Hardware - A arquitetura de uma placa-mãe de Desktop e Notebook

Hardware - A arquitetura de uma placa-mãe de Desktop e Notebook

14/10/2017

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  Olá! hoje vamos estudar a arquitetura de uma placa mãe e as mudanças dela no decorrer do avanço da tecnologia.

  Uma placa-mãe de computador segue padrões para ser construida. Independente da marca ou modelo, existem algumas arquiteturas que são (ou foram) utilizadas. E quando digo "arquitetura" estou me referindo à organização dos componentes e tecnologias presentes na placa.

  A placas-mãe de computadores de mesa passaram por várias mudanças durante os anos. As placas muito antigas tinham vários slots de expansão, pois não vinham com controladores áudio, rede, nem vídeo integrado. Antigamente além da unidade central de processamento, as placas possuíam um co-processador, para executar os cálculos mais simples e a memória cache era um chip muito sensível a energia estática que era instalado ao lado do soquete da CPU. Hoje, tanto o co-processador, quanto a memória cache já integram o die da CPU.

  No princípio haviam vários chips na placa, cada um responsável por executar uma função. Com o passar dos anos, estes chips passaram a ser integrados em apenas dois die's, chamados de chipset Ponte Sul (South Bridge) e Ponte Norte (North Bridge). 

  Chipset significa "conjunto de chips". Você verá mais adiante que a Ponte Norte passou a ser integrada no processador, restando apenas a Ponte Sul e seus circuitos auxiliares na placa-mãe.

  Quando as placas começaram a vir com apenas dois chipset's, o barramento PCI, recém lançado (em 1993) foi usado como interface de comunicação entre os dois chips Ponte e também como um barramento de comunicação entre placas-filha e a Ponte Sul. Com era apenas um canal PCI (ou dois canais em alguns South Bridges) compartilhado entre vários dispositivos, o barramento PCI começou a ser um gargalo, fazendo com que fabricantes utilizassem o barramento PCI apenas para comunicação de placas-filha com a Ponte Sul e outro barramento proprietário entre os dois chips Ponte. A Intel criou o DMI (Direct Media Interface - Interface de Mídia Direta) que é muito semelhante à uma conexão PCI Express e que foi utilizado desde os chipset's para CPU's de socket PGA478. A a AMD passou a utilizar o A-Link Express, que também era muito parecido com uma conexão PCI Express, a partir dos chipset's para CPU's de socket 754. A nVidia, na sua série de chipset's nForce 2, resolveu colocar o HyperTransport 1.0 com interface de comunicação entre Ponte Norte e Sul.

  Antigamente placas-mãe não tinham controlador gráfico integrado, era preciso comprar uma placa de vídeo ISA (Industry Standard Architeture) ou PCI (Peripheral Component Interconnect) para plugar o famoso cabo VGA do monitor de vídeo no computador. Os controladores gráficos "On board" só começaram a ser adicionados nas MoBos a uns 20 anos atrás. Esses controladores gráficos faziam parte da Ponte Norte (em alguns chipset's eram ligados ao barramento PCI). Como a evolução dos games foi muito rápida e o barramento ISA e PCI se tornaram um problema de gargalo geral na placa-mãe, um novo barramento chamado de AGP passou a ser integrado a Ponte Norte para que, se o usuário quisesse comprar uma placa de vídeo mais robusta, poderia desabilitar o vídeo on-board, deixar os slots PCI e ISA de lado e liga-la na interface AGP que é exclusiva para placas de vídeo. Logo depois veio o PCI Express, que tomou conta da placas e é utilizado atualmente como interface para circuito de rede, placa de vídeo, SSDs e etc.

  Muitas outras coisas mudaram nas placas-mãe, como o controlador de memória que passou a ser integrado no processador e não mais no chipset da placa-mãe, a(s) porta serial e paralela e interface com drives de disquete que ficaram obsoletos, além de vários outros circuitos que foram realocados ou abolidos.

   O diagrama de blocos a baixo é da placa-mãe Asus A7N8X-X produzida entre 2002 e 2005.

   Esta placa foi desenvolvida para processadores de socket 462, para CPU's Sempron, Athlon, Athlon MP, Athlon XP, Geode e Duron da marca AMD.

  Perceba que a Ponte Norte controla o slot AGP (usado para colocar placas de vídeo Off board), se comunica com o processador, com a Ponte Sul e com os slot's de memória RAM.

  Esta placa não possui vídeo On-board, ou seja, é obrigatório a colocação de uma placa de vídeo Off-board no slot AGP ou em um dos slots PCI para que a placa seja utilizável.

