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Aula Didattica "G. Taliercio"
I componenti hardware del Personal Computer
a cura di Andrea Berto
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4. Schede madri

La scheda madre è sicuramente la parte più importante del computer. Sebbene esistano diversi componenti indispensabili per il suo funzionamento, la scheda madre è l'elemento d'integrazione che li trasforma in personal computer.

La scheda madre di un PC, detta anche scheda principale, è un circuito stampato di grandi dimensioni che contiene molte parti essenziali del computer, tra cui il microprocessore, il chipset, la memoria cache, i slot di memoria RAM, i bus di espansione, connettori per le porte parallele e seriali, mouse e tastiera, nonché i controller IDE e a volte SCSI. La scheda madre riunisce i componenti operativi del PC e controlla anche periferiche come stampanti, hard disk, CD-ROM e così via.

Esistono molti tipi di schede madri disponibili in diverse forme e dimensioni. Per ogni PC è disponibile almeno un tipo di scheda madre. I produttori tendono ad aumentare il valore delle schede madri e a distinguerle da quelle della concorrenza incorporando più controller, bus di espansione, socket di processori, connettori esterni e slot di memoria. Per gli utilizzatori, questa consuetudine si traduce in un vantaggio, poiché esiste un'ampia gamma di schede per tipo di PC, il che, tuttavia, può costituire uno svantaggio. Infatti se, prima di acquistare una nuova scheda madre non si analizzano in modo corretto le caratteristiche necessarie, si rischia di acquistare componenti di qualità inferiore a quella desiderata. Nella maggior parte dei casi, una scheda madre è un componente fornito con il computer. In molti casi, si acquista un PC già assemblato, invece di aggiornare una scheda madre. Tuttavia, gli standard sviluppati per le schede madri consentono di aggiornare le prestazioni e la potenza di un PC a costi inferiori.

la scheda madre di un PC

Struttura delle schede madri

Non tutte le schede madri sono identiche. Si usano due approcci diversi per la progettazione di quelle dei PC: lo stile scheda madre e il backplane.

Schede madri

Una scheda madre (nota anche come scheda principale, scheda di sistema o scheda planare) riunisce i componenti principali di un PC in un unico circuito stampato.

Backplane

Le schede madri stile backplane sono oggi meno diffuse rispetto alla metà o alla fine degli anni Ottanta, ma continuano a essere prodotte. Sono comuni nei server di rete di PC di grandi dimensioni e nei computer in cui il processore viene sostituito di frequente.

Nella sua forma più semplice la scheda madre di tipo backplane contiene pochi componenti "intelligenti" o di memoria. E' semplicemente una scheda contenitore in cui inserire le schede del processore, di memoria e altre. La scheda backplane è chiamata backplane passivo. Le schede processore, che contengono la CPU, i chip di supporto e quelle di I/O (Input/Output), che dispongono di bus e interfacce dei dispositivi, sono chiamate spesso schede figlie e sono inserite negli slot aperti della scheda backplane che fornisce il bus e le funzionalità di buffering dei dati per interconnettere le schede figlie. I server di rete utilizzano il backplane passivo per la facilità di aggiornamento o riparazione. Adottando questo tipo di sceda madre, infatti un server può essere riportato online molto più velocemente, poiché è sufficiente sostituire un sola componente invece di tutta la scheda madre.

