Components del Maquinari i Arquitectura de la Placa Base

Introducció al Maquinari i Arquitectura de Computadors

Conceptes fonamentals:

• Programari (software): Part no material o lògica del sistema.
• Maquinari (hardware): Part material i visible de l'ordinador que es pot tocar.
• Informàtica: Estudi científic dels ordinadors que tracta la informació, permet manipular-la, sintetitzar-la de manera lògica i obtenir-ne resultats. Transforma dades per obtenir un resultat.
• John von Neumann: Va dissenyar l'estructura fonamental d'un ordinador, centralitzant els components al voltant de la CPU.
• La Unitat de Control (UC) i la Unitat Aritmeticològica (UAL) estan integrades dins de la CPU.
• Elements perifèrics: Són els elements que no es troben dins de la caixa i es connecten a la seva estructura.
• Perifèrics de sortida: Dispositius pels quals surt la informació processada de l'ordinador, com ara el monitor.
• Von Neumann va plantejar la interconnexió directa entre les unitats de la CPU i la memòria.

Components principals de la CPU

• CPU (Unitat Central de Processament): És el cervell de l'ordinador; dóna ordres. És un circuit integrat que interpreta la informació guardada. Agafa les dades subministrades pels perifèrics d'entrada, les processa i, un cop processades, les envia als perifèrics d'entrada i sortida.
• UC (Unitat de Control): Interpreta i executa les instruccions de màquina i genera informació a la memòria principal. Interpreta impulsos electrònics mitjançant els busos elèctrics bàsics. Quan tracta les dades, ho fa en el llenguatge de la màquina.
• UAL (Unitat Aritmeticològica): Quan la unitat de control ha preparat la informació, fa càlculs i comparacions. Pren decisions de tipus lògic i determina si una afirmació és certa o falsa. Es connecta amb la UC fent servir un bus. La interacció entre la UC i la UAL sintetitza la informació. El bus connecta tots els elements i constitueix els camins pels quals circulen instruccions i dades de l'ordinador.

Tipus de carcasses d'ordinador

A la carcassa de l'ordinador s'allotgen la majoria dels dispositius de maquinari d'un equip. Destaquen els següents formats:

• Slimline: De petites dimensions, estalvia espai. A l'hora d'ampliar les targetes en aquest tipus d'equipament cal fer-ho des de fora o amb adaptadors especials.
• Minitorre: Ofereix bones possibilitats d'ampliació, tot i que el nombre de badies sol ser reduït.
• Sobretaula: Té bones possibilitats d'ampliació de targetes i perifèrics i es col·loca en horitzontal sobre la taula.
• Torre: Molt bones possibilitats d'ampliació, tot i que necessita molt espai i cablejat més llarg per a les diferents connexions.
• Servidor: La carcassa més gran de totes i, per tant, la que ofereix més possibilitats d'ampliació i refrigeració.
• Barebone: Utilitzada sovint en empreses; no acostuma a disposar de lectors de CD-ROM, DVD ni disquetera. S'hi instal·la el sistema operatiu de l'usuari restringint la introducció de dades externes; només es treballa amb les aplicacions configurades per l'administrador del sistema.

La Placa Base

La placa base és l'element principal d'un ordinador, al qual es connecten la resta de dispositius com el disc dur, la memòria, etc., fent que tots els components funcionin en equip. La seva importància rau en el fet que d'ella dependran els components que es podran instal·lar i les possibilitats d'ampliació. Està fabricada amb material sintètic i formada per circuits impresos.

Components principals de la placa base

• Sòcol del microprocessador: Connector on s'insereix la CPU.
• Ranures de memòria: Connectors on s'instal·la la memòria principal de l'ordinador (RAM - Random Access Memory). Acostumen a anomenar-se bancs de memòria.
• Chipset: Encarregat de controlar moltes funcions i processos que es fan a l'ordinador, com ara la transferència de dades entre la memòria i els dispositius perifèrics.
• BIOS (Basic Input/Output System): Conjunt de programes emmagatzemats en una memòria no volàtil (com ara una memòria EPROM: Erasable Programmable Read-Only Memory). La funció de la BIOS és fer que el sistema es comuniqui amb els dispositius durant el procés d'arrencada.
• Ranures d'expansió: Sèrie d'espais on es poden afegir components mitjançant targetes d'expansió que s'integren al xassís de la torre.
• Connectors externs: Permeten comunicar els dispositius externs amb la CPU (teclat, ratolí, monitor, etc.).
• Connectors interns: Destinats a comunicar els dispositius interns (disc dur, unitat de DVD, disquetera, etc.). Entre ells destaquen:
  • Connexió SATA: Utilitzada per a discs durs i lectors moderns.
  • Connexió IDE: Permet la connexió d'unitats IDE i ATAPI (també adaptables a ports externs com USB mitjançant adaptadors).
• Connector elèctric: On es connecten els cables de la font d'alimentació per subministrar energia a la placa base i als altres components.
• Bateria o pila: Serveix perquè l'ordinador conservi la configuració del maquinari i l'hora quan està apagat.

