria y qué periféricos podrán integrarse en la placa.

1.2.1 AT y Baby AT

• AT: factor de forma estándar primario de la placa base PC. Los periféricos están integrados; el factor de forma es serie y el conector del teclado está en la placa. Todas las entradas se encuentran cableadas desde la placa base hasta la parte posterior de la caja, y se instalan como tarjetas adaptadoras.
• Baby AT: placa de factor de forma AT más pequeña, con mayor integración de sus componentes. Se montaba en la mayoría de cajas fabricadas entre 1984 y 1996. Eran de factores de forma similares a los de los ordenadores clónicos, desde el Intel 286 hasta los Pentium primeros. En las placas AT suele encontrarse el conector para el teclado.

1.2.2 ATX / Mini ATX / Micro ATX

• ATX: introducida a mediados de 1995, es actualmente la más popular por sus ventajas: sus componentes tienen mejor disposición, mejor colocación de la CPU, la tarjeta de memoria y el ventilador cerca de la fuente de alimentación, lo que facilita la refrigeración del aire. Los conectores de la fuente de alimentación son de un solo conector, imposible de conectar mal, y los discos están más cerca, reduciendo la longitud de los cables.
• Mini-ATX: versión reducida de la ATX, con los mismos componentes en una disposición más pequeña.
• Micro-ATX: publicada en 1997, es una nueva reducción de tamaño.

Mini-ATX y Micro-ATX son compatibles con ATX. Por ello, pueden sustituir una placa ATX de cualquier equipo sin mayores problemas.

LPX / NLX / BTX / WTX

• LPX: utilizada por muchas marcas de ordenadores de sobremesa. Integra periféricos habituales como módems, tarjetas de vídeo y de sonido, y red.
• NLX: anterior, similar. Su objetivo es facilitar la entrada y sustituir la placa base sin problemas.
• BTX: introducida a finales de 2004, resolvía problemas de refrigeración, pero tuvo poca aceptación entre los fabricantes de placas base y los usuarios. Los elementos están colocados de forma diferente a las placas ATX, y los procesadores, tarjetas gráficas y discos se calientan menos. La nueva disposición permite que el ventilador de la CPU esté situado delante. Es interesante para los componentes que se calientan más en la parte del microprocesador.
• WTX: creada por Intel en 1998 para servidores y estaciones de trabajo con múltiples CPU y discos duros. Dadas sus medidas, pueden instalarse muchos componentes.

Componentes de la placa base

Zócalo del microprocesador

Es el elemento que ofrece la placa base para conectar el microprocesador con la placa base correspondiente. Existen distintos tipos de microprocesadores, y no todos son de igual conexión. Los microprocesadores antiguos se soldaban en la placa base y no podían cambiarse; los actuales son bastante fáciles de cambiar.

Tipos de zócalos:

• LGA (Land Grid Array): se caracteriza porque los pines se encuentran en la placa base, no en el microprocesador. Permite un mayor sistema de energía y distribución de velocidades de bus. Los pines se doblan con facilidad y son difíciles de reparar. Se utilizan en Pentium IV Xeon, Intel Core 2 y la familia Core i7.
• ZIF (Zero Insertion Force): los microprocesadores se insertan sin presión; para fijarlos se utiliza una palanca que permite encajarlos sin fuerza. Fue común en la época del 486. Sus versiones son:
  • Socket 7: se caracteriza por usar buses de velocidad de hasta 100 MHz, como el AMD K6-II.
  • Socket 370 (PGA 370): similar al anterior, con un bus distinto. Tiene dos versiones: PPGA (Celeron) y FC-PGA (Celeron y Pentium II).
  • Socket A (462): para AMD K7 Athlon y Duron.
  • Socket 423: usado en Pentium 4.
• Slot: aparecieron entre 1997 y 2000 como microslot. La forma de insertarlo era similar a la de una ranura. Sus tipos son:
  • Slot A: la respuesta de AMD a Intel; físicamente son similares a Slot 1, pero eléctricamente incompatibles. Usado por AMD K7 Athlon.
  • Slot 1: fue invento de Intel y se conectaba al Pentium II, dejando fuera a la competencia (AMD). Era una forma similar a una ranura PCI/ISA, con 242 pines. Se utilizaba en el Pentium II Celeron.
• PGA: modelo clásico, usado en el 386 y el 486.
• DIP: de este tipo, el chip se suelda en la placa y puede resultar difícil de reconectar. Se utilizaban en 8086, 286, etc. Es de forma rectangular alargada.

Ranuras de memoria RAM

Los conectores de la placa base permiten conectar la memoria en el campo. Los chips están fabricados con diversos formatos llamados módulos de memoria.

• DIMM (Dual In-line Memory Module): de unos 13,3 cm de longitud. Las ranuras DIMM de DDR tienen 184 contactos; las de DDR2 y DDR3 tienen 240.
• SO-DIMM: versión compacta de DIMM, instalada en portátiles, notebooks y PDA.
• SIMM (Single In-line Memory Module): memoria usada en placas antiguas, más pequeña que DIMM (10 cm). Se insertaba con una inclinación de 45°.
• Dual-channel: tecnología de memorias para ordenadores personales.

Chipset

Los canales de comunicación de la placa son: entre el microprocesador y la memoria, entre el microprocesador y las ranuras de expansión, y entre el microprocesador y los periféricos.

El chipset integra todas las funciones de control del sistema. Es un conjunto de circuitos lógicos que ayuda al procesador a que los componentes del PC se comuniquen con los dispositivos conectados a la placa. Integra todos los circuitos electrónicos en un solo chip, con las siguientes ventajas:

• Reduce el tamaño de la placa base.
• Menor consumo de energía.
• Más fiabilidad.

El chipset realiza las siguientes funciones:

• Control de la transferencia de datos entre CPU, RAM y periféricos.
• Control de la distribución de datos, las señales de instrucciones y el flujo de control entre la CPU y el resto de componentes del sistema.
• Ofrece soporte a la expansión del bus.

Consta de dos chips:

• Northbridge (puente norte): responsable de la conexión del bus FSB de la CPU con los componentes de alta velocidad (RAM, AGP). Controla las funciones del microprocesador, la RAM, la AGP, PCI y PCI Express, y se comunica con el Southbridge. Depende de las siguientes características del sistema:
  • Tipo de microprocesador soportado por la placa.
  • Familia del microprocesador soportado por la placa.
  • Velocidad del microprocesador.
  • Velocidad del FSB.
  • Tipo y cantidad máxima de memoria soportada.
  • Controlador gráfico integrado.
• Southbridge (puente sur): responsable de la conexión de la CPU con los elementos menos rápidos del sistema (periféricos). No se conecta directamente con la CPU, sino a través del Northbridge. Sus características son: controlador de sonido y de red, controlador de discos IDE, controlador de periféricos USB, conectores a periféricos, función de administración de energía y detector de bus de expansión.

Componentes integrados

Las conexiones típicas de entrada y salida integradas en la placa son:

• IDE y disquetera
• SATA (controlador IDE y SATA)
• Conectores serie y paralelo
• USB
• Conectores de audio, vídeo, módem y red

Inconvenientes: si un componente integrado deja de funcionar, puede ser necesario cambiar la placa base.

Ventajas: mayor economía y conexión eléctrica con menos cableado en la placa base.

BIOS (Basic Input/Output System)

Conjunto de programas en la ROM de la BIOS que se encargan de realizar las funciones necesarias para que el ordenador arranque.

• Para acceder a la configuración de la BIOS se suele pulsar F2 o Supr (Delete) al arrancar el equipo.

Proceso de arranque

Los pasos para realizar el arranque de la BIOS son:

1. POST (Power On Self Test): verificación de todos los componentes del hardware. Si se produce un error, aparece una alarma sonora.
2. Si no hay error, se busca la BIOS en el adaptador de vídeo.
3. Se muestra la información de la BIOS (fabricante y versión).
4. Se indica la cantidad de memoria del sistema tras la comprobación de la memoria. Si aparece algún mensaje de error, se muestra en pantalla.
5. Se comprueban los dispositivos presentes y sus características (DVD, CD-ROM).
6. Se configuran los dispositivos Plug and Play disponibles.
7. Se muestra en pantalla un resumen y se cede el control al sistema operativo.

Originalmente, las BIOS de los ordenadores se grababan en una ROM (Read Only Memory) que no podía cambiarse. Después se usó PROM (Programmable Read Only Memory), y más tarde EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory).

La BIOS almacena la configuración en una memoria CMOS (la memoria del sistema). Esta tecnología utiliza transistores de tipo NMOS y PMOS, configurados de modo que en estado de reposo consumen muy poca energía, debido a las corrientes parásitas.

• Puente CMOS-RST: jumper para restablecer la configuración.

Soporte de dispositivos de entrada y salida

Algunas funciones principales de la BIOS son el tratamiento de los dispositivos de entrada y salida:

• En la BIOS se encuentran las instrucciones necesarias para tratar los dispositivos.
• La introducción se realiza a través de las direcciones contenidas en la tabla de vectores de interrupción, con la carga en memoria durante el arranque del sistema.
• Cualquier programa sabe dónde encontrar los dispositivos.

Ranuras de expansión

Son ranuras con conectores de plástico donde se insertan las tarjetas de expansión (gráficas, de sonido, de red, de vídeo, módem, etc.). Forman parte de un bus de ranuras, que es el canal por donde se comunican los distintos dispositivos del ordenador:

• PCI (Peripheral Component Interconnect): la ranura más habitual en las placas actuales. Utiliza un bus PCI con capacidad de transferencia de 133 MB/s. Se conectan tarjetas de sonido, red, módem, vídeo, etc. Ofrecen Plug and Play. Suelen encontrarse dos o tres ranuras en la placa base.
• AGP (Accelerated Graphics Port): desarrollado por Intel en 1996 como solución a los embotellamientos que causaban los gráficos en PCI. Se utiliza exclusivamente para tarjetas gráficas y puede ser la única ranura de la placa. Es de color marrón y se está dejando de usar porque PCI Express ofrece mejores prestaciones (frecuencia y ancho de banda).
• PCI Express (PCI-E, 3GIO): tecnología desarrollada por Intel en 2004. Surgió para aplicaciones de red de gigabit, como Ethernet, y soluciona los problemas del bus compartido al usar un bus serie de alta velocidad (de 2,5 GB a 5 GB). Cada ranura consta de uno o varios carriles de comunicación punto a punto bidireccionales, formados por cuatro cables (dos por sentido). Normalmente tiene 1, 4, 8 o 16 carriles. Una ranura PCI-E x1 transfiere 250 MB/s por sentido. Una PCI-E x4 transfiere unos 1000 MB/s (aproximadamente 1 GB/s). Una PCI-E x16 transfiere unos 4000 MB/s (aproximadamente 4 GB/s). Se pueden conectar dispositivos en caliente, sin necesidad de apagar el ordenador, y en varias ranuras a la vez.

Equivalencias: 1024 KB = 1 MB; 1024 bits = 1 Kb.

Conectores internos

Son los conectores para dispositivos internos (discos duros, DVD y CD). Suelen tener forma de pestaña y son de distintos colores de plástico. Algunos son:

• FDD: para disqueteras.
• SATA: Serial ATA.
• USB adicional: en el panel frontal.
• Indicadores del panel frontal.
• CD-IN: para conectar audio de CDs y DVDs.
• Conectores para ventiladores.
• Salida de audio digital.
• Interfaz: formato estándar de transferencia de archivos de audio. Las placas más modernas tienen un jumper (Scalable Link Interface). Permiten instalar dos o más tarjetas gráficas.
• SLI: método para conectar dos o más tarjetas gráficas de una misma marca.
• Conectores de energía: se utilizan para conectar los cables de alimentación de la fuente y proporcionar corriente a la placa. Hay dos tipos: conector ATX de 12 V de 4 pines (power connector) y conector principal ATX de 24 pines.

Conectores externos

Son los conectores para los periféricos del ordenador. Se insertan en la parte trasera de la caja, para que estén disponibles al usuario. La mayoría de placas ATX incluyen:

• PS/2: IBM introdujo el PS/2. Son dos conectores idénticos e incompatibles: uno de color violeta (teclado) y otro verde (ratón). Tienen 6 pines y una clave rectangular.
• Puerto serie: transmite los datos bit a bit de forma asíncrona. Se utiliza para dispositivos de transmisión lenta, como módems. Fue sustituido por USB. Tiene un conector DB-9 o DB-25.
• Puerto paralelo: transmite los datos de 8 en 8 bits, por lo que es más rápido que el serie porque envía los datos simultáneamente. Se asocia con la impresora. Fue sustituido por USB.
• USB: desarrollado por siete empresas: Compaq, Digital Equipment Corp., IBM PC Co., Intel, Microsoft, NEC y Northern Telecom. Soporta dispositivos de baja velocidad (ratón, teclado, etc.) y de alta velocidad (cámaras digitales, impresoras, etc.). Es un bus serie muy rápido y de arquitectura plug and play. La versión 1.1 transmitía a 12 Mb/s; las versiones actuales alcanzan 480 Mb/s, y son compatibles entre sí.
• FireWire: admite hasta 63 dispositivos. Las últimas versiones alcanzan velocidades de hasta 800 Mb/s, e incluso 16 GB.
• Conector de red: muchas placas actuales integran un conector de red Ethernet, similar al de teléfono, conocido como RJ-45.
• Conectores de audio: conector mini-jack de 3,5 mm, con código de colores:
  1. Naranja: salida central/subwoofer o salida digital SPDIF.
  2. Azul: entrada de línea analógica.
  3. Negro: salida analógica para altavoces traseros.
  4. Verde: salida analógica para altavoces delanteros.
  5. Gris: salida analógica para altavoces laterales.
  6. Rosa: entrada analógica para micrófono.

En las placas modernas se encuentran conectores S/PDIF coaxiales u ópticos para conectar el PC a un sistema de audio externo.

• VGA y DVI: se utilizan para conectar el monitor al PC. Siempre se ha utilizado el conector VGA de 15 pines (mini DB-15). Con monitores CRT se usaba el conector DB-15 analógico. Los monitores LCD aceptan información digital. Apareció la interfaz DVI, que es la habitual en los monitores actuales.
• Joystick / MIDI: conector DB de 15 pines que se utilizaba para juegos y apenas se usa porque fue sustituido por USB.
• SATA externo: las placas incluyen conexiones externas que permiten conectar discos duros SATA externos sin conectarlos directamente a la placa. Es sucesor de IDE y sus principales diferencias son:
  • SATA es una conexión punto a punto que elimina la configuración de Master y Slave mediante jumpers.

Velocidades

• SATA estándar: 150 MB/s
• SATA II: hasta 300 MB/s
• SATA III: hasta 600 MB/s