Esiste un altro tipo di backplane, quello attivo. E' definito backplane intelligente poiché aggiunge funzionalità alla scheda backplane principale che consente di velocizzare l'elaborazione. La CPU, i controller e gli altri componenti si trovano nelle rispettive schede figlie. In effetti questo tipo sta per essere sostituito con le schede più recenti che dispongono dei socket Slot1 e Slot2 per i processori Pentium II e Pentium III. La scheda madre è molto simile al backplane attivo in cui i processori PII e PIII con connettori sono simili a una scheda figlia. Questa soluzione offre anche gli stessi vantaggi e svantaggi del backplane attivo.

altro esempio di scheda madre

Formati delle schede madri

Il computer desktop PC IBM originale, introdotto nel 1981, disponeva di una semplice scheda madre (paragonata ai modelli attuali) che utilizzava un processore a 8 bit (Intel 8088), 5 slot di espansione, un connettore per la tastiera e banchi di memoria RAM variabili da 64 a 256 K, un chipset, un chip ROM BIOS e un adattatore di I/O per nastro a cassetta. La disposizione e la dimensione del case di sistema del PC IBM hanno definito le misure della scheda madre e stabilito il primo formato. Essenzialmente il formato individua la dimensione della scheda madre, la forma e la modalità di montaggio all'interno del case. I formati, tuttavia, definiscono la dimensione, la forma e la funzione del case di sistema, il tipo, la collocazione e la dimensione dell'alimentatore, il fabbisogno di energia al sistema, la disposizione e il tipo dei connettori esterni e lo schema del flusso d'aria del case e dei sistemi di raffredamento. La Tabella qui sotto elenca i formati più comuni usati nei PC.

Il bus PCI si caratterizza soprattutto per la sua velocità. Con una velocità di trasferimento burst di 132 Mb/s il PCI può trasportare i bit a una velocità circa 25 volte quella dell'ISA. Offre, inoltre, il bus mastering e un design più compatto per il connettore, che salva preziosi costi di produzione. Mentre le periferiche ISA stanno slittando verso il PCI, la periferica indispensabile in ogni PC - la scheda video - sta passando all'AGP. L'Accelerated Graphics Port è in pratica un bus PCI gonfiato con anabolizzanti, dedicato esclusivamente alla grafica, che permette alle schede video 3D di usare la grande disponibilità di memoria di sistema per creare le scene tridimensionali sullo schermo.

Formato Ampiezza (in pollici) Lunghezza (in pollici) Tipo Tipo di case

IBM PC

8,5

13

Scheda madre

IBM PC

IBM PC XT

8,5

13

Scheda madre

IBM PC XT

AT

12

11 _ 13

Scheda madre

Desktop AT o tower

ATX

12

9,6

Scheda madre

Desktop ATX o tower

Mini-ATX

11,2

8,2

Scheda madre

Desktop ATX di dimensioni ridotte

Micro - ATX

9,6

9,6

Scheda madre

Profilo basso

Il modello IBM PC XT

Il successore del PC IBM è stato il modello IBM PC XT (Extended Techology). La scheda madre del PC XT aveva quasi la stessa dimensione possedeva 3 ulteriori slot di espansione (8 invece di 5) e, in sostituzione del registratore a cassetta, ha adottato un 'unità floppy da 5,25 pollici.

Il modello IBM PC AT

IBM ha introdotto in seguito il modello PC AT (Advanced Techology) a 16 bit, con una scheda madre e un cabinet di dimensioni maggiori per contenere circuiti aggiuntivi. I produttori di cloni hanno adottato la dimensione, la forma e le posizioni di fissaggio del case PC AT per le schede madri di upgrade XT. A causa della grande diffusione, il PC AT si è affermato come il primo reale formato standard per le schede madri.

Formato ATX

Il formato ATX, rilasciato da Intel nel 1995, è stato un miglioramento rispetto al formato LPX, poiché si tratta di specifiche pubblicate e aggiornate continuamente per schede madri, case e alimentatori. I produttori che hanno adottato lo standard garantiscono la compatibilità di tutti i case e schede ATX.

Il formato ATX è un modello completamente nuovo che ruota l'orientamento della scheda madre di 90º e usa posizioni di montaggio e connessioni di alimentazioni diverse. Le connessioni di I/O in una scheda madre ATX sono poste in blocco di due file nella parte posteriore del PC. La collocazione standard dei connettori di I/O nella scheda madre ATX. La fila