Factors de forma de la placa base

El factor de forma determina la mida i l'orientació de la placa base respecte a la caixa, el tipus de font d'alimentació necessària i quins perifèrics es podran integrar:

Formats AT i Baby-AT

• AT: Primer estàndard de factor de forma de placa base basat en els ordinadors IBM antics. L'únic perifèric integrat en aquest factor de forma solia ser el connector del teclat. Totes les altres entrades i sortides estaven cablejades des de la placa base fins a la part posterior de la caixa o bé s'instal·laven mitjançant targetes adaptadores.
• Baby-AT: Les plaques que tenen aquest factor de forma són més petites que les AT gràcies a una major integració dels seus components. Es munta en caixes AT; la major part de caixes fabricades entre els anys 1984 i 1996 van ser d'aquest format (típiques caixes d'ordinadors clònics, des de l'Intel 286 fins als primers Pentium). És habitual trobar-hi el connector de teclat gran (DIN de 5 pins).

Formats ATX, Mini-ATX i Micro-ATX

• ATX: Introduït per Intel l'any 1995, actualment és el més popular atès que presenta grans avantatges: millor disposició dels components, millor col·locació de la CPU i de la memòria lluny de les targetes d'expansió i a prop del ventilador de la font d'alimentació per rebre aire fresc. A més, els connectors de la font d'alimentació disposen d'un disseny d'una sola peça que fa impossible connectar-los malament, i els connectors IDE i de disquetera estan més a prop, reduint la longitud dels cables.
• Mini-ATX: Versió reduïda d'ATX amb la mateixa disposició d'elements.
• Micro-ATX: Publicat per Intel l'any 1997, suposa una reducció addicional de mida respecte a ATX.

Tant Mini-ATX com Micro-ATX són compatibles elèctricament i mecànicament amb caixes ATX, per la qual cosa es pot substituir una placa ATX per qualsevol d'aquestes dues sense problemes.

Altres factors de forma: LPX, NLX, BTX i WTX

• LPX: Molt utilitzat per equips de marca per a ordinadors de sobretaula compactes. Tenen integrats perifèrics habituals com mòdems, targeta de vídeo, de so, de xarxa, etc., i sovint usen una targeta vertical (riser card).
• NLX: Similar a l'anterior; l'objectiu d'aquest disseny és facilitar l'extracció i la substitució de la placa base sense eines.
• BTX: Introduït per Intel a finals del 2004 per resoldre els problemes de refrigeració, tot i que va tenir poca acceptació entre fabricants i usuaris. Els elements estan col·locats de manera diferent respecte a les plaques ATX, ja que els processadors i targetes gràfiques s'escalfaven molt i consumien cada vegada més. La nova disposició permet que la CPU estigui davant del flux principal d'aire.
• WTX: Creat per Intel l'any 1998 per a servidors i estacions de treball amb múltiples CPU i discs durs, amb dimensions àmplies per allotjar nombrosos components.

Detall dels Components de la Placa Base

Sòcol del microprocessador

El rendiment que ofereixen els microprocessadors està molt relacionat amb la placa base on s'instal·len. Hi ha diferents tipus de microprocessadors i no tots es connecten de la mateixa manera. Els primers anaven soldats directament a la placa i no es podien extreure; els actuals són intercanviables.

Tipus de sòcols:

• LGA (Land Grid Array): Es caracteritza pel fet que els pins de contacte es troben a la mateixa placa base i no al microprocessador, el qual té contactes plans a la part inferior. Això permet una millor distribució d'energia i velocitats de bus més altes. Si els pins es dobleguen és molt difícil redreçar-los. S'ha utilitzat en gammes com Pentium 4, Intel Xeon, Core 2, Core i7 i derivats per a servidors com Opteron.
• ZIF (Zero Insertion Force): Els xips s'insereixen i es retiren sense fer pressió. Disposen d'una palanca lateral que permet alliberar el component sense esforç. Un cop col·locat, baixar la palanca fixa el microprocessador amb seguretat. Va néixer a l'època del 486. Models destacats:
  • Socket 7 (Super 7): Suporta velocitats de bus de fins a 100 MHz (per a AMD K6-2).
  • Socket 370 (PGA 370): Similar a l'anterior però amb bus diferent; té versions com PPGA (Intel Celeron) i FC-PGA (Celeron i Pentium III).
  • Socket A (Socket 462): Per a AMD K7 Athlon i AMD Duron.
  • Socket 423: Utilitzat per als primers Pentium 4.
• Format Slot: Entre 1997 i 2000 van aparèixer els mòduls en cartutx (Slot). La manera d'inserir-los era semblant a la d'un mòdul RAM:
  • Slot A: La resposta d'AMD a Intel. Físicament idèntic en aparença a l'Slot 1, però lògicament i elèctricament incompatible. Utilitzat amb els primers AMD K7 Athlon.
  • Slot 1: Desenvolupat per Intel per connectar els Pentium II i Pentium III, allunyant-se de la competència. Té una forma semblant a una targeta d'expansió amb 242 contactes.
• PGA (Pin Grid Array): Model clàssic amb pins al xip, utilitzat en processadors com el 386 i el 486.
• Altres formats: Xips soldats directament a la placa base en encapsulats com QFP o DIP (utilitzats en el 8086, 80286, etc.).

Ranures de memòria (RAM)

Són els connectors de la placa base on s'insereixen els mòduls de memòria RAM. Aquests mòduls estan formats per diversos xips de memòria soldats sobre una placa de circuit imprès.

• DIMM (Dual In-line Memory Module): Fan aproximadament 13,3 cm de llargada. Existeixen ranures DIMM de 168 contactes (SDR SDRAM), 184 contactes per a memòria DDR (Double Data Rate), 240 contactes per a DDR2 i DDR3, i 288 per a generacions posteriors.
• SO-DIMM: Versió compacta dels mòduls DIMM, instal·lada en equips portàtils, PDAs i mini-PCs.
• SIMM (Single In-line Memory Module): Memòria utilitzada en plaques base antigues, més petita que la DIMM (al voltant de 10 cm); per inserir-los calia col·locar el mòdul amb una inclinació de 45° i redreçar-lo fins que quedés fixat.
• Dual Channel: Tecnologia de controlador de memòria que permet augmentar el rendiment accedint a dos mòduls de forma simultània.

El Chipset

Els principals canals de comunicació a la placa són: entre el microprocessador i la memòria RAM, entre el microprocessador i les ranures d'expansió, i entre el microprocessador i els perifèrics. L'element encarregat de coordinar aquestes tasques és el chipset, un conjunt de circuits integrats que faciliten la comunicació mútua de tots els components.

Integrar aquestes funcions en un conjunt reduït de xips ofereix:

• Reducció de la mida de la placa mare.
• Menor consum d'energia.
• Major fiabilitat del conjunt.

Funcions que realitza el chipset:

• Controlar la transferència de dades entre CPU, RAM i perifèrics.
• Controlar la transmissió de dades, les instruccions i els senyals de control que flueixen entre la CPU i la resta de components.
• Oferir suport per als diferents busos d'expansió.

En l'arquitectura clàssica, el chipset consta de dos xips principals:

• Northbridge (pont nord): Responsable de la connexió d'alta velocitat entre la CPU (mitjançant el bus FSB) i els components de màxim rendiment (memòria RAM, ranura gràfica AGP o PCI Express). Controla aspectes com:
  • Tipus de microprocessador suportat per la placa.
  • Nombre màxim de microprocessadors suportats.
  • Velocitat del microprocessador i del FSB.
  • Tipus i quantitat màxima de memòria RAM suportada.
  • Controladora gràfica integrada (si en té).
  • Connexió directa amb el Southbridge.
• Southbridge (pont sud): Responsable de la connexió de la CPU amb els elements més lents del sistema (perifèrics). No està connectat directament a la CPU, sinó que es comunica amb ella a través del Northbridge. Les seves funcions inclouen:
  • Controlador de so i de xarxa.
  • Controlador de teclat, ratolí i ports USB.
  • Connexions IDE/SATA per a perifèrics d'emmagatzematge.
  • Administració avançada d'energia (ACPI).
  • Gestió dels busos d'expansió clàssics (com PCI).

Components integrats i I/O integrada

La interfície d'entrada i sortida integrada a la placa base sol incloure ports de teclat i ratolí, controladors IDE i SATA, ports de comunicació sèrie i paral·lel, ports USB i connectors d'àudio, vídeo, mòdem i xarxa.

• Avantatge: Menys cables i connexions elèctriques independents a la placa.
• Inconvenient: Si un dels components es fa malbé, pot caldre canviar tota la placa base si no es pot deshabilitar.

La BIOS i el Procés d'Arrencada

La BIOS (Basic Input/Output System) és un conjunt de programes elementals emmagatzemats en una memòria no volàtil que s'encarrega d'inicialitzar el maquinari i arrencar l'ordinador. Per accedir a la seva configuració se sol prémer tecles com F2 o Supr.

Fases del procés d'arrencada

1. POST (Power-On Self-Test): Comprovació inicial de tots els components de maquinari. En cas d'error en aquest punt, s'emeten codis mitjançant xiulets d'alarma (beeps).
2. Si no hi ha cap error greu al POST, es busca i s'inicialitza la BIOS de la targeta de vídeo.
3. Es mostra per pantalla la informació de la BIOS (fabricant i versió).
4. S'executa una sèrie de comprovacions del sistema com la verificació de la memòria RAM. Si es troba cap anomalia, es mostra el missatge corresponent per pantalla.
5. Es comproven els dispositius presents i les seves característiques (unitats de DVD, CD-ROM, discs durs).
6. Es configuren els recursos dels dispositius Plug and Play.
7. Es mostra una pantalla de resum i es passa el control al sector d'arrencada per iniciar el sistema operatiu.

Evolució de les memòries de la BIOS

En els primers ordinadors, la BIOS s'anomenava ROM BIOS perquè s'emmagatzemava en memòria ROM de només lectura no modificable. Més tard es van utilitzar memòries PROM (Programmable ROM), posteriorment EPROM (Erasable Programmable ROM), i actualment memòries Flash.

La memòria CMOS i la bateria

Moltes dades de configuració que utilitza la BIOS (com la data, l'hora i els paràmetres de disc) s'emmagatzemen a la memòria CMOS (fabricada amb tecnologia complementària d'òxid metàl·lic amb transistors PMOS i NMOS de molt baix consum en repòs). La informació es manté gràcies a la pila de botó. Si es vol reiniciar la configuració, es pot recórrer a:

• El pontet o jumper de reinici (CMOS reset jumper).
• La retirada temporal de la pila elèctrica.

Interrupcions i control de dispositius

Una de les principals funcions de la BIOS és oferir suport bàsic per a perifèrics mitjançant rutines d'interrupció. L'accés a aquestes funcions es realitza a través de les adreces contingudes a la Taula de Vectors d'Interrupció (IVT) carregada a la memòria durant l'arrencada, de manera que qualsevol programa o sistema operatiu sàpiga com comunicar-se amb els dispositius bàsics.

Ranures d'Expansió (Slots)

Són ranures de plàstic amb contactes elèctrics on s'insereixen targetes d'expansió (gràfiques, de so, de xarxa, adaptadors, etc.). Aquestes ranures formen part dels busos interns pels quals es comuniquen els dispositius amb la resta del sistema.

Principals tipus de ranures

• AGP (Accelerated Graphics Port): Desenvolupat per Intel el 1996 com a solució als colls d'ampolla gràfics del bus PCI. S'utilitzava exclusivament per a targetes gràfiques. Per la seva arquitectura només hi ha una ranura AGP a la placa, habitualment de color marró. Ha quedat en desús superat per PCI Express.
• PCI (Peripheral Component Interconnect): Aparegut a principis dels anys 90. Utilitza un bus paral·lel de 32 bits a 33 MHz amb una taxa de transferència màxima teòrica de 133 MB/s. Admet targetes de so, xarxa, mòdem o vídeo, amb suport complet per a Plug and Play. Solien trobar-se entre 2 i 5 ranures per placa.
• PCI Express (PCIe, antigament 3GIO): Desenvolupat per Intel i introduït el 2004 per resoldre les limitacions d'amplada de banda del PCI clàssic. En lloc d'un bus paral·lel compartit, utilitza enllaços sèrie punt a punt bidireccionals (anomenats lanes o línies). Cada línia consta de 4 cables (2 per sentit). Les ranures es presenten en formats de x1, x4, x8 o x16 línies:
  • PCIe 1.0 x1: 250 MB/s per sentit.
  • PCIe 1.0 x4: 1.000 MB/s (aprox. 1 GB/s).
  • PCIe 1.0 x16: 4.000 MB/s (aprox. 4 GB/s).

  PCI Express permet la connexió de targetes més curtes en ranures de major mida física i ofereix suport de connexió en calent en determinades configuracions.

Equivalències d'unitats: 1.024 Bytes = 1 KB; 1.024 KB = 1 MB; 1.024 MB = 1 GB.

Connectors Interns i Externs

Connectors interns de la placa base

• Connectors IDE: Per a discs durs PATA i unitats òptiques antigues.
• Connectors FDD: Per a les disqueteres.
• Connectors SATA (Serial ATA): Per a unitats d'emmagatzematge modernes de transferència sèrie.
• Capçals USB addicionals: Per als ports de panell frontal o posterior.
• Capçal del panell frontal: Pins per al botó d'arrencada, reinici i llums LED de funcionament i activitat de disc.
• Connectors CD-IN: Per a l'entrada analògica d'àudio procedent de lectores de CD/DVD.
• Connectors per a ventiladors (FAN): De 3 o 4 pins amb control PWM.
• Connectors SPDIF interns: Per a sortida d'àudio digital.
• Suport SLI / CrossFire: Permet connectar dues o més targetes gràfiques per cooperar en el processament d'imatge cap a una única sortida de pantalla.
• Connectors d'alimentació:
  • Connector principal ATX de 20 o 24 pins.
  • Connector auxiliar de 12 V per a la CPU de 4 o 8 pins (EPS).

Connectors externs (Panell I/O)

• Ports PS/2: Introduïts per IBM. Són dos connectors mini-DIN de 6 pins elèctricament iguals però codificats per colors: verd per al ratolí i lila per al teclat.
• Port sèrie (COM / RS-232): Transmet les dades bit a bit de forma asíncrona. Emprat antigament per a ratolins o mòdems externs mitjançant connectors DB-9 o DB-25.
• Port paral·lel (LPT): Transmet un byte (8 bits) simultàniament. Tradicionalment associat a les impressores mitjançant connector DB-25. Substituït per l'USB.
• Port USB (Universal Serial Bus): Creat per un consorci tecnològic (Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC i Northern Telecom). Suporta múltiples dispositius sèrie a alta velocitat mitjançant connexió en calent. L'estàndard USB 1.1 assolia 12 Mb/s i l'USB 2.0 fins a 480 Mb/s, amb compatibilitat mútua.
• Port FireWire (IEEE 1394): Admet fins a 63 dispositius en cadena, amb taxes habituals de 400 a 800 Mb/s (FireWire 800) i posteriors.
• Connector de xarxa RJ-45: Interfície Ethernet integrada per a cable de parell trenat.
• Jacks d'àudio de 3,5 mm: Codificats per colors estàndard:
  • Taronja: Sortida per a altaveu central / subwoofer o digital S/PDIF.
  • Blau: Entrada de línia analògica (Line-In).
  • Negre: Sortida d'altaveus del darrere (surround).
  • Verd: Sortida de línia estèreo principal (altaveus frontals o auriculars).
  • Gris: Sortida per a altaveus laterals.
  • Rosa: Entrada de micròfon mono/estèreo.
• Sortides d'àudio digital SPDIF: Connectors òptics (Toslink) o coaxials RCA per connectar l'ordinador a equips d'àudio externs.
• Connectors de vídeo VGA i DVI:
  • VGA (DE-15): Senyal analògic tradicional emprat en monitors CRT.
  • DVI: Transmissió de senyals digitals sense pèrdues directament compatibles amb pantalles LCD.
• Port de jocs / MIDI: Connector femella DB-15 per a palanques de control (joystick) o instruments MIDI, actualment reemplaçat per l'estàndard USB.
• Connectors eSATA (SATA extern): Permet connectar dispositius d'emmagatzematge SATA a l'exterior sense haver d'obrir la caixa, gaudint de velocitats de bus natiu:
  
  • SATA I: fins a 150 MB/s.
  • SATA II: fins a 300 MB/s.
  • SATA III: fins a 600 MB/s.