  O chipset Ponte Sul controla todo o resto da placa: os 5 slots PCI que compartilham o mesmo caminho para se comunicar com o chipset, o controlador SATA, o controlador de entrada e saída, o codec de áudio e o chip controlador de rede. Na Ponte Sul ainda é conectado as portas IDE (PATA) para HDs e leitoras de CD/DVD e as portas USB.

 

   Vamos agora, analisar uma placa de notebook. Abaixo, você vê a a imagem de uma placa de notebook produzida por volta do ano de 2000.

   Esta placa de notebook da imagem acima, possui algumas peculiaridades que demonstram bem as limitações destes equipamentos. Vamos a elas:

 > Nesta época, ainda não existia Ponte Norte integrada na CPU. Neste Notebook um chipset com a Ponte Norte e a Ponte Sul integradas foi utilizado;

 > O controlador de rede Ethernet tem invólucro QFP, muito utilizado em chips de rede Ethernet com interface PCI;

 > A memória RAM suportada é de um padrão anterior ao DDR (Double Data Rate - Dupla Taxa de Transferência), um padrão chamado SDR (Single Data Rate - Taxa de transferência Única) que trabalha a normalmente 133 MHz. Há apenas 1 canal de memória nesta placa.

 > Nesta época já se utilizava a interface LVDS (Low Voltage Differential Signal) para transferências de dados entre controlador gráfico e T-Con do display LCD;

 > Perceba que, entre o chipset e o soquete para a bateria há o conector flat para o teclado, comum até hoje em notebooks;

 > Quatro portas USB, uma porta paralela, uma porta serial, um conector VGA e um S-Vídeo também estavam disponíveis nesta placa. Os dois conectores (VGA e S-Vídeo) não eram ligados ao chipset, mas sim a um chip conversor digital-analógico, já que, estas duas interfaces são analógicas e, este chipset cujo nome é "GFxcel/ST" não vinha com saídas analógicas;

 > Os HDs e leitores de CD / DVD utilizavam interface SCSI, normalmente. Os conectores eram, normalmente diferentes para o leitor de discos e para o disco rígido. Na época já existiam HDs de 2,5" e até era possível encontrar drive de disquetes em alguns notebooks!

  Veja a imagem de outra placa-mãe abaixo:

   O controlador de entrada e saída (também chamado de Super I/O) é ligado no conector de drive de disquete, porta paralela (aquela porta de cor rosada usada principalmente em impressoras antigas), a(s) porta(s) seriais, também chamadas de DE9 (RS-232) e muito utilizadas por mouses antigos, os conectores PS/2 para mouse (PS/2 de cor verde) e teclado (PS/2 de cor roxo), os sensores de temperatura e de rotação das ventoinhas e as próprias ventoinhas para manter o controle da refrigeração e monitoramento de hardware. O chip escrito "BIOS" é uma memória do tipo ROM Flash e é onde fica o firmware (conhecido como BIOS), conjunto de instruções que faz a placa-mãe funcionar.

  O chip do BIOS (Basic Input Output System) pode ser ligada ao Super I/O pelo barramento SPI (Serial Peripheral Interface) ou diretamente a Ponte Sul pelo barramento LPC (Low Pin Count). O Super I/O é ligado na Ponte Sul também pelo barramento LPC, baseado no antigo barramento ISA que também era utilizado para conectar o Super I/O e o chip do BIOS ao chipset. Neste caso não há problemas de gargalo, pois mesmo a interface sendo simplória, são circuitos relativamente simples que não necessitam de altas taxas de transferência. Para saber mais sobre o Super I/O clique aqui.

  Lembrando que, chipsets South Bridge atuais, como por exemplo o nVidia MCP68, AMD SB700, 710 e 750 e a linha Intel ICH10, além de vários outros, possuem a interface SPI e podem ser conectados diretamente ao chip do BIOS, vale da fabricante escolher a arquitetura desta parte do circuito da placa-mãe. Caso seja utilizado o barramento LPC para o chip com o firmware, tanto o Super I/O quanto o chip do BIOS compartilharão a mesma interface.

  A bateria presente em todas as placas-mãe é ligada a Ponte Sul, mais precisamente no RTC (Real Time Clock), onde há um pequeno espaço de memória do tipo RAM, normalmente com 100 a 500 kiloBytes e um controlador que está ligado a um cristal de clock de 32,768 Mhz. Esta memória e este pequeno controlador mantém a data e hora certas e também as alterações na configuração do BIOS, que como foi dito, está gravado no chip de memória ROM flash. Mesmo quando o aparelho está fora da tomada, a pilha mantém tudo à salvo e, caso esta pilha seja retirada, tudo é "resetado" para as configurações de fábrica.

  Abaixo, os três modos de ligação do chip ROM Flash, do Super I/O e do Módulo TPM (que será explicado futuramente) na Ponte Sul:

 

   Neste segundo diagrama de blocos, temos a placa-mãe AsRock N68 VS3 FX com o chipset nVidia MCP68, lançado em 2007.

   Note que há apenas um chipset, que é a Ponte Sul, com controlador gráfico integrado e também um slot PCI Express x16 para placas de vídeo Off-board. A Ponte Norte está dentro da CPU, que também possui dois controladores de 64 bits cada para acessar a memória RAM. O chipset Ponte Sul só tem acesso à no máximo 256 MB de memória RAM através de um controlador de 32 bits, e que é destinado ao controlador gráfico on-board.

  O controlador de memória RAM e a Ponte Norte passaram a ser integrados na CPU a partir da arquitetura AMD64, que foi introduzida nos processadores Opteron de socket 939 e Athlon 64 de socket 754. No caso da Intel, apenas os processadores a partir do socket LGA 1156 e LGA 1366, ou seja, a linha Core i e Pentium G / Celeron, passaram a ter estes circuitos integrados.

 

  Detalhe: O controlador SATA também está integrado no chipset, diferente da A7N8X X que possui um chip separado para esta função. Somente as primeiras placas do mercado a ter portas SATA usavam um controlador fora da Ponte Sul. Por ser uma tecnologia nova e cara na época, se levou um tempo para incorpora-la ao chipset.

 

  A N68 VS3 FX suporta CPU's de socket AM3 e AM3+, ou seja, Sempron 1xx, Athlon II, Phenom II e FX Series. Todos eles não possuem o controlador PCI Express. Em várias placas destinadas a esses modelos de CPU, existe um "chipset intermediário" entre a Ponte Norte, que esta dentro do processador, e a Ponte Sul, que está na placa-mãe, e é este chip o responsável pela interface com o(s) slot(s) PCI Express, que é o caso, por exemplo, das placas com o chipset AMD 970, 990 e 990FX. Nos modelos um pouco mais antigos destes "chipset intermediários", como por exemplo o AMD 760G e o 780G, havia um controlador gráfico integrado.

 

  Observação: utilizo este termo "chipset intermediário", com aspas, para me referir a este chip, por ele ter poucas funcionalidades, e em várias placas já estar integrado a Ponte Sul, como é o caso do MCP68 da N68 VS3 FX.

 

  A comunicação entre o "chipset intermediário" e o chip Ponte Sul da AMD é feita através da conexão A-Link Express, que é muito parecido com uma conexão PCI Express x4. Já a comunicação entre a Ponte Norte do processador e a Ponte Sul de placas como a N68 VS3 FX, é feita pela conexão HyperTransport. No caso das placas com o chipset AMD 760G ou o 990FX, por exemplo, o HyperTransport está entre o "chipset intermediário" e o processador.

  Desde os modelos de placas-mãe com o socket AMD 754 e 939, que o controlador de memória e a Ponte Norte já estão no mesmo Die da CPU, só que, sem o controlador PCI Express.

Imagem do diagrama de blocos de um processador AMD Athlon 64

 

  Mesmo podendo integrar o controlador PCI Express na Ponte Sul e liga-la diretamente a Ponte Norte da CPU, os fabricantes ainda criavam estes "chipsets intermediários" dedicados para o(s) slot(s) PCI Express ou AGP.

  A nVidia, pouco antes de parar de fabricar chipsets, criou algumas Ponte Sul completas, como por exemplo, o MCP68 da placa N68 VS3 FX: ele possui o controlador PCI Express e até o controlador de vídeo On-board integrado na Ponte Sul. Outro exemplo deste tipo de chipset é a série nForce 4, também da nVidia.

  Somente a partir dos novos chipsets para o AMD Ryzen, o barramento PCI foi abolido completamente para dar lugar a alguns lanes PCI Express x1, ideiais para dispositivos secundários, como por exemplo, circuitos de GPS e Bluetooth.

  Vídeo on-board na Ponte Sul não existe mais, já que placas de vídeo Off-board ou integradas na CPU possuem um desempenho muito melhor e são conectadas direto a barramento PCI Express presente no processador.

 

  As placas da Intel para processadores de socket LGA775, fabricadas até por volta de 2010, e para socket PGA478, fabricadas até por volta de 2006, não tinham um "chipset intermediário" e nem Ponte Norte integrada na CPU. Funcionavam da mesma forma que a A7N8X-X. A Ponte Norte, também denominada MCH (Memory Controller Hub - Concentrador Controlador de Memória) pela Intel, fica no centro da placa-mãe e controla a memória, a CPU, o slot PCI Express ou AGP e se comunica com a Ponte Sul, denominada ICH (I/O Controller Hub - Concentrador Controlador de Entrada e Saída) pela Intel.

Imagem de uma placa-mãe GigaByte GA-8iG1000MG de 2005, para processadores de socket 478.

  Com o passar dos anos, os slots PCI, slot AGP, conectores de drive de disquete e portas IDE passaram a ficar em desuso por serem muito limitados. É o que podemos ver na N68 VS3 FX. Ao contrário da Asus A7N8X X, que tem 5 slots PCI, duas portas IDE e um conector de drive de disquete, e é bem mais antiga, a placa da AsRock possui apenas 1 slot PCI , uma porta IDE e nenhuma para drives de disquete. Estas conexões já não existem mais em placas-mãe novas.

  O funcionamento do barramento PCI pode ser visto clicando aqui.

  O funcionamento do barramento AGP pode ser visto clicando aqui.

  O funcionamento da interface IDE pode ser visto clicando aqui.

  Na próxima imagem, temos o diagrama de blocos de uma placa-mãe para processadores Intel Pentium G, Celeron, Core i3, i5 e i7 da sexta e sétima geração (socket LGA 1151).

  Por ser um projeto mais novo, o chipset Ponte Sul, denominado PCH (Platform Controller Hub - Concentrador Controlador de Plataforma) pela Intel, suporta muitas tecnologias atuais, mas vamos ao principal: o processador possui um controlador PCI Express integrado e o controlador gráfico, que antes ficava no chipset da placa mãe, hoje já passou para a CPU também. Resta ao PCH mais lanes PCI Express e conexões USB para dispositivos secundários (módulos Wi-Fi, NFC, Bluetooth, controlador de rede, codec de áudio, GPS...).

 Processadores Ryzen de primeira geração (lançada em 2017) não tem vídeo integrado mas, utilizam o soquete AM4, que possui suporte a APU's (Unidade de Processamento Acelerado) Serie A da AMD. Os processadores Ryzen 3 e Ryzen 5 de segunda geração (lançada em 2018) possuem duas versões com o vídeo integrado AMD Radeon Vega.

 

  Detalhe: A diferença entre um processador com vídeo integrado e uma APU, é que a APU possui a unidade central de processamento e o controlador gráfico no mesmo die, já os processadores com vídeo integrado, possuem um die com o circuito da GPU ao lado do die da CPU, e tudo isso na mesma plataforma que é encaixada no socket.

  O desempenho é melhor se comparado com o vídeo on-board na Ponte Sul pois, neste caso, todo o barramento com a memória pode ser compartilhado entre o circuito da CPU e da GPU. Outro ponto positivo é que o circuito de vídeo também está ligado no controlador PCI Express presente no processador, portanto, a comunicação entre os dois é muito mais rápida.

  Ao contrário do que você imagina, não há um conector DVI, ou HDMI, ou VGA, ou DisplayPort ligado diretamente ao soquete da CPU. As fabricantes optaram por criar uma interface de vídeo proprietária e padronizada, e ligar o controlador de vídeo no chipset Ponte Sul, No chipset Ponte Sul há o circuito que recebe os dados de vídeo do controlador gráfico e os manda ao monitor via interfaces HDMI, DVI, VGA, LVDS ou outra. Nos processadores Intel com vídeo integrado, a interface utilizada é a DDI. Isso também vale para placas de notebook.

 

  Detalhe: Todos os chipset's Ponte Sul possuem uma interface de áudio, apenas não integram o codec (sigla para codificador / decodificador) e também uma interface de rede, apenas não integram o controlador de rede, conhecido como PHY (pronuncia-se "fái") que é responsável pela codificação / decodificação ou modulação / demodulação dos dados transferidos via cabo. Alguns chipset's podem não ter a interface de rede e um chip dedicado (Ethernet ou Wi-Fi) pode ser utilizado em um lane PCI Express x1 da placa.

  Em placas mais antigas que não possuíam um controlador de rede e ou de áudio na Ponte Sul, poderiam utilizar também o barramento PCI para conectar chips dedicados. Placas com duas portas RJ-45 poderiam utilizar um chip dedicado ligado a um lane PCI Express x1 ou utilizar a interface de rede do chipset Ponte Sul e outro chip dedicado ligado ao barramento PCI.

