2. Placa Mãe
Atualizado em: 03 de março de 2024
Por: Nelson H. Koshoji
2.1. Introdução
A placa-mãe, também conhecida como motherboard, é um dos componentes mais importantes de um computador, pois é nela que são conectados todos os outros componentes essenciais para o seu funcionamento.
fig. 2.1. Motherboard
2.2. Materiais e Camadas
A placa-mãe é composta por vários materiais e camadas, cada uma desempenhando funções específicas para o seu funcionamento adequado. Vamos explorar os materiais utilizados em sua fabricação e a estrutura de camadas que compõem uma placa-mãe.
Materiais Utilizados
1. Substrato de Fibra de Vidro
O corpo principal da placa-mãe é feito de um substrato de fibra de vidro, também conhecido como FR4. Este material é escolhido por sua resistência, durabilidade e isolamento elétrico, fornecendo uma base sólida para os componentes montados.
2. Cobre
O cobre é amplamente utilizado nas trilhas condutoras (circuitos impressos) que percorrem a placa-mãe, facilitando a comunicação elétrica entre os componentes. As trilhas são criadas depositando-se camadas de cobre sobre o substrato de fibra de vidro e, em seguida, removendo-se o excesso para formar os circuitos desejados.
3. Estanho
O estanho é usado no processo de soldagem para fixar componentes à placa-mãe. Ele é aplicado nas trilhas de cobre e nos pontos de solda para ajudar a garantir uma conexão elétrica segura e duradoura entre os componentes e a placa.
4. Ouro
Em algumas placas-mãe, o ouro é utilizado para revestir os contatos de certos conectores, como os slots de memória RAM e os soquetes do processador. O ouro é escolhido por sua excepcional condutividade elétrica e resistência à corrosão, garantindo uma conexão confiável a longo prazo.
Estrutura de Camadas
A complexidade e o desempenho de uma placa-mãe são parcialmente determinados pelo número de camadas de circuito impresso (PCB) que ela possui. As camadas são essencialmente níveis distintos de trilhas de cobre e outros materiais condutores e isolantes, empilhados para formar a placa-mãe completa.
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Placas Simples: Podem ter apenas uma ou duas camadas. São raras e geralmente encontradas apenas em dispositivos muito simples ou obsoletos.
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Placas-Mãe Modernas: Tipicamente possuem entre 4 e 8 camadas. A adição de mais camadas permite uma complexidade maior nos circuitos, melhorando a capacidade de sinalização e reduzindo a interferência eletromagnética (EMI). Isso é fundamental para o desempenho e a estabilidade, especialmente em sistemas de alta velocidade.
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Placas de Alta Performance: Em sistemas de ponta, especialmente aqueles projetados para overclocking ou servidores de alta capacidade, o número de camadas pode chegar a 12 ou mais. Estas placas adicionais permitem uma distribuição de energia mais eficiente e uma comunicação mais limpa entre os componentes, mas também aumentam o custo de produção.
fig. 2.2. placa de circuito impresso multicamada, com 4 camadas de cobre (superior, inferior, GND e VCC)
fig. 2.3. Detalhes no corte
2.3. Componentes
A placa-mãe é responsável por coordenar o fluxo de informações entre os diferentes componentes do computador. Ela também fornece energia para os componentes do computador.
fig. 2.4. Fluxo de informação e energia
Vamos detalhar os principais componentes e características de uma placa-mãe, para que você tenha uma compreensão abrangente sobre o assunto.
Os componentes da placa-mãe variam de acordo com o modelo e o fabricante. No entanto, os componentes mais comuns incluem:
1. Soquete do Processador (CPU Socket)
Finalidade: É o local onde o processador (CPU) é instalado. O tipo de soquete determina quais processadores podem ser compatíveis com a placa-mãe.
Tipos Comuns: LGA (Land Grid Array), PGA (Pin Grid Array) e BGA (Ball Grid Array), variando principalmente entre processadores Intel e AMD.
– PGA: Pinos estão no processador e as entradas na placa-mãe
– LGA: Pinos estão na placa-mãe e as entradas no processador
– BGA: Variante dos PGA, mas precisa de solda
fig. 2.5. Exemplo de soquete PGA
fig. 2.6. Exemplo de soquete LGA
2. Slots de Memória RAM
- Finalidade: São os slots onde as memórias RAM são instaladas. A quantidade, tipo e capacidade máxima de RAM suportada variam conforme o modelo da placa-mãe.
- Tipos Comuns: DDR, DDR2, DDR3, DDR4, e DDR5, sendo DDR4 e DDR5 os mais comuns em sistemas mais recentes.
fig. 2.7. Exemplo de slot de Memória RAM
3. Chipset
- Finalidade: Funciona como um controlador que gerencia a comunicação entre o processador, a memória RAM, os slots de expansão e outros dispositivos.
- Importância: Influencia nos recursos disponíveis na placa-mãe, como suporte a overclock, tipos de conexões disponíveis e mais.
fig. 2.8. Vários Fabricantes de Chipset
fig. 2.9. Fabricantes de Chipset: Intel, AMD e VIA
fig. 2.10. Ponte Norte (IMCH) e Ponte Sul (ICH ou PCH)
fig. 2.11. Integração Ponte Norte e Ponte Sul
4. Slots de Expansão (PCI, PCI Express)
- Finalidade: Permitir a adição de placas de expansão como placas de vídeo (GPUs), placas de som, placas de rede, entre outras.
- Variações: PCI tradicional, PCI Express (PCIe) de várias gerações e tamanhos (x1, x4, x8, x16), sendo o PCIe x16 o mais comum para placas de vídeo.
O PCI (Peripheral Component Interconnect) e o PCIe (PCI Express) são padrões fundamentais para a conexão de dispositivos periféricos a uma placa-mãe. Enquanto o PCI foi uma revolução em sua época, permitindo uma expansão significativa das capacidades do computador, o PCIe trouxe avanços ainda maiores em termos de flexibilidade e desempenho. Vamos explorar esses padrões, suas características e as diferenças entre eles, incluindo as várias gerações do PCIe.
PCI Tradicional
- Introdução: Lançado em 1992.
- Características: O PCI é um barramento paralelo, o que significa que os dados são transmitidos em múltiplos canais simultaneamente. Ele opera a uma frequência de clock de 33 ou 66 MHz.
- Largura de Banda: A largura de banda máxima é de 133 MB/s (para 32 bits a 33 MHz) ou 266 MB/s (para 32 bits a 66 MHz) e 533 MB/s para a versão de 64 bits a 66 MHz.
- Conexão: Utiliza slots de expansão que permitem a conexão de cartões de expansão, como placas de vídeo, placas de som, modems, entre outros.
PCIe (PCI Express)
O PCI Express representa uma evolução significativa em relação ao PCI tradicional, utilizando uma abordagem baseada em canais seriais ponto a ponto, em vez de um barramento paralelo. Isso permite uma comunicação mais rápida e eficiente entre o dispositivo periférico e o processador/memória.
- Introdução: Lançado em 2003.
- Características: Ao contrário do PCI, que compartilha um barramento único entre todos os dispositivos, cada slot PCIe tem um ou mais canais dedicados conhecidos como “lanes”. Cada lane é capaz de enviar e receber dados simultaneamente, o que aumenta significativamente a largura de banda total disponível.
Gerações e Larguras de Lanes
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Gerações: O PCIe tem várias gerações (1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, etc.), com cada nova geração dobrando a largura de banda por lane em relação à anterior. Por exemplo, o PCIe 1.0 oferece 250 MB/s por lane, enquanto o PCIe 2.0 oferece 500 MB/s, e assim por diante.
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Larguras de Lanes (x1, x4, x8, x16): Os slots PCIe podem ter diferentes números de lanes, com as designações x1, x4, x8 ou x16, indicando quantas lanes estão disponíveis para o slot. Um slot x16, por exemplo, oferece 16 vezes a largura de banda de um slot x1.
Diferenças entre PCI e PCIe
- Arquitetura: PCI é um barramento paralelo, enquanto PCIe é uma interface serial ponto a ponto.
- Desempenho: PCIe oferece uma largura de banda muito maior do que o PCI tradicional, graças à sua capacidade de fornecer múltiplas lanes para cada slot.
