lunes, 23 de mayo de 2011

TP Nº 3: MotherBoard

¿Qué es el MotherBoard?

        El mother board es un circuito impreso. Este consiste en un material aislante (fibra de vidrio, Pertinax, etc) cubierta con un material conductor con el cual se dibujan las pistas y contactos de los componentes que iran soldados sobre ella. Con la tecnología actual se construyen circuitos impresos que pueden tener varias capas. Si analizamos la pc desde el punto de vista de su funcionamiento y aplicaciones no quedaran dudas de que el elemento central es el microprocesador pero si analizamos la computadora personal como concepto el componente a destacar es el mother board.
        La caracteristica que siempre tubieron los mother board es lo que llamamos arquitectura modular o tecnología abierta que posibilita incorporar o intercambiar elementos a la pc posteriormente a su compra, mejorar sus caracteristicas y dejar la puerta abierta para que terceros produzcan elementos que se puedan ircorporar al equipo (placa de sonido, video, modems, placas de red, etc). De esta maneta surgieron los llamados Clones de PC sin marca especifica, cuyos componentes proceden de diferentes fabricantes, algunos de ellos especializados solo a algunos de esos componentes  (marcas que se dedican solo a fabricar placas mather board, otros que solo producen placas de video, modems, etc)

Elementos de un MotherBoard


1)      Conectores: los mother board que respetan la norma ATX incorporar un grupo de conectores estándar: Serie rs232, Paralelo, Teclado y mouse ps/2 y Puertos USB. Tambien se agrega el sonido (entrada de microfono, salida de parlantes) y el conector de red (Rj45) 
2)    Socket (zócalo): Aquí se coloca el microprocesador. La medida y la catidad de contactos varian según el tipo de microprocesador usado. Posee ademas los anclages para el dicipador y el ventilador (Cooler)
3)    Zocalos de Memoria: Aquí se colocan los modulos de memorias RAM dinamicas los zocalos reciben el mismo nombre que las memorias que alojan (DIMM, RIMM, etc.)
4)    Conector Disquetera: ya en desuso
5)    Conectores ID (HardDisck): En estos dos conectores se conectan los cables planos que permiten conectar hasta cuatro discos rigidos. En las cercanias de estos conectores en los mother mas modernos  se encuentran los conoctores SATA que es la interfase que se usa actualmente para los discos rigidos. Velocidades de tranferencias tipicas: IDE: 133 Mb/seg
                 SATA: 150 Mb/seg
                 SATA 2: 300 Mb/seg
                 SATA 3: 600 Mb/seg
6)    Conector de Alimentación: A travez de este conector tipo ATX se suministran al mother board las diferentes tenciones de alimentación provenientes de la fuente de alimentación tipo Swiching.
7)    Bios (Basic Input Output System):  Este chip alberga el software basico del mother board que le permite al sistema operativo comunicarce con el hardware. Entre otras cosas el BIOS controla la forma en que el mother board maneja la memoria, los discos duros y mantiene el reloj en hora. El BIOS contiene dos tipos de memoria: Una memoria ROM (Memoria de solamente lectura, actualmente tipo flash) y una memoria RAM llamada setup que es mantenida por una pila a la que se accede cuando la maquina arranca (En algunas maquinas apretando F2 o Supr. durante el arranque).
8)    ChipSet NorthBridge: Es el encargado de controlar el Bus de datos del procesador y la memoria. También administra el Bus AGP.
9)    Conectores al Gabinete: Aqui se conectan los comandos e indicadores que se encuentran en el frente del gabiente: Led de encendido, Led de trabajo del HD, Boton de recet, Boton de encendido, etc.
10) ChipSet SouthBridge: Es la parte del chipset encargada de brindar conectividad. Controla los discos duros, el Bus PCI y los puertos USB
11)  Pila (CR 2032): Mantiene el setup
12) Slots PCI: En estas ranuras se insertan las placas de sonido, modems, etc. Existiendo un slot PCI Expres donde se conectan las placas de video.
13) Slot AGP: Especialmente diseñado para colocar placas de video actualmente en desuso


Las caracteristicas principales de las placas ATX son:

                            -Conectores de puerto serie (COM), paralelo (LPT) y USB on board, Lo que implica que el gabinete debe tener un lugar donde estos conectores calcen justo
                            -Conectores MINI DIN (ps/) para mouse y teclado
                            -Conector electrico de alimentación para la fuente ATX. (Estos conectores remplazan a los viejos conectores P8 y P9) Las fuentes de alimentacion ATX permiten su manejo por software accediendose asi a su apagado, encendido o modo suspendido
                           -Slot PCI y PCI EXPRESS (los slot ISA y AGP practicamente desaparecen)

  • Otra de las consideraciones que se tubieron en cuenta en la norma ATX fue la refrigeracion. El conjunto de un mother board y un gabinete ATX es más eficaz termicamente, ya que hay una mayor circulación de aire entre el gabinete y el exterior.

  • La firma INTEL introdujo una modificación a la norma ATX, la versión 2.03 que agrega un nuevo conector de alimentacion electrica para los motherboard que utilizan el microprocesador pentium4.


Conectores Externos de un MotherBoard ATX



1)    Conectores PS/2 para mouse y teclado: Incorporan un icono para distinguir su uso específico.
2)   Puerto paralelo: Puerto utilizado por la impresora. Actualmente está siendo reemplazado por USB.
3)   Conectores de sonido: Los motherboards modernos incluyen on board una placa de sonido con todas sus conexiones.
4)   Puerto serie: Utilizado para mouse y conexiones de baja velocidad entre PCs.
5)   Puerto USB: Puerto de alta velocidad empleado por muchos dispositivos externos, como los escáneres o las cámaras digitales
6)   Puerto FireWire: Otro puerto de alta velocidad empleado por muchos dispositivos externos. No todos los motherboards cuentan con una conexión de este tipo.
      7) Red: generalmente los motherboards de última generación incorporan una placa de red on board y la conexión correspondiente.


Función del motherboard:
  
Las tareas dentro del motherboard se distribuyen de la siguiente manera:
La conexión física de los elementos mediante los conectores y las pistas del circuito impreso.
Estas conexiones eléctricas se denominan buses del sistema.
La regulación de las señales eléctricas se realiza mediante el microprocesador y el chipset.

El chipset

Es el componente del motherboard que coordina el intercambio de la información que circula por los buses. Es el soporte del microprocesador y su tarea es intercambiar información entre los diferentes componentes del sistema.
Como regla general INTEL y AMD fabrican chipset para sus propios microprocesadores y hay otras marcas como SIS, VIA que fabrican chipset que soportan microprocesadores de las dos marcas tanto como INTEL y AMD.
Básicamente un chipset esta conformado por dos chip uno el mas importante, se denomina puente norte (North Bridges) y suele llevar un disipador. Su función principal es controlar el funcionamiento y la frecuencia del Buzz y del Buzz procesador, la memoria y el puerto AGP (obsoletos). De esta forma sirve de conexión (por eso se llama puente) entre el motherboard y los principales componentes:
Procesador, memoria y video. Generalmente las grandes innovaciones tecnológicas como el soporte para memorias DDR se implementan mediante este chip. La tecnología de fabricación de un North Bridges es muy avanzada y su complejidad comparable a la del microprocesador. Por ejemplo cuando se encarga de manejar el Buzz frontal de alta velocidad (FSB) es de manejar frecuencias de 400 hasta 800 MHZ. Son estas altas velocidades de procesamiento las que obligan a colocarle un disipador.



Interfaz SCSI

                     
                                  

  Interfaz SCSI

Es una interfaz estándar para la transferencia de datos entre distintos dispositivos de la computadora. Para montar el dispositivo SCSI es necesario tanto que el dispositivo como la placa principal dispongan de un controlador SCSI. Se utiliza habitualmente en los discos rígidos, pero  también interconecta una amplia gama de dispositivos incluyendo escáneres, unidades de CD ROM, unidades de DVD y hasta impresoras.
En el pasado era común en toda clase de computadoras, peor actualmente se utiliza casi con exclusividad en estaciones de trabajo de alto riesgo, servidores y periféricos de alta gama. Las computadoras de sobremesa (desktop) y las portátiles (laptop) utilizan normalmente interfazes mas lentas como la IDE /SATA y USB (el usb emplea un conjunto de comandos que SCSI  para algunas operaciones) a causa de la diferencia de costos con estos dispositivos. Se esta preparando un sistema casi serie (SERIAL ATTACHEID SCSI) que es la continuación en nuestros días de interfazes SCSI. La primera versión apareció en el 2003 (SAS 300) que aumentaba a 3 GB/seg. La velocidad de su predecesor el SCSI-ULTRA con 300 Mg. /seg., y la siguiente evolución SAS 600 llega a 6 GB/seg.
Esta ultima tecnología se encuentra presente en motherboard para servidores S5520 HC de Intel que soporta hasta 2 microprocesadores Intel Xeon 5500 con 12 ranuras para memoria DR3 6 puertos pci Express,6 puertos SATA y un puerto SAS.

Buses

Regularmente la velocidad del microprocesador se determina aplicando un factor multiplicador a la frecuencia del FSB (front side bus). Por ejemplo si aplicamos un factor de multiplicación de 5 a un fsb que esta a 100mhz se obtiene una velocidad del microprocesador de 500mhz.Este proceso se conoce como OVERCLOKING. Antiguamente esto se realizaba cambiando de lugar un JUMPERActualmente se hace desde el SETUP.                      


 BUS PCI (peripherical component interconnect)

Al bus pci se lo identifica como un conector blanco de aproximadamente 8,5 cm. de largo. El conector tiene una muesca para la correcta colocación de las placas.


Este bus fue desarrollado por Intel y luego el resto de la industria lo adopto como Standard. Es uno de los mas usados en la actualidad con las siguientes características:
cantidad de dispositivos: 10
ancho del bus 32 o 64 bits

velocidad máxima de transferencia:
  133 mb/seg. A 32 bit y 33 mhz
   266 mb/seg. A 64 bits y 33 mhz
 Frecuencia del clock: 33 mhz

             
 BUS ISA (INDUSTRY STANDART ARQUITECTURE)

Este bus es obsoleto. Algunas de sus características son: ancho del bus 32 bit –velocidad 16 mb/seg. y frecuencia del clok b mhz


BUS AGP (acelerated graphics port)

El bus agp se uso durante unos años para conectar con exclusividad placas de video. Si bien llego a velocidades de transferencia de 2 GB/seg. Fue reemplazado rápidamente por el slot PCI Express.


Ancho de bus 32 bits
frecuencia del clock 66 mhz
Velocidad de transferencia de datos
Agp: 266 mb/seg.
Agpx2: 533 mb/seg.
Agpx4: 1gb/seg.
Agpx8: 2, 1 gb/seg

 BUS PCI EXPRESS (x-press):


El bus pci Express se desarrollo entre los años 1999 y 2001. Durante su desarrollo tuvo varios nombres como system I/O
                                    infiniband
                                    3 gio (third generation input output)
                                    arapahoe
 Finalmente el desarrollo termino en manos del grupo PCI-SIG (special interest group) que es una organizaron sin fines de lucro que tiene como asociados a empresas fabricantes de hardware.
El bus pci Express presenta mejores características de flexibilidad y velocidad, por ejemplo la transmisión en serie y el sistema de conexión punto a punto.
La transmisión en serie es una de la mas antiguas de la PC (rs-232) que sigue presentes en los motherboard actuales, aunque esta prácticamente en desuso frente a interfaces externas superiores como la USB. La transmisión de datos en el bus pci Express se realiza en serie al igual que las nuevas interfaces de discos SERIAL ATA (una transmisión de datos en serie quiere decir que los datos van pasando bit a bit uno  detrás del otro, en las interfaces en paralelo los datos viajan por varios cables a la vez.
Se privilegia el uso de interfaces serie porque utilizan tensiones menores, generan menos interferencias y permiten alcanzar mayores velocidades sin perdida de información, además son mas simples lo que permite un diseño mas compacto.

  

                                                    Conexión PCI  
Una conexión básica PCI Express (por 1) consta de 4 cables ,2 para transmisión de datos en un sentido y 2 para el otro. Cada uno de ellos trabaja a una frecuencia de 2,5 ghz lo que brinca una taza de transferencia de datos de 2gbit/seg.=256mb/seg. Debemos considerar que esos 256 mb/seg. Se transmiten en un solo sentido  y que sin contamos también el otro, una cifra nada despreciable teniendo en cuenta los 133 mb/seg. Del antiguo puerto PCI.





    Gracias a las características de contar simplemente con 4 cables es que ahora los diseños de motherboard son más sencillos y compactos. La ranura pci Express por 1 tiene entonces 1 par de conductores para enviar información y otro para recibir. La ranura pci Express por 4 tiene 4 pares de conductores y la PCI Express por 16 tiene 16 pares de conductores siempre full duplex.

         
  La interfaz para discos rígidos

Actualmente es preponderantemente la interfaz serial sata que esta reemplazando a la interfaz IDE (integrated device electronics).
La interfaz IDE se reconoce porque no es un conector tipo ranura sino que es un conector con una doble hilera de pines donde va el conector hembra asociado a un cable plano 

  
Regularmente hay 2 conectores sobre el motherboard juntos, bajo los nombres de IDE 0 e IDE 1. La interfaz IDE esta basada en un estándar  creado por IBM llamado ATA (advanced technoloy attachment). Por eso esta interfaz se conoce como IDE/ATA. Esta interfaz se mejoro con el tiempo y fue capaz de soportar discos cada vez más rápidos
La interfaz ATA evoluciono como ATA 1, 2, 3, 4,5 Y FAST ATA. En principio esta interfaz soportaba solamente discos rígidos, pero mas tarde la interfaz ATA se convierte en ATAPI (advanced technology attachemnt package interface) y es capas de soportar unidades de CD ROM. Es por eso que en el inicio de una PC con lectora de CD ATAPI CD ROM. La evolución de la marca ATA esta directamente relacionada con los modos de transferencia de datos PIO y DMA.El modo mas antiguo se llamaba PIO. Dentro del modo pio se sucedieron varias evoluciones: 

pio0 => 3.3 mb/seg.
Pio1=> 5,2 mb/seg.
Pio2=>8,3mb/seg.
Pio3=>11.1 mb/seg.
Pio 4 => 16 mb/seg.


Debido al bajo rendimiento de la interfase ATA por el uso que hacia del microprocesador se introduce la tecnología de DMA (acceso directo a memoria), de esta forma los discos rígidos pudieron acceder directamente a la memoria sin pasar por el microprocesador. Para ello fue necesario un chip DMA. Esta norma fue mejorando hasta llegar a la UDMA (ultra dma) que llega a hasta los 133 mb/seg. Con la siguiente evolución.
 ATA 3:
Udma0:16mb/seg.
Udma1:25mb/seg.
Udma2:33mb/seg.
ATA 66:
udma3:44mb/seg.
Udma4:66mb/seg.
ATA 100:
Udma5: 100 mb/seg.
ATA 133:
udma6: 133 mb/seg.

Interfaz serial ata:

La interfaz ata (paralelo) fue superada en el año 2003 cuando se introdujo la variante serial SATA.
La interfase serial ata proporciona mayor velocidad de transferencia y permite mayor longitud de cable. Actualmente es Standard en todos los motherboards. Así como existe un grupo internacional  que desarrolla los estándares del buz PCI EXPRESS también existe una organización llamada SATA IO que es responsable por desarrollar las especificaciones estandarizadas SATA. Hasta el momento se han desarrollado 3 protocolos SATA con las siguiente velocidades:

sata1: 150mb/seg.
Sata2: 300mbseg
Sata3: 600 mb/seg.

          Sata3: 600 mb/seg.
SATA Rev3



El puente sur

El puente sur es el segundo chip de importancia q controla los buzes de entrada y salida de datos para periféricos y el soporte IDE, los puertos USB y el buz PSI. También controla los puertos serial ata (SATA) y el audio de 6 canales


La conexión entre los puentes norte y sur se realizaba a través del buz PCI, pero recientemente algunos fabricantes han a empezado a usar buzes especiales dedicados q permiten una transferencia de datos directa y sin interferencias entre los 2 puentes. El problema es q la vieja conexión PCI tiene una velocidad de transferencia (ancho de banda) de 133 mb/seg. que quedo insuficiente para la velocidad de los dispositivos actuales. Solamente teniendo en cuenta q los discos rígidos rondan los 100 mb/seg. y si le agregamos la transferencia de las placas q están colocadas en los slot PCI y los puertos usb 2.0 vemos q el buz pci se encuentra congestionado. La mejor solución fue interconectar los puentes con un buz dedicado. Por ejemplo el chipset i810 de Intel incorporo un pequeño buz de 8 bits a 266mb/seg. 


                                                          Buses



Los buses son básicamente pistas de cobre de los circuitos impresos q interconectan eléctricamente los dispositivos montados sobre el motherboard (microprocesador, memoria RAM, bios, puertos, etc.).
Los buses de un motherboard se pueden dividir en: bus de datos, bus de direcciones y bus del sistema
El bus de datos transporta los datos desde y hacia el microprocesador. Dependiendo del sistema del sistema y del microprocesador, este bus tendrá un ancho determinado .Las primeras PC tenían buses de 8 bits y en la actualidad pueden llegar a 64 bits.
El bus de direcciones determina cual es el origen y el destino de los datos. Estas direcciones no pueden repetirse para q no haya confusiones.
Los buses de sistema son los q permiten la conexión de los dispositivos que se pueden agregar a la placa (ranuras o slots de expansión. psi, psi express, ide, sata). Es decir que cada ranura de expansión responde a un bus particular con características propias. Por ejemplo los slots pci, agp, y pci Express se conectan mediante buses del sistema.
En las PC modernas solo se mantiene los pci y los pci Express.
Parámetro de los buses: 
ancho del bus (se mide en bits)
velocidad de transferencia de datos: (se mide en mb/seg.)
Frecuencia del clock: se mide hertz (ciclos por segundos)
cantidad de dispositivos permitidos


Front side bus (fsb)

Antiguamente solo existía un bus de datos y el microprocesador accedía a la RAM y a la memoria cache del 2º nivel a través de el para optimizar el desempeño de este bus Intel introdujo el DIB (DUAL INDEPENDET BUS) que permitió que el microprocesador acceda ala memoria cache L2 por el backside bus a la ram por el frontside bus.
TP Nº 4

EL BIOS Y ARRANQUE DEL SISTEMA
(BASIC INPUT OUTPUT SYSTEM)



BIOS:
  1. ROM
  2. RAM (SET UP)

El bios es un programa que se encuentra almacenado en un chip del motherboard y se ejecuta cuando se inicia la PC, para verificar y habilitar todos sus componentes principales y se pueda dar pie al inicio del sistema operativo. Todo este proceso se conoce como arranque del sistema.




Si ponemos arriba de una mesa un motherboard con todos sus componentes (microprocesador, memoria y placa de video), desconectamos el monitor, el teclado y el Mouse y la fuente de alimentación, al encender la fuente (“algo pasa”) y esto dispositivos funcionan ¿Cómo ocurre esto? Si no hemos conectado el disco rígido y por ende no tiene sistema operativo. Evidentemente hay algo mas básico permanente al sistema operativo esta en el disco rígido  y hace que apenas encendamos la fuente se produzca un reconocimiento del equipo y luego se cargue el sistema operativo, eso es el bios.
El bios entonces, resumiendo, es un circuito integrado que aloja una memoria que tiene un programa que no es accesible por el usuario, es decir no se puede modificar pero si actualizar. Dado que su función es básica e inicial no puede estar alojado en el disco rígido o en otra unidad porque justamente es el que habilita a estos componentes para que funcionen correctamente.
Sabemos que el bios es un conjunto de utilidades que configuran el sistema. También sabemos que podemos modificar ciertos parámetros tales como la ubicación de los puertos serie y paralelo, la presencia de los discos rígidos y su tamaño y la fecha y hora en el equipo. Pero si el bios se encuentra en una memoria de solo lectura ¡ como hace para gabar los datos que configuramos además de los que ya configura por si mismo!. La solución es usar una memoria RAM llamada SETUP DEL BIOS. Esta memoria RAM debe ser mantenida con tensión de alimentación para que guarde los datos auque se apague el equipo, esto se consigue mediante la utilización de una pila a la que se tiene acceso al abrir la CPU. Antiguamente esta pila estaba soldada al motherboard pero actualmente es remplazable por el usuario. Regularmente es una pila de litio tipo CR2032. Esta memoria tiene 256 bytes y entre la información almacenada tiene una llamada CHEKSUM (suma de verificaciones) que incluye la suma de todos los bits que información que incluye.









Cada ves que se inicia el equipo el bios realiza esta suma y la compara con el resultado guardado en el CHEKSUM al fin de verificar si no se han corrompidos datos de la memoria (algo no muy común pero que puede ocurrir en ciertas ocasiones en las que se realizan modificación de hardware). Esta memoria RAM tipo CMOS (complementary metal oxide semiconductor).se encuentra físicamente en el puente sur o SOUTH BRIDGE o SUPER I/O.

EL INICIO DEL SISTEMA

Para iniciar el sistema de la pc el bios cumple una serie de tareas importantes y consecutivas, es decir, que solo pasa a la siguente si la anterior esta correcta. En primer lugar encender la PC el microprocesador va en busca de la primera instrucción para ejecutar, como el disco rigido no arranco no la va a encontrar en el sistema operativo, el componente que le dice que hacer es el bios. El microprocesador ejecuta la instrucción 0000h del bus de direcciones, en ese momento inicia el inicio de la pc.
Una vez que el microprocesador da la orden de ejecutar el programa del bios hace lo siguiente:
  1. revisa el setup del bios para cargar las indicaciones del hardware asociado (parámetros del disco rigido, etc). El setup del bios es el unico lugar donde el usuario puede entrar y modificar o seleccionar opciones de configuración basica
  2. carga las interrupciones y los controladores de los elementos basicos (teclado, Mouse, etc)
  3. busca y habilita la placa de video. Algunas cuentan con un pequeño bios propio que se habilita en ese instante y cuya información aparece en la pantalla.
  4. acontinuacion el bios analiza algo bastante importante si este proceso de inicio se produce desde 0 (arranque en frio) o si se trata de un reinicio o REBOOT (por ejemplo cuando instalan un nuevo software y pide reiniciar) para eso verifica el valor contenido y la direccion de la memoria 0000:0042h, si este valor es igual a 1234h se trata de un reinicio, entonces pasa por alto el resto de la rutina el POST (power on self test) de lo contrario reailiza todo el proceso completo que indica lo siguiente. Verifica la Ram haciendo una rapida prueba de lectura y escritura en cada direccion de la misma. Va en buca del teclado y del Mouse recorriendo las direcciones correspondientes a los puertos PS2 y USB. Recorre BUS PCI y PCI EXPRESS verificando asi el PCI y EL PCI EXPRESS verificando asi las placas conectadas. Si el bios encontrara algun error lo indicara mediante una mensaje en pantalla o mediantes sonidos que corresponden a un codigo de error.
  5. si todo esta bien el bios encuentra en pantalla el detalle de los componentes del sistema
  6. mediante una serie de rutinas de bajo nivel establece los protocolos de comunicación con el resto de los elementos asociados (taclado, pantalla, puertos, etc.)
  7. si todo lo anterior ocurrio bien inicia la carga del sistema operativo, operación conocida como BUTEO que busca el sistema operativo en el correspondiente sector de arranque del disco rigido (la ubicación de este sector en el disco rigido esta determinada por la geometria, es decir cantidad de cabezas, cilindros, etc. Datos que son guardados en el SETUP). Cuando encuentra el sector de arranque carga el MBR (Master Bud Record) tras lo cual se carga las instrucciones del mas bajo nivel del sistema es decir las que conforman el nucleo.
  8. luego carga los controladores de los dispositivos (los controladores de los Drivers). Después de este tiempo surge en pantalla la imagen del sistema operativo cargado.

El programa contenido en el bios lleva mas de nueve años en desarrollo sin grandes modificaciones, INTEL  ha desarrollado un producto para su reemplazo llamado EFI (Extensible Firmware Interface), que se trata en realidad de un pequeño sistema operativo que permitira mas opciones de configuración  mediante una interfaz mas amigable que el conocido SETUP incluyendo el arranque con una interfaz de alta resolucion.