 

  Detalhe: As portas USB sempre foram controladas por um hub USB no South Bridge. No período de transição entre o USB 2.0 e 3.0, alguns chipsets que não tinham suporte a versão mais atual não foram descartados. Apenas foi ligado um controlador USB 3.0 a um lane PCI Express x1. Chipsets atuais já possuem suporte nativo a USB 3.0 e 3.1 e no caso do socket AM4, a própria CPU tem um controlador com algumas portas USB.

 

  Independente da arquitetura da placa-mãe e da marca dos componentes, a ligação entre a CPU e a Ponte Norte é feita por um barramento de 32 bits (no caso de processadores x86 muito antigos) ou 64 bits (no caso dos processadores de socket PGA478, LGA775 e superiores da Intel.

  Os processadores AMD com arquitetura AMD64, isto é, os chips que possuem Ponte Norte (exceto controlador PCI Express) e controlador de memória integrados, como é o caso de CPUs para socket 939 e superiores da AMD, possuem um barramento de 64 ou 128 bits.

  Este barramento entre a Ponte Norte e a CPU é chamado de FSB (Front Side Bus) e, ao contrário do que muitos pensam, não depende do conjunto de instruções suportados pela CPU. No caso de processadores de socket PGA478, o conjunto de instruções é de 32 bits mas, o FSB é de 64 bits. No socket AM2 e AM3 da AMD, o FSB tem 128 bits, e o conjunto de instruções suportado pode ser de 32 ou 64 bits. O FSB é apenas um canal de comunicação entre dois circuitos.

 

  No caso de notebooks atuais, a arquitetura não difere dos desktops. Veja a placa de Notebook abaixo:

   Este notebook Acer já tem alguns anos mas, suporta processadores Intel Core i. Não há mais porta paralela, serial, SCSI, FDD (para drive de disquetes) e nem um chip com Ponte Norte e Sul integradas. A Ponte Norte já é embutida no processador que também possui 2 controladores de memória RAM e suporte à memória com fator forma SODIMM.

  O Fator forma SODIMM possui contatos de tamanho reduzido, diminuindo assim o tamanho do slot e, consequentemente o espaço ocupado. Esta placa suporta o padrão DDR3 (Double Data Rate - Dupla Taxa de Transferência) e também suporta um slot MiniPCI Express para adaptadores Wi-Fi, 3G, LTE ou outros.

  O HD é conectado à placa através de um conector SATA e um cabo de alimentação. Apesar do leitor de CD / DVD / BluRay ter a interface SATA também, ele é conectado a placa com um conector único, que integra a alimentação elétrica e o lane SATA. Há várias portas USB, o PHY de rede, o codec de áudio. Também há uma saída de vídeo analógico (VGA) e uma porta HDMI, ligadas diretamente a Ponte Sul. Uma interface LVDS é utilizada para conectar o adaptador gráfico na placa T-Con do display.

  O chip do BIOS possui interface SPI e invólucro SMD de 8 pinos. Ele pode ser confundido outros chips parecidos mas, que executam outras funções.

  Atualmente, os notebooks já suportam memórias SODIMM DDR4 e slots M.2 para SSD's.

  Muitos notebooks incluem um chip gráfico dedicado e com chips de memória RAM GDDR: são os famosos notebooks gamer. Eles esquentam mais, consomem mais e requerem um sistema de refrigeração mais bem trabalhado.

  Notebooks "ultra compactos" utilizam chips de memória RAM LPDDR3 ou LPDDR4 soldados diretamente na placa-mãe. Isso também pode acontecer com os processadores, que na grande maioria dos notebooks já são soldados na placa, impedindo futuros upgrades.

  Resumindo: o processador(CPU) é o cérebro do seu computador, os chipsets (Ponte Sul e Ponte Norte), com o auxílio de outros componentes, fazem o controle de (quase) tudo o que está conectado na placa. É complicado de entender, eu sei, mas esta é uma explicação simples, com alguns exemplos que podem ser aplicados em todos os modelos de placas do mercado. Pode haver alguma diferença em alguns modelos, é claro.

 

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 FONTES e CRÉDITOS:

 

Texto do artigo e Diagrama das placas Asus A7N8X X e AsRock N68 VS3 FX feitos por Leonardo Ritter.

 

Fontes: Biblioteca de datasheets e esquemas elétricos do Hardware Central.

 

Todo o conteúdo deste artigo foi baseado em livros técnicos de componentes das marcas AMD e Intel, além de analises do circuito de algumas placas-mãe.

 

Última atualização: 02 de Julho de 2018.

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