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Tarjeta de expansión

Ejemplo de una tarjeta de expansión de E/S digitales PCI que utiliza un chip cuadrado grande de PLX Technology para gestionar la interfaz del bus PCI. Altair 8800b de marzo de 1...

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Ejemplo de una tarjeta de expansión de E/S digitales PCI que utiliza un chip cuadrado grande de PLX Technology para gestionar la interfaz del bus PCI.
Altair 8800b de marzo de 1976 con un backplane S-100 de 18 ranuras que albergaba tanto la placa base Intel 8080 como numerosas tarjetas de expansión.
Rack de tarjetas de expansión del sistema modular estándar de IBM en una computadora IBM 1401 que utiliza un conector de borde chapado en oro de 16 pines introducido por primera vez en 1959.
Interruptores DIP de configuración en un paquete de orificio pasante de 16 pines, como los que se encontraban a menudo en las tarjetas de expansión ISA de la década de 1980.
El conector Thunderbolt 3, presentado por Intel en diciembre de 2015, multiplexa hasta 4 carriles de PCIe 3.0 y 8 carriles de DisplayPort 1.2, y puede admitir una estación de acoplamiento externa que albergue una o más tarjetas de expansión con suficiente ancho de banda para controlar una GPU de gama media .

En informática , una tarjeta de expansión , también conocida como placa de expansión , tarjeta adaptadora , tarjeta periférica o tarjeta de accesorios , es una placa de circuito impreso que se puede insertar en un conector eléctrico o ranura de expansión (también llamada ranura de bus) en la placa base de un ordenador (véase también placa posterior ) para añadir funcionalidad al sistema. A veces, el diseño de la carcasa y la placa base del ordenador implica colocar la mayoría (o todas) estas ranuras en una tarjeta extraíble independiente. Normalmente, estas tarjetas se denominan tarjetas elevadoras, en parte porque sobresalen de la placa y permiten colocar tarjetas de expansión encima y en paralelo a la placa base.

Las tarjetas de expansión permiten ampliar o complementar las capacidades e interfaces de un sistema informático según las tareas que vaya a realizar. Por ejemplo, un sistema de adquisición de datos multicanal de alta velocidad no sería útil en un ordenador personal para contabilidad, pero podría ser fundamental en un sistema de control de procesos industriales. Las tarjetas de expansión suelen poder instalarse o retirarse in situ, lo que permite cierto grado de personalización por parte del usuario para fines específicos. Algunas tarjetas de expansión son módulos que se conectan a los conectores de la placa base del sistema.

En informática personal , entre los buses de expansión y estándares de tarjetas de expansión más destacados se incluyen el bus S-100 de 1974 asociado al sistema operativo CP/M , las ranuras de expansión de 50 pines del ordenador Apple II original de 1977 (exclusivas de Apple), la arquitectura estándar industrial (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 tuvo éxito 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.

ranura de expansión PCI

Historia

Las computadoras basadas en tubos de vacío tenían una construcción modular, pero las funciones individuales de los dispositivos periféricos llenaban un gabinete, no solo una placa de circuito impreso. Las tarjetas de procesador, memoria y E/S se hicieron factibles con el desarrollo de los circuitos integrados . [ 1 ] Las tarjetas de expansión hacen que los sistemas de procesador sean adaptables a las necesidades del usuario al permitir 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 un plano posterior pasivo y se alimentaban mediante él .

El primer microordenador comercial con 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 posteriormente se convirtió en un estándar de varios fabricantes: el bus S-100 . Muchos de estos ordenadores también tenían un diseño de placa base pasiva, donde todos los componentes (procesador, memoria y E/S) se conectaban a una caja de tarjetas que distribuía pasivamente las señales y la energía entre las tarjetas.

