En informática , una tarjeta de expansión (también llamada placa de expansión , tarjeta adaptadora , tarjeta de periféricos o tarjeta de accesorios ) es una placa de circuito impreso que se puede insertar en un conector eléctrico , o ranura de expansión (también denominada ranura de bus) en un Placa base de una computadora (ver también backplane ) para agregar funcionalidad a un sistema informático. A veces, el diseño de la carcasa y la placa base de la computadora implica colocar la mayoría (o todas) de estas ranuras en una tarjeta extraíble separada. Normalmente, estas tarjetas se denominan tarjetas verticales en parte porque se proyectan hacia arriba desde la placa y permiten que las tarjetas de expansión se coloquen encima y paralelas a la placa base.
Las tarjetas de expansión permiten ampliar o complementar las capacidades e interfaces de un sistema informático de forma adecuada a las tareas que realizará. Por ejemplo, un sistema de adquisición de datos multicanal de alta velocidad no sería de utilidad en una computadora personal utilizada para la contabilidad, pero podría ser una parte clave de un sistema utilizado para el control de procesos industriales. Las tarjetas de expansión a menudo se pueden instalar o quitar en el campo, lo que permite cierto grado de personalización del usuario para propósitos particulares. Algunas tarjetas de expansión toman la forma de "placas hijas" que se conectan a conectores en una placa base de soporte.
En informática personal , los buses de expansión y los estándares de tarjetas de expansión notables incluyen el bus S-100 de 1974 asociado con el sistema operativo CP/M , las ranuras de expansión de 50 pines de la computadora Apple II original de 1977 (exclusiva de Apple), IBM's Industry Standard Architecture (ISA) introducida con IBM PC en 1981, el bus de expansión de tubos de Acorn en BBC Micro también de 1981, la arquitectura Micro Channel (MCA) patentada y propietaria de IBM de 1987 que nunca ganó el favor en el mercado de clones , la inmensamente Interconexión de componentes periféricos (PCI) 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.
Las computadoras basadas en tubos de vacío tenían una construcción modular, pero las funciones individuales para los dispositivos periféricos llenaban un gabinete, no solo una placa de circuito impreso. Las tarjetas de procesador, memoria y E/S se hicieron viables con el desarrollo de los circuitos integrados . [1] Las tarjetas de expansión hacen que los sistemas de procesador se adapten a las necesidades del usuario al permitir conectar varios tipos de dispositivos, incluidas E/S, memoria adicional y funciones 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 backplane pasivo y eran alimentadas por él .
El primer microordenador comercial que contó 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 más tarde se convirtió en un estándar de varios fabricantes, el S-100. autobús . Muchas de estas computadoras también eran diseños de placa posterior pasiva, donde todos los elementos de la computadora (procesador, memoria y E/S) se conectaban a una caja de tarjetas que distribuía pasivamente señales y energía entre las tarjetas.
Las implementaciones de bus patentadas para sistemas como Apple II coexistieron con estándares de múltiples fabricantes.
IBM introdujo lo que retroactivamente se llamaría bus de Arquitectura Estándar Industrial (ISA) con la PC de IBM en 1981. En ese momento, la tecnología se llamaba bus de PC . El IBM XT , introducido en 1983, utilizaba el mismo bus (con ligeras excepciones). La PC de 8 bits y el bus XT se ampliaron con la introducción de IBM AT en 1984. Este utilizaba un segundo conector para extender el bus de direcciones y datos a través del XT, pero era compatible con versiones anteriores; Las tarjetas de 8 bits todavía se podían utilizar en las ranuras AT de 16 bits. La Arquitectura Estándar Industrial (ISA) se convirtió en la designación del bus IBM AT después de que se desarrollaran otros tipos. Los usuarios del bus ISA debían tener un conocimiento profundo del hardware que estaban agregando 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. la configuración en el software del controlador.
El bus MCA de IBM , desarrollado para el PS/2 en 1987, era un competidor de ISA, también su diseño, pero cayó en desgracia debido a la aceptación de ISA en toda la industria y la licencia de MCA por parte de IBM. EISA, la versión extendida de 32 bits de ISA defendida por Compaq , se usó en algunas placas base de PC hasta 1997, cuando Microsoft lo declaró un subsistema "heredado" en el documento técnico de la industria PC 97 . Los buses locales propietarios (qv Compaq) y luego el estándar de bus local VESA , fueron buses de expansión de finales de la década de 1980 que estaban vinculados, pero no exclusivos, al 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 conjuntos de chips 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 (ahora en la versión 3.0) se encuentra en las placas base de PC hasta el día de hoy. El estándar PCI admite puentes de bus: 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 a través del puente PCI a PCI. Cardbus está siendo suplantado por el formato ExpressCard .
Intel introdujo el bus AGP en 1997 como una solución dedicada a la aceleración de vídeo. Los dispositivos AGP están conectados lógicamente al bus PCI a través de un puente PCI a PCI. Aunque se denomina bus, AGP generalmente admite solo una tarjeta a la vez ( problemas de compatibilidad con BIOS heredado ). Desde 2005, PCI Express ha reemplazado tanto a PCI como a AGP. Esta norma, aprobada [¿ como quién? ] en 2004, implementa el protocolo PCI lógico a través de una interfaz de comunicación en serie. A menudo se agregan PC/104(-Plus) o Mini PCI para expansión en placas de factor de forma 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 admite tarjetas de un factor de forma más pequeño. Debido a que es eléctricamente compatible 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 IBM PCjr . Esto puede haber sido eléctricamente comparable al autobús XT; ciertamente tenía algunas similitudes ya que ambos esencialmente exponían los buses de dirección y datos de la CPU 8088, con algo de almacenamiento en búfer y enclavamiento, la adición de interrupciones y DMA proporcionados por chips adicionales de Intel y algunas líneas de detección de fallas del sistema (Power Good, Memory Verificación, Verificación del canal de E/S). Nuevamente, los sidecars PCjr no son técnicamente tarjetas de expansión, sino módulos de expansión, con la única diferencia de que el sidecar es una tarjeta de expansión encerrada en una caja de plástico (con orificios que exponen los conectores).
Por lo general, las computadoras portátiles no pueden aceptar la mayoría de las tarjetas de expansión destinadas a computadoras de escritorio. En consecuencia, se desarrollaron varios estándares de expansión compacta.
El estándar de tarjeta de expansión PC Card original es esencialmente una versión compacta del bus ISA. El estándar de tarjetas de expansión CardBus es una evolución del estándar de tarjetas de PC para convertirlo en una versión compacta del bus PCI. El estándar ExpressCard original actúa como si fuera un periférico USB 2.0 o un dispositivo PCI Express 1.x x1. ExpressCard 2.0 agrega SuperSpeed USB como otro tipo de interfaz que puede usar la tarjeta. Desafortunadamente, CardBus y ExpressCard son vulnerables a ataques DMA a menos que la computadora portátil tenga un IOMMU configurado para frustrar 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 generalmente estaban destinadas a un propósito específico, como ofrecer redes inalámbricas "integradas" o actualizar el sistema en producción con una GPU discreta.
La mayoría de las demás líneas de ordenadores, incluidas las de Apple Inc. como ( Apple II y Macintosh ), Tandy , Commodore , Amiga y Atari , ofrecían sus propios buses de expansión. El Amiga utilizó Zorro II . Apple usó un sistema propietario con siete ranuras de 50 pines para tarjetas periféricas Apple II , luego usó ambas variaciones 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 propio BIOS u otra ROM son problemáticas, aunque se pueden usar tarjetas de video que cumplan con los estándares VESA para monitores secundarios. Las estaciones de trabajo DEC Alpha, IBM PowerPC y NEC MIPS utilizaban conectores de bus PCI. [5] Tanto Zorro II como NuBus eran plug and play y no requerían configuración de hardware por parte del usuario.
Otros buses informáticos se utilizaron para control industrial, instrumentos y sistemas científicos. Un ejemplo específico es HP-IB (o Hewlett Packard Interface Bus), que finalmente se estandarizó como IEEE-488 (también conocido como GPIB). Algunos estándares históricos bien conocidos incluyen VMEbus , STD Bus , SBus (específico de las SPARCStations de Sun) y muchos otros.
Muchas otras consolas de videojuegos, como Nintendo Entertainment System y Sega Genesis, incluían buses de expansión de alguna forma; Al menos en el caso del Génesis, el bus de expansión era propietario. De hecho, las ranuras para cartuchos de muchas consolas basadas en cartuchos (sin contar la Atari 2600 ) calificarían como 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, técnicamente no son tarjetas de expansión debido a su forma física.