- Flexibilidade: PCIe suporta uma variedade maior de configurações de largura de banda, tornando-o mais flexível para diferentes tipos de dispositivos e exigências de desempenho.
- Compatibilidade e Evolução: Enquanto o PCI ficou estagnado, o PCIe continua a evoluir, com novas gerações que oferecem melhorias significativas em termos de desempenho.
fig. 2.12. PCI e PCIe
fig. 2.13. Tamanhos PCIe
Para saber mais: https://www.infowester.com/pci-express.php
5. Conexões SATA, M.2 e NVMe
- Finalidade: Conectar dispositivos de armazenamento como HDDs, SSDs e unidades ópticas.
- Diferenças: SATA é o padrão mais antigo, enquanto M.2 e NVMe são mais recentes e oferecem velocidades de transferência significativamente mais altas.
SATA (Serial ATA), M.2 e NVMe (Non-Volatile Memory Express) são tecnologias fundamentais no mundo dos dispositivos de armazenamento, cada uma com suas características únicas, vantagens e aplicações. Essas tecnologias evoluíram para atender às crescentes demandas por velocidade, eficiência e forma em sistemas de computação modernos.
SATA (Serial ATA)
- Introdução: SATA foi introduzido em 2003 como sucessor da interface ATA Paralela (PATA), oferecendo uma solução mais eficiente para a conexão de dispositivos de armazenamento, como HDDs (Hard Disk Drives) e SSDs (Solid State Drives).
- Velocidade: As velocidades de transferência de dados para SATA variam de acordo com a geração: SATA I (1.5 Gb/s), SATA II (3 Gb/s) e SATA III (6 Gb/s).
- Características: Utiliza um cabo de dados com sete condutores para conectar dispositivos de armazenamento ao motherboard, suportando comprimentos de cabo de até um metro. É amplamente compatível com uma vasta gama de sistemas devido à sua longa presença no mercado.
- Aplicações: Principalmente em HDDs e SSDs destinados ao armazenamento de massa e aplicações onde a velocidade não é o principal requisito.
fig. 2.14. PATA vs SATA
fig. 2.15. Interface IDE (PATA)
fig. 2.16. SATA
M.2
- Introdução: O M.2, anteriormente conhecido como Next Generation Form Factor (NGFF), é um padrão de interface física introduzido em 2013. Ele foi projetado para substituir as interfaces mSATA, oferecendo maior flexibilidade em termos de tamanhos de dispositivos e capacidades de expansão.
- Características: M.2 suporta uma variedade de interfaces de comunicação, incluindo SATA e PCIe, e pode acomodar tanto SSDs quanto dispositivos sem fio, como Wi-Fi e Bluetooth. Os módulos M.2 variam em comprimento e largura, com os tamanhos mais comuns sendo 22×42 mm, 22×60 mm e 22×80 mm.
- Aplicações: Devido à sua versatilidade, os slots M.2 são usados para SSDs de alta velocidade, especialmente em laptops e sistemas compactos onde o espaço é limitado.
NVMe (Non-Volatile Memory Express)
- Introdução: NVMe é um protocolo de armazenamento desenvolvido especificamente para SSDs que utilizam a interface PCIe. Lançado em 2011, o NVMe foi projetado para aproveitar ao máximo a baixa latência e as altas velocidades oferecidas pela tecnologia PCIe.
- Velocidade: NVMe oferece desempenho significativamente superior em comparação com as interfaces SATA, com velocidades de transferência que podem exceder 3.500 MB/s em configurações PCIe Gen3 x4 e ainda mais altas com PCIe Gen4 e Gen5.
- Características: Projetado com um modelo de comando simplificado e um número reduzido de comandos de CPU por operação de I/O, o NVMe reduz a latência e aumenta as taxas de transferência de dados. Ele suporta até 64 mil filas de comandos, com cada fila capaz de ter até 64 mil comandos simultâneos.
- Aplicações: Ideal para aplicações de alta performance, como jogos, edição de vídeo e aplicações que exigem acesso rápido e contínuo ao armazenamento.
fig. 2.17. Slot M.2/NVMe
fig. 2.18. Tipos de Conexões
Principais Diferenças
Interface e Protocolo: SATA é uma interface de armazenamento serial, enquanto M.2 é um fator de forma que pode utilizar tanto a interface SATA quanto PCIe. NVMe é um protocolo de armazenamento que utiliza a interface PCIe.
Desempenho: NVMe oferece o mais alto desempenho, seguido por SSDs M.2 que utilizam PCIe, e finalmente por dispositivos SATA, que têm o desempenho mais baixo entre os três.
Aplicações: SATA ainda é amplamente usado para armazenamento de massa devido ao seu custo e compatibilidade. M.2 é preferido para novos designs de sistemas que requerem flexibilidade e desempenho compacto. NVMe é a escolha para aplicações que exigem o máximo desempenho de armazenamento.
6. Portas USb e Outras Conexões
- Incluem: USB 2.0, USB 3.0, portas de áudio, conexões de rede (Ethernet), e às vezes conexões mais antigas como PS/2 para teclado e mouse, e outros conexões.
- Localização: Presentes tanto no painel traseiro quanto através de conectores internos para o painel frontal do gabinete.
VGA (Video Graphics Array)
Características: VGA é uma interface de vídeo analógica que foi padrão para a conexão de computadores a monitores. Utiliza um conector de 15 pinos e suporta resoluções de até 640×480 em modo de 16 cores ou 320×200 em modo de 256 cores, embora versões modernas possam suportar resoluções mais altas.
Aplicações: Apesar de ser uma tecnologia mais antiga, o VGA ainda é usado em alguns cenários devido à sua ampla compatibilidade com equipamentos mais velhos.
Conexão Serial
Características: Interfaces seriais transmitem dados um bit por vez, através de um único canal ou fio. Foram amplamente usadas para conectar mouses, modems e outros periféricos a computadores. Embora a maioria dessas aplicações tenha migrado para conexões USB, a interface serial ainda é utilizada em aplicações industriais e de rede.
Conexão Paralela
Características: Transmite vários bits de dados simultaneamente, através de múltiplos canais. Conexões paralelas foram comumente usadas para conectar impressoras aos computadores nas décadas de 1990 e início dos anos 2000. Devido à sua limitada distância de transmissão e à evolução das tecnologias de conexão, foram largamente substituídas por USB.
HDMI (High-Definition Multimedia Interface)
Características: HDMI é uma interface de áudio e vídeo digital que suporta a transmissão de vídeo não comprimido e áudio comprimido ou não comprimido de uma fonte HDMI para um monitor, TV ou projetor. Suporta resoluções de vídeo de até 4K e além, dependendo da versão do HDMI (1.0 a 2.1), e oferece um único cabo para áudio e vídeo, simplificando a conexão entre dispositivos.
Aplicações: Amplamente utilizado em PCs, consoles de jogos, monitores, TVs, projetores e outros dispositivos de mídia.
fig. 2.19. Tipos de Portas
1 – Entrada PS2 para Mouse.
2 – Entrada PS2 para teclado e dispositivos de leitura óptica. Exemplo: leitores de código de barras e cartões magnéticos.
3 – Porta paralela, mais conhecida como LPT1. Utilizada para ligar impressoras mais antigas.
4 – Porta serial, mais conhecida como COM1. Pode ser utilizada para ligar mouse antigo (aquele com bolinha) ou itens que necessitem de comunicação serial (exemplo: impressoras fiscais em terminais de vendas).
5 – Porta VGA, nem sempre nesta posição, podendo ter até mais de uma conexão devido as placas de vídeo Off-Board. Esta conexão é onde ligamos os monitores analógicos.
6, 7, 9 e 10 – Porta USB (universal serial bus). Como o próprio nome diz, porta universal. Quase todos os equipamentos podem ser ligados a ela.
8 – Porta de rede, onde ligamos a rede domestica ou empresarial, ou até mesmo os modens de conexão banda larga. Observação: após ligar o modem banda larga é interessante desligar e ligar a energia do seu modem para uma perfeita sincronia.
11 – Conexão auxiliar. Em geral, uma conexão utilizada para a entrada de som no computador mas que através das configurações de cada placa pode ser utilizada como saída de áudio também.
12 – Conexão de saída de som, ou saída de caixa de som.
13 – Conexão de microfone, para ligação de todo tipo de microfone.
7. BIOS/UEFI Firmware
- Finalidade: Software embutido na placa-mãe que inicializa o hardware do computador antes do carregamento do sistema operacional. Permite ao usuário configurar ajustes de sistema e hardware.
- Evolução: UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) é uma versão mais moderna e com mais recursos que a BIOS tradicional.
UEFI (Unified Extensible Firmware Interface)
Introdução: A UEFI é o sucessor moderno da BIOS, projetado para superar muitas de suas limitações. Foi desenvolvido inicialmente pela Intel com o nome de EFI (Extensible Firmware Interface), mas mais tarde foi gerenciado pelo Unified EFI Forum, um consórcio de fabricantes de hardware.
Características e Vantagens:
- Suporte a Discos Grandes: A UEFI suporta discos rígidos de mais de 2 TB, eliminando as limitações de tamanho impostas pela BIOS.
- Inicialização Rápida: Graças à sua capacidade de carregar múltiplos drivers de dispositivo ao mesmo tempo, a UEFI pode inicializar o sistema operacional mais rapidamente do que a BIOS.
- Modo de Segurança: Incorpora recursos como o Secure Boot, que ajuda a proteger o processo de inicialização contra malware, garantindo que apenas software confiável seja carregado durante o boot.
- Interface Gráfica: Ao contrário da interface baseada em texto da BIOS, a UEFI oferece uma interface gráfica com suporte a mouse, tornando a configuração do firmware mais acessível e amigável.
- Extensibilidade: Como o nome sugere, a UEFI é extensível, permitindo que fabricantes de hardware e software adicionem seus próprios drivers e aplicativos, melhorando a funcionalidade e a compatibilidade do sistema.
Implementação: A UEFI está presente na maioria dos computadores modernos, especialmente aqueles lançados após 2010. Ela é armazenada em um chip de memória flash na placa-mãe, permitindo atualizações de firmware mais fáceis em comparação com a BIOS.
fig. 2.20. BIOS
8. Conectores de Energia
- Tipos: Conectores ATX de 24 pinos para energia da placa-mãe, conectores de 4 ou 8 pinos para energia do processador, e às vezes conectores adicionais para placas de vídeo ou outros componentes que requerem mais energia.
Os conectores de energia em computadores são essenciais para fornecer a energia elétrica necessária para o funcionamento de todos os componentes internos. Cada tipo de conector possui uma pinagem específica, projetada para atender às diferentes necessidades de energia dos componentes. Vamos explorar os tipos mais comuns de conectores de energia e suas pinagens.
1. ATX Principal
- Descrição: O conector ATX principal é usado para fornecer energia à placa-mãe. Existem duas versões comuns desse conector: o de 20 pinos e o de 24 pinos. O de 24 pinos é uma extensão do de 20 pinos, com 4 pinos adicionais para fornecer energia extra necessária para placas-mãe mais modernas.
- Pinagem:
- 20 Pinos: Distribuídos em duas fileiras de 10, fornecendo diferentes tensões como +3.3V, +5V, +12V, e -12V, além de sinais de controle.
- 24 Pinos: Adiciona 4 pinos para fornecer mais +12V, terra e outros sinais necessários para sistemas mais exigentes.
fig. 2.21. ATX Principal 20+4
2. EPS12V/ATX12V
- Descrição: O EPS12V (Extended Power Supply) e o ATX12V são usados para fornecer energia adicional diretamente ao processador. Enquanto o ATX12V é mais comum em computadores domésticos e possui um conector de 4 ou 8 pinos, o EPS12V, geralmente com 8 pinos, é direcionado para servidores e estações de trabalho de alta performance.
- Pinagem:
- 4 Pinos: Geralmente divididos em +12V e terra.
- 8 Pinos: Oferece mais linhas de +12V e terra, permitindo que o processador receba mais energia conforme necessário.
fig. 2.21. Slot de 24, 8 e 4 Pinos
- Descrição: Os conectores PCIe são usados para fornecer energia adicional às placas de vídeo de alto desempenho. Eles podem vir em versões de 6 pinos ou 6+2 pinos (8 pinos), permitindo compatibilidade com placas que exigem diferentes quantidades de energia.
- Pinagem:
- 6 Pinos: Fornece até 75W de energia adicional.
- 6+2 Pinos: Pode fornecer até 150W de energia adicional, sendo a configuração de 8 pinos usada para placas de vídeo mais exigentes.
fig. 2.22. Pinos para Slot de Placa de Vídeo
- Descrição: O conector de energia SATA é usado para fornecer energia a discos rígidos, SSDs e unidades ópticas. Ele substituiu os antigos conectores Molex de 4 pinos para dispositivos de armazenamento devido ao seu design mais fino e fácil de conectar.
- Pinagem:
- 15 Pinos: Distribuídos em uma única fileira, fornecendo +3.3V, +5V, e +12V, além de várias conexões de terra.
fig. 2.23. Slot Energia SATA
fig. 2.24. Cabos de Energia SATA
- Descrição: Conectores Molex de 4 pinos foram o padrão para fornecer energia a discos rígidos, unidades de CD/DVD e outros componentes internos antes da adoção generalizada dos conectores SATA.
- Pinagem:
- 4 Pinos: Dois pinos fornecem +12V e os outros dois +5V, comumente usados em dispositivos mais antigos.
fig. 2.25. Molex
9. Fatores de Forma
Os fatores de forma das placas-mãe referem-se às suas dimensões físicas, layout de componentes e especificações de montagem. Cada fator de forma é projetado para atender a diferentes necessidades e restrições de espaço, oferecendo uma variedade de opções para construtores de PCs e fabricantes de sistemas. Os três principais fatores de forma que você mencionou são ATX, Micro ATX e Mini ITX, cada um com características distintas.
1. ATX (Advanced Technology eXtended)
- Dimensões: 305 x 244 mm (12 x 9,6 polegadas).
- Características: O ATX é o fator de forma mais comum para placas-mãe, oferecendo um bom equilíbrio entre tamanho e expansibilidade. As placas ATX padrão vêm com 7 slots de expansão, o que as torna ideais para usuários que desejam múltiplas placas gráficas, placas de som, ou outros cartões de expansão. Elas também suportam uma ampla gama de opções de conectividade e armazenamento.
- Uso: Ideal para usuários entusiastas e gamers que necessitam de múltiplos slots de expansão e recursos avançados.
2. Micro ATX (mATX)
- Dimensões: 244 x 244 mm (9,6 x 9,6 polegadas).
- Características: O Micro ATX é uma versão reduzida do ATX, oferecendo muitas das mesmas características, mas com um tamanho menor. Geralmente, as placas mATX têm 4 slots de expansão, o que ainda permite uma boa flexibilidade para adicionar placas gráficas e outras placas de expansão, mas em um gabinete mais compacto.
- Uso: Ideal para construções que economizam espaço sem sacrificar muito a expansibilidade, como PCs para jogos de médio porte, estações de trabalho ou PCs para uso geral.
3. Mini ITX
- Dimensões: 170 x 170 mm (6,7 x 6,7 polegadas).
- Características: O Mini ITX é significativamente menor que o ATX e o Micro ATX, projetado para sistemas ultra-compactos. Apesar de seu tamanho reduzido, as placas Mini ITX ainda oferecem suporte para um slot de expansão de tamanho completo, embora o espaço limitado possa restringir o uso de grandes coolers de CPU ou placas gráficas de alto desempenho. Elas são otimizadas para eficiência energética e geralmente têm menos opções de conectividade e armazenamento em comparação com ATX e Micro ATX.
- Uso: Perfeito para PCs de mídia, computadores de sala de estar (HTPCs), e qualquer aplicação onde o espaço é um prêmio e a portabilidade é importante.
Considerações
Ao escolher o fator de forma da placa-mãe, é importante considerar não apenas o tamanho do gabinete, mas também os requisitos de expansão, necessidades de refrigeração, e o orçamento. O ATX oferece a maior flexibilidade e expansibilidade, ideal para usuários avançados e gamers. O Micro ATX é uma opção de meio-termo, oferecendo um bom equilíbrio entre tamanho e funcionalidade, enquanto o Mini ITX é o melhor para aqueles que precisam de uma solução ultra-compacta, mas com algumas concessões em termos de expansibilidade e opções de refrigeração.
fig. 2.26. Fatores da Forma