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

IBM PC y sus descendientes

IBM introdujo lo que posteriormente se denominaría el bus de Arquitectura Estándar de la Industria (ISA) con el IBM PC en 1981. En aquel entonces, la tecnología se conocía como bus de PC . El IBM XT , presentado en 1983, utilizaba el mismo bus (con una ligera excepción). El bus de 8 bits del PC y del XT 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 retrocompatible; las tarjetas de 8 bits seguían siendo utilizables en las ranuras de 16 bits del AT. La Arquitectura Estándar de la Industria (ISA) se convirtió en la designación del bus IBM AT tras el desarrollo de otros tipos. Los usuarios del bus ISA debían tener un conocimiento profundo del hardware que añadían para conectar correctamente los dispositivos, ya que las direcciones de memoria, las direcciones de los puertos de E/S y los canales DMA debían 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 de su diseño, pero cayó en desuso debido a la aceptación de ISA en toda la industria y a la concesión de licencias de MCA por parte de IBM. EISA, la versión extendida de 32 bits de ISA impulsada 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 (véase Compaq) y luego el estándar VESA Local Bus , 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 (actualmente en la versión 3.0) se encuentra en las placas base de PC hasta el día de hoy. El estándar PCI admite la interconexión de buses: se han probado hasta diez buses PCI conectados en cadena. CardBus , que utiliza el conector PCMCIA , es un formato PCI que conecta periféricos al bus PCI del host mediante un puente PCI a PCI. CardBus está siendo reemplazado por el formato ExpressCard .

Intel introdujo el bus AGP en 1997 como una solución dedicada de aceleración de video. Los dispositivos AGP se conectan lógicamente al bus PCI a través de un puente PCI a PCI. Aunque se denomina bus, AGP generalmente solo admite una tarjeta a la vez ( problemas de compatibilidad con BIOS heredada ). Desde 2005, PCI Express ha estado reemplazando tanto a PCI como a AGP. Este estándar, aprobado en 2004, implementa el protocolo PCI lógico sobre una interfaz de comunicación serial. A menudo se agregan 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 admitía tarjetas de un formato más pequeño. Debido a su compatibilidad eléctrica con el bus XT (también conocido como ISA de 8 bits o XT-ISA), se puede fabricar 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 podría haber sido eléctricamente comparable al bus XT; sin duda tenía algunas similitudes, ya que ambos exponían esencialmente los buses de direcciones y datos de la CPU 8088, con cierto almacenamiento en búfer y retención, la adición de interrupciones y DMA proporcionados por chips adicionales de Intel, y algunas líneas de detección de fallos del sistema (Power Good, Memory Check, I/O Channel Check). De nuevo, los módulos laterales de PCjr no son técnicamente tarjetas de expansión, sino módulos de expansión, con la única diferencia de que el módulo lateral es una tarjeta de expansión encerrada en una caja de plástico (con agujeros que dejan al descubierto los conectores).

autobuses de expansión externa

Por lo general, los portátiles no son compatibles con la mayoría de las tarjetas de expansión diseñadas para ordenadores de sobremesa. Por consiguiente, se desarrollaron varios estándares de expansión compactos.

El estándar original de tarjeta de expansión PC Card es esencialmente una versión compacta del bus ISA. El estándar de tarjeta de expansión CardBus es una evolución del estándar PC Card que lo convierte en una versión compacta del bus PCI. El estándar original ExpressCard funciona como un periférico USB 2.0 o un dispositivo PCI Express 1.x x1. ExpressCard 2.0 añade SuperSpeed ​​USB como otro tipo de interfaz que la tarjeta puede usar. Desafortunadamente, CardBus y ExpressCard son vulnerables a ataques DMA a menos que el portátil tenga una IOMMU configurada para contrarrestar estos ataques.

Una excepción notable 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 tener un propósito específico, como ofrecer conectividad inalámbrica integrada o actualizar el sistema durante su fabricación con una GPU dedicada.

Otras familias

La mayoría de las demás líneas de computadoras, incluidas las de Apple Inc. , Tandy , Commodore , Amiga y Atari, Inc. , ofrecían sus propios buses de expansión. Amiga usaba Zorro II . Apple usaba un sistema propietario con siete ranuras de 50 pines para las tarjetas periféricas de Apple II , y más tarde usó 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 exista 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 cumplen con los estándares VESA pueden usarse 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 , sin necesidad de configuración de hardware por parte del usuario.

Se utilizaron otros buses informáticos para el control industrial, la instrumentación y los sistemas científicos. Un ejemplo concreto es el HP-IB (o Bus de Interfaz de Hewlett Packard), que finalmente se estandarizó como IEEE-488 (también conocido como GPIB). Algunos estándares históricos conocidos incluyen VMEbus , STD Bus , SBus (específico de las estaciones SPARC de Sun) y muchos otros.

consolas de videojuegos

Muchas otras consolas de videojuegos, como la Nintendo Entertainment System y la Sega Genesis , incluían buses de expansión de alguna forma; en el caso de la Genesis, al menos, el bus de expansión era propietario. De hecho, las ranuras para cartuchos de muchas consolas basadas en cartuchos (sin contar la Atari 2600 ) podrían considerarse 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 iguales a las tarjetas de expansión, no son técnicamente tarjetas de expansión debido a su forma física.

Aplicaciones

El propósito principal de una tarjeta de expansión es proporcionar o ampliar funciones que no ofrece la placa base. Por ejemplo, el IBM PC original no tenía gráficos ni disco duro integrados. En ese caso, una tarjeta gráfica y una tarjeta controladora de disco duro ST-506 proporcionaban la capacidad gráfica y la interfaz de disco duro, respectivamente. Algunos ordenadores de placa única no incluían ranuras para tarjetas de expansión y solo ofrecían zócalos para circuitos integrados en la placa para modificaciones o personalizaciones limitadas. Dado que los conectores multipin fiables son relativamente caros, algunos sistemas de consumo masivo, como los ordenadores domésticos, no tenían ranuras de expansión y, en su lugar, utilizaban un conector de borde de tarjeta en el borde de la placa base, lo que incluía el coste del zócalo correspondiente en el precio del dispositivo periférico.

En caso de necesitar ampliar las capacidades integradas, una placa base puede ofrecer un único puerto serie RS232 o un puerto Ethernet . Se puede instalar una tarjeta de expansión para proporcionar varios puertos RS232 o varios puertos Ethernet con mayor ancho de banda . En este caso, la placa base ofrece la funcionalidad básica, pero la tarjeta de expansión proporciona puertos adicionales o mejorados.

Construcción física

Uno de los bordes de la tarjeta de expansión contiene los contactos (el conector de borde o cabezal de pines ) que se insertan en la ranura. Estos contactos establecen la conexión eléctrica entre los componentes electrónicos de la tarjeta y la placa base. Las tarjetas de expansión periféricas suelen tener 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 los conectores montados en el borde superior de la tarjeta, frente a los pines de la placa base.

Dependiendo del formato de la placa base y la carcasa , se pueden añadir entre una y siete tarjetas de expansión a un sistema informático. En sistemas con placa base, se pueden instalar 19 o más tarjetas de expansión. Al añadir 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 una ranura. Por ejemplo, muchas tarjetas gráficas disponibles en el mercado a partir de 2010 son de doble ranura, utilizando la segunda para alojar un disipador de calor activo con ventilador.

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

Placa hija

Una tarjeta de sonido con una tarjeta hija MIDI conectada.
Una tarjeta hija para la plataforma de servidor Inventec que actúa como controlador RAID basado en el chipset LSI 1078 .

Una tarjeta hija , tarjeta hija , tarjeta mezzanine o tarjeta piggyback es una tarjeta de expansión que se conecta directamente a un sistema. [ 7 ] Las tarjetas hija suelen tener conectores, enchufes, pines u otros accesorios para otras tarjetas. Generalmente, las tarjetas hija solo tienen conexiones internas dentro de una computadora u otros dispositivos electrónicos, y suelen acceder a la placa base directamente en lugar de a través de un bus de computadora . Estas tarjetas se utilizan para mejorar diversas 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 permitir que los usuarios personalicen sus computadoras para diversos fines, como los videojuegos. [ 8 ]

Las tarjetas hijas se utilizan a veces en ordenadores para permitir que las tarjetas de expansión se acoplen en paralelo a la placa base, generalmente para mantener un tamaño reducido . Estas tarjetas también se denominan tarjetas elevadoras o elevadores. Las tarjetas hijas también se utilizan a veces para ampliar la funcionalidad básica de un dispositivo electrónico, por ejemplo, cuando se añaden características a un modelo determinado y se lanza como un modelo nuevo o independiente. En lugar de rediseñar completamente el primer modelo, se puede añadir una tarjeta hija a un conector especial en la placa principal. Estas tarjetas suelen colocarse encima y en paralelo a la placa, separadas por espaciadores o separadores , y a veces se denominan tarjetas mezzanine debido a que se apilan como el entresuelo de un teatro . Las tarjetas de tabla de ondas ( tarjetas de síntesis basadas en muestras ) a menudo se montan en las tarjetas de sonido de esta manera.

Ordenador de placa única Raspberry Pi 4B con tarjeta "TV Hat" (para recepción de televisión DVB-T/T2) acoplada.

Algunos estándares de interfaz de tarjetas 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); mezzanines XMC; la tarjeta mezzanine avanzada ; IndustryPacks (VITA 4), los módulos mezzanine de GreenSpring Computers ; etc.

Algunos ejemplos de tarjetas de expansión tipo placa secundaria son:

Estándares

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Eurotherm Parker SSD Link Hardware L5341 | Automatización Industrial" . l5341.com . Consultado el 2 de enero de 2024 .
  2. ↑ "MB-54VP" . ArtOfHacking.com . Archivado del original el 16 de mayo de 2013.
  3. ↑ "NX586" . ArtOfHacking.com . Archivado del original el 16 de mayo de 2013.
  4. ↑ "LEOPARD 486SLC2 REV. B" . ArtOfHacking.com . Archivado del original el 17 de octubre de 2014. Consultado el 17 de noviembre de 2012 .
  5. ↑ "Placas base" . Artofhacking.com. Archivado del original el 16 de mayo de 2013.
  6. ↑ "PCI Mechanical Working Group ECN: Tarjeta PCI de perfil bajo" (PDF) . Pcisig.com . Consultado el 17 de noviembre de 2012 .
  7. ↑ IEEE Std. 100 Diccionario autorizado de términos de las normas IEEE, séptima edición , IEEE, 2000, ISBN 0-7381-2601-2, página 284
  8. ↑ MJ Memon, ¿Qué es una placa secundaria? Easy Tech Junkie. 24 de septiembre de 2011. https://www.easytechjunkie.com/what-is-a-daughterboard.htm . Consultado el 15 de octubre de 2021.
  9. ↑ Jens Kröger. "Transmisión de datos a altas velocidades mediante impresiones flexibles de Kapton para el experimento Mu3e" . 2014. págs. 43 a 44.
  10. ↑ Altera. "Especificación de la tarjeta mezzanine de alta velocidad (HSMC)" . págs. 2-3.
  11. ↑ El mercado considera a EGA como estándar de facto, InfoWorld , 19 de agosto de 1985
  12. ↑ Comparación de productos: Memoria EMS de 16 bits, InfoWorld , 7 de septiembre de 1987
  13. ↑ "Placas adicionales y HATs" . GitHub . Fundación Raspberry Pi . Consultado el 19 de junio de 2020 .
  • Listado de ranuras de expansión de computadora y asignación de pines
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