El objetivo principal de una tarjeta de expansión es proporcionar o ampliar funciones que no ofrece la placa base. Por ejemplo, la PC IBM original no tenía gráficos integrados ni capacidad de disco duro. En ese caso, una tarjeta gráfica y una tarjeta controladora de disco duro ST-506 proporcionaban capacidad gráfica e interfaz de disco duro respectivamente. Algunas computadoras de placa única no incluían tarjetas de expansión y es posible que solo hayan proporcionado zócalos IC en la placa para cambios o personalización limitados. Dado que los conectores multipin confiables son relativamente costosos, algunos sistemas del mercado masivo, como las computadoras domésticas, no tenían ranuras de expansión y en su lugar usaban un conector de borde de tarjeta en el borde de la placa principal, colocando el costoso zócalo correspondiente en el costo del periférico. dispositivo.
En el caso de ampliación de la capacidad integrada, una placa base puede proporcionar un único puerto serie RS232 o un puerto Ethernet . Se puede instalar una tarjeta de expansión para ofrecer múltiples puertos RS232 o múltiples puertos Ethernet de mayor ancho de banda . En este caso, la placa base proporciona una funcionalidad básica pero la tarjeta de expansión ofrece puertos adicionales o mejorados.
Un borde de la tarjeta de expansión sostiene los contactos (el conector de borde o el encabezado de clavija ) que encajan en la ranura. Establecen el contacto eléctrico entre la electrónica de la tarjeta y la placa base. Las tarjetas de expansión de periféricos generalmente cuentan con conectores para cables externos. En la computadora personal compatible con PC, estos conectores estaban ubicados en el soporte en la parte posterior del gabinete. Los sistemas de backplane industriales tenían conectores montados en el borde superior de la tarjeta, opuesto a los pines del backplane.
Dependiendo del factor de forma de la placa base y la carcasa , se pueden agregar entre una y siete tarjetas de expansión a un sistema informático. Se pueden instalar 19 o más tarjetas de expansión en sistemas de placa posterior. Cuando se agregan 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 en el mercado a partir de 2010 son tarjetas gráficas de doble ranura, que utilizan la segunda ranura como lugar para colocar un disipador de calor activo con un ventilador.
Algunas tarjetas son de "perfil bajo", lo que significa que son más cortas que las tarjetas estándar y caben en un chasis de computadora de menor altura, como HTPC y SFF . (Existe un estándar de "tarjeta PCI de perfil bajo" [6] que especifica un área de soporte y placa mucho más pequeña). El grupo de tarjetas de expansión que se utilizan para la conectividad externa, como tarjetas de red , SAN o módem , se denominan comúnmente tarjetas de entrada/salida (o tarjetas de E/S).
Una placa secundaria , tarjeta secundaria , placa intermedia o placa superpuesta es una tarjeta de expansión que se conecta directamente a un sistema. [7] Las placas secundarias suelen tener enchufes, enchufes, clavijas u otros accesorios para otras placas. Las placas hijas a menudo solo tienen conexiones internas dentro de una computadora u otros dispositivos electrónicos y, por lo general, acceden a la placa base directamente en lugar de a través de un bus de computadora . Estas placas 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 a los usuarios personalizar sus computadoras para diversos fines, como juegos. [8]
Las placas secundarias se utilizan a veces en computadoras para permitir que las tarjetas de expansión encajen en paralelo a la placa base, generalmente para mantener un factor de forma pequeño . Esta forma también se denomina tarjetas verticales o risers. Las placas hijas también se utilizan a veces para ampliar la funcionalidad básica de un dispositivo electrónico, como cuando a un determinado modelo se le agregan funciones y se lanza como un modelo nuevo o separado. En lugar de rediseñar completamente el primer modelo, se puede agregar una placa secundaria a un conector especial en la placa principal. Estas generalmente encajan encima y paralelas al tablero, separadas por espaciadores o separadores , y a veces se les llama tarjetas entrepiso debido a que están apiladas como el entrepiso de un teatro . Las tarjetas de tabla de ondas ( tarjetas de síntesis basadas en muestras ) suelen montarse en tarjetas de sonido de esta manera.
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Algunos estándares de interfaz de tarjeta intermedia incluyen la tarjeta intermedia FPGA (FMC) de 400 pines; la tarjeta intermedia de alta velocidad (HSMC) de 172 pines; [9] [10] la tarjeta intermedia PCI (PMC); entrepisos XMC; la Tarjeta Mezzanine Avanzada ; IndustryPacks (VITA 4), los módulos Mezzanine de GreenSpring Computers ; etc.
Ejemplos de tarjetas de expansión estilo placa hija incluyen: