Qué es una placa base – Características y funcionamiento

Uno de los elementos más importantes de cualquier ordenador es la placa base. Este elemento tiene una gran importancia, ya que es donde se instalan los componentes y que permite que se comuniquen entre ellos. Dentro de la placa base podemos encontrar una gran variedad y cantidad de sockets y conectores pensados para diferentes elementos. Aquí os explicaremos las partes más importantes y las características principales de las placas base

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¿Qué es una placa base?

La placa base es el elemento donde se conectan y por donde se comunican todos los componentes de un ordenador. Existen diferentes formatos de placas madre, pudiendo así desarrollar sistemas de gran formato o sistemas compactos. También debemos tener en cuenta para que tipo de procesador se fabrican, ya que las fabricadas para procesadores Intel no son compatibles con procesadores de AMD y viceversa.

Todo el hardware, ya sea primario o periférico, se conecta a la placa base. El hardware primario se instala directamente en la placa madre, mientras que el periférico depende de la conectividad de la misma. Componentes como procesador, memoria RAM o tarjeta gráfica se conectan directamente a ella. Los periféricos como teclado, ratón o altavoces se conectan mediante puertos específicos.

Estos componentes se pueden comunicar directamente entre ellos (como pueda ser el procesador y la gráfica) o comunicarse indirectamente mediante buses de datos gestionados por el chipset o el procesador. Esto ya dependerá del fabricante de la placa base y de quien haya fabricado el procesador.

Para evitar problemas de compatibilidad entre fabricantes y a fin de unificar los chasis de ordenador, las placas base tienen unas dimensiones específicas. Si bien es cierto que algunos fabricantes de sistemas OEM fabrican sus propias placas base a medida.

Destacar que en la placa base se instalan los siguientes elementos esenciales para que un ordenador funcione:

• Procesador
• Tarjeta gráfica
• Memoria RAM
• Unidad de almacenamiento
• Fuente de alimentación

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Formatos de placas base

Podemos encontrar diferentes formatos de placas base en el mercado. Aunque existen otros formatos actualmente, nosotros nos vamos a centrar en los cuatro formatos más comunes.

E-ATX

Actualmente el formato E-ATX es el más grande del mercado y está especialmente diseñado para sistemas avanzados. Las placas base de este formato tienen unas dimensiones estándar de 305x330mm.

Normalmente estas placas base están pensadas para procesadores de categoría Workstation y similares. Se caracterizan sobre todo por disponer de hasta 8 slots de memoria RAM y una gran cantidad de fases VRM. Adicionalmente este tipo de placas base suelen tener entre 4 y 5 slots PCIe x16 para tarjetas de expansión, como puedan ser las tarjetas gráficas.

ATX

Dicho formato de placa base se desarrolló en 1995 por parte de Intel y es el formato más común en placas base gaming. Esta placa base tiene unas dimensiones de 305x244mm, aunque algunos fabricantes pueden otra por hacerla un poco más ancha. No es lo más común, pero aún así los agujeros de anclaje se mantienen en la misma posición.

Este tipo de formato es el más usado para la configuración de todo tipo de ordenadores de sobremesa. Normalmente este tipo de placas base cuenta con 3 slots PCIe x16 y uno o dos PCIe x1, aunque en los sistemas modernos se están reemplazando estos últimos por slots M.2. Adicionalmente este tipo de placas base suelen contar con 4 slots para memoria RAM.

Micro ATX

Las placas base de formato Micro ATX tienen unas dimensiones de 244x244mm, reduciéndose en un 25% la superficie de la misma. Inicialmente se pensó como un formato para sistemas destinados a oficinas y similares, aunque también son bastante comunes en el mercado gaming. Permite desarrollar sistemas más compactos sin apenas perder conectividad con respecto al formato ATX.

Mini ITX

Finalmente tenemos el formato de placa base más pequeño que se comercializa en la actualidad. Estas placas base tienen unas dimensiones de 170x170mm y la conectividad esta reducida a su mínima expresión. Las placas madre de este formato suelen contar con solo un slot PCIe x16 y dos slots para memoria RAM. Algunas placas base modernas para el mercado gaming soportan unidades M.2 en la parte trasera de la placa base.

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Componentes físicos de una placa base

Chipset

Este circuito integrado es el encargado de la gestión de la comunicación entre el procesador y otros componentes en la placa base. Normalmente se encarga de la comunicación del procesador con algunos slots de expansión, unidades de almacenamiento y puertos de entrada y salida.

Tenemos que destacar que Intel y AMD fabrican sus chipsets por separado y solo funcionan con sus respectivos procesadores. Además, los chipsets de cada uno de los fabricantes se suelen actualizar con cada nueva generación de procesadores. Puede existir compatibilidad del chipset con varias generaciones de procesadores, algo que se está dando cada vez más.

Diseño del chipset en placas base antiguas

Antiguamente las placas base contaban con dos chipsets, uno cerca del procesador denominado Northbridge y uno en la esquina inferior derecha, denominado Southbridge. Estos dos chips realizaban gestiones diferentes y se repartían la carga de trabajo. Actualmente el Northbridge ya se integra dentro del mismo procesador, quedando solo el Southbridge.

Northbridge: Gestiona el bus de comunicación entre el procesador y la memoria RAM. Dicho bus se denomina Front Side BUS o FSB y se encarga de la gestión de las velocidades de transferencia de datos. Actualmente este puerto además se encarga de la gestión de una parte de las líneas PCIe y de las velocidades del bus.

Southbridge: Se comunica de manera directa con el Northbridge mediante el bus Direct Media Interface o DMI. Este tiene la capacidad de gestionar líneas PCIe adicionales, además de otros puertos de entrada y salida. Actualmente se encarga de la gestión de los puertos SATA para almacenamiento, la conectividad USB y algunos también de la conectividad de red. La conectividad de red en los procesadores modernos son gestionados por el Northbridge y el Southbridge gestionaría chips adicionales de conectividad de red como puede ser Ethernet, WiFi o Bluetooth.

Diseño del chipset en placas base modernas

Los procesadores Intel Core multinúcleo y los procesadores AMD FX pasaron a integrar un único chipset en la placa base. Podríamos decir que se absorbió el Northbridge y se integró en el propio DIE el procesador. Actualmente las placas base solo cuentan con un chipset, el Southbridge que se suele instalar en la esquina inferior derecha de la placa base.

Los AMD Ryzen de tercera generación han sacado el Northbridge del DIE de la CPU, pero se encuentra en el mismo encapsulado. AMD ha pasado a denominarlo DIE I/O y gestiona algunas líneas PCIe, el bus de la RAM, la comunicación con el Southbridge y la comunicación entre los DIE del procesador.

Tipos de chipset

Actualmente podemos encontrar tres tipos de chipset (Southbridge) según las necesidades del usuario. Primero tenemos los chipsets de gama alta, que son los que ofrecen mayor capacidad de conectividad y capacidad de overclocking. Los chipsets de gama media suelen ser más limitados en conectividad y normalmente no ofrecen soporte para overclocking. Finalmente tenemos el chipset de gama baja, el cual tiene conectividad muy limitada y no integran soporte para overclocking.

Debemos recordar que Intel fabrica sus chipset que solo son compatibles con sus procesadores, al igual que AMD.

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Socket del procesador

Uno de los elementos que se instala en la placa base es el procesador, el cual se instala en un socket específico. Todas las placas base disponen de un socket para procesador con un diseño específico. Hay que destacar que los socket Intel y los socket AMD son diferentes y no admiten compatibilidad entre ellos. Además, el socket se puede cambiar entre generación de procesadores o entre gamas de procesadores.

Hay tres tipos de socket:

• PGA (Pid Grid Array): Este está diseñado para procesadores que cuentan con pines propios. Aquí hay que ser delicados con el manejo y la instalación del procesador, ya que podríamos doblar algunos pines.
• LGA (Land Grid Array): Los pines están ya instalados en el socket y el procesador presenta una superficie ‘lisa’. Hay que depositar el procesador con cuidado en el socket, ya que podríamos doblar o dañar alguno de los pines
• BGA (Ball Grid Array): El procesador va directamente soldado en la placa base. Esto se suele dar en los equipos portátiles y otros sistemas compactos.

Memoria RAM

Los slots de memoria RAM son sencillos de identificar y suelen estar próximos al procesador. Podemos encontrar agrupaciones de 4 slots para los ordenadores comerciales y 8 slots para sistemas profesionales y más avanzados. Destacar que las placas base de formato Mini ITX solamente cuentan con 2 slots de memoria RAM.

Todas las placas base con 4 slots de memoria RAM (y también las de 2 slots) hacen usa de la tecnología Dual Channel. Esto quiere decir que los módulos de memoria RAM se agrupan en pares trabajando en paralelo, mejorando el rendimiento. Las placas base de 8 slots de memoria RAM hace uso de la tecnología Quad Channel. En este caso los módulos se agrupan en conjuntos de 4 para realizar tareas en paralelo.

El estañar de memoria actual es el DDR4, aunque aún se pueden ver algunos sistemas que hacen uso de DDR3. El diseño de la DDR4 impide que esta se instale en una placa base DDR3 y viceversa.

VRM (Voltage Regulator Module)

Conjunto de circuitos electrónicos y condensadores que se encargan de suministrar alimentación al procesador. Estos componentes tienen la capacidad de regular la tensión de entrada del procesador y la corriente. Normalmente estos elementos están ocultos bajo disipadores de calor pasivos.

Slots de expansión

Permite instalar hardware adicional en nuestro sistema, normalmente permitiendo instalar tarjetas gráficas, discos duros, tarjetas de red, etc. Dichos slots están estandarizados y reciben el nombre de PCIe, los cuales están disponibles en diferentes formatos. Su denominación depende directamente de la longitud, que suele coincidir con el número de líneas.

Actualmente los formatos más usados son: PCIe x1, PCIe x2, PCIe x4 y PCIe s16. Tenemos también el formato PCIe x8, aunque esté cada vez es menos usado. Hay que destacar que los slots de longitud x16 pueden tener limitados el número de líneas, pudiendo ser: x8 y x4.

Adicionalmente, junto con estos slots, podemos encontrar el M.2, que también se basa en interfaz PCIe, pero que tiene una denominación y diseño diferente. Este tipo de slots M.2 está pensado principalmente para unidades de disco duro.

BIOS

El chip Basic Input-Output System, también conocido como BIOS suele ser una memoria de tipo ROM, ERPM o Flash RAM. La BIOS contiene toda la información al respecto de la configuración de la placa base a nivel bajo. Se acompaña la BIOS con las memorias CMOS que contiene un software para inicializar nuestro hardware.

La CMOS además de inicializar el hardware, tiene la capacidad de detectar errores en el hardware instalado. Puede detectar problemas en la memoria RAM, disco duro o procesador, además de la falta de estos elementos.

Cabe destacar que la BIOS cuenta con una pila que alimenta este chip de manera permanente. Sirve para que no se pierda la configuración cuando apagamos nuestro ordenador. Cuando se agota la pila o se retira, la BIOS vuelve a los valores por defecto establecidos por el fabricante. Aunque no esté la pila, la información fundamental jamás se pierde.

Tarjeta de sonido

Normalmente las placas base modernas ya integran este tipo de memorias en la propia placas base. Suele estar en la parte inferior izquierda de la placa base y suele basarse en un chip de sonido específico y condensadores rectificadores. Algunas placas base tienen una tarjeta de sonido simple y otras ofrecen diferentes configuraciones de sonido, como pueda ser 5.1.

Tarjeta de red

Algunos procesadores modernos ya la integran en el mismo silicio y en otros casos es el chipset quien se encarga de la gestión. Algunos fabricantes optan por instalar tarjetas de red en la placa base de mayor calidad. Incluso algunas placas base tienen slots de expansión para tarjetas de red WiFi + Bluetooth, para ofrecer más posibilidades al usuario.

Conectores SATA

Son los puertos de comunicación con las unidades de almacenamiento que se usan en la actualidad por parte de los SSD y los HDD. El puerto SATA hace uso de un bus serie en vez de usar un sistema en paralelo para la transmisión de datos. Adicionalmente, permite la instalación y desconexión de unidades en caliente.

Slot M.2

Desarrollado específicamente para unidades de almacenamiento, aunque también se puede usar para tarjetas de red. Este tipo de conexión puede instalar unidades basadas en un bus SATA o bien NVMe. Normalmente uno o dos de estos conectores suelen ir directos al procesador, ofrecer gran velocidad de transferencia de datos.

Conectores de alimentación

ATX 24 pines

Conector convencional de alimentación que se basa en 24 pines (y cables) que alimentan diferentes aspectos de la placa base. Se sitúa normalmente en la zona derecha, junto a los slots de la memoria RAM.

EPS +12V

Las placas base integran este conector de alimentación para alimentar el procesador. Este conector va hacia las fases VRM y desde ahí se alimenta el procesador. Actualmente este conector tiene una configuración de 4 pines, 4+6 pines, 8+6 pines y 8+8 pines. La configuración depende de la placa base y para que procesadores va destinada, también se tiene en cuenta la capacidad de overclocking de la misma.

Conectores internos adicionales

Podemos encontrar en las placas base diferentes tipos de conectores que permiten instalar u ofrecer expansión de conectividad. Los más comunes son:

• Conectores ventiladores: Las placas base suelen integrar una gran variedad de conectores de 3 pines o 4 pines para conectar ventiladores. Algunas placas base modernas de gama alta tienen conectores especiales para bombas de refrigeración líquida
• Puertos USB: Se integran en la zona inferior de la placa base y están destinados a ofrecer conectividad USB en el frontal del chasis. Algunas placas base incluso cuentan con conector Thunderbolt
• Puertos de sonido: Junto a la tarjeta de sonido encontramos un conector para tomas de entrada de micrófono y salida de sonido en el frontal de los chasis.
• Conexiones de arranque: Son un conjunto de conectores donde se conectan los botones de arranque y reset del chasis. También se conecta el botón de encendido y de estado del disco duro
• Iluminación RGB: Muchas placas base modernas integran conectores RGB o ARGB para añadir tiras LED que cambian de color y que se sincronizan con el resto del sistema de iluminación

Conectores externos

Todas las placas base disponen de una serie de conectores en la zona superior izquierda para conectar diferentes periféricos. Se suelen encontrar puertos de expansión, de vídeo, de sonido y de red. Los principales conectores son:

• PS/2: Actualmente este puerto está prácticamente en desuso, pero aún se encuentra en algunas placas base. Dispone de 6 pines y los sistemas modernos soportan un ratón o bien un teclado de manera indistinta. Los teclados modernos ya no usan este conector, usan el puerto USB
• USB (Universal Serial Bus): Estándar de conexión más utilizado en el mundo. Son conectores de tipo plug and play y permiten retirar en caliente cualquier dispositivo. Actualmente los estándares más comunes son: USB 2.0, USB 3.0, USB 3.1 y USB 3.2
• Thunderbolt: Las placas base de gama alta hacen uso del puerto de conexión más avanzado del mercado. Se basa en un conector especial Type-C y es compatible con USB y DisplayPort
• HDMI: Puerto de salida de vídeo que permite aprovechar el chip gráfico integrado en algunos procesadores modernos. Únicamente ofrece soporte para salida de vídeo y audio, pero no soporta transferencia de datos
• DisplayPort: Puerto de salida de vídeo que permite aprovechar el chip gráfico integrado en algunos procesadores modernos. Además de permitir transferencia de video y audio, también permite la transferencia de datos
• DVI: Puerto de salida de vídeo que es el predecesor del conector DisplayPort. Algunos de estos conectores permiten transferencia de datos y vídeo, pero no todas sus versiones.
• VGA: Puerto de salida de vídeo antiguo en desuso que únicamente permite la transferencia de vídeo
• Ethernet: Se basa en el conector RJ45 y permite la conexión del ordenador al router mediante cable y conectarnos a internet. Algunas placas base modernas pueden contener dos de estos puertos controladores por dos tarjetas de red diferentes. Adicionalmente, algunas añaden conectores para conectarse a redes WiFi
• Jack 3.5mm: Son conectores destinado a la entrada o salida de audio y permiten diferentes configuraciones

Funcionamiento de la placa base

Una placa base tiene un funcionamiento bastante complejo, aunque a simple vista sea un elemento bastante ‘simple’. La placa base cuenta con una gran cantidad de elementos y buses que intercambian información entre los diferentes elementos que se instalan.

El primer paso que realiza la placa base, es la inicialización de los componentes y verificación de los mismos. Dicho proceso se realiza mediante el software integrado en la BIOS, que realiza un chequeo de los dispositivos conectados a esta. Los elementos que verifica son: el procesador, la tarjeta gráfica, la memoria RAM y las unidades de almacenamiento. Si alguno tiene fallos, está roto o tiene anomalías de funcionamiento, la placa base emitirá una serie de tonos que indican el tipo de fallo. Algunas placas base modernas cuentan con un pequeño display LED que muestran un código.

Paralelamente, el procesador, que integra el Northbridge carga la memoria RAM e inicializa la tarjeta gráfica. En este caso se encargará de la o las tarjetas gráficas instaladas que se comunican directamente con el procesador.

Cuando termina el proceso de verificación, el bus interno carga la información de las unidades de almacenamiento. Actualmente quien realiza este proceso es el chipset (el clásico southbridge)

Tras solicitar y cargar la información obtenida, pasa a verificar otros parámetros. Concretamente inicializa los dispositivos de entrada y salida conectados a la placa base. Esto es un proceso que se realiza en paralelo mientras se cargan los datos del sistema operativo en el proceso de arranque.

El proceso de arranque básicamente es un intercambio de datos entre los diferentes buses de comunicación, el procesador y el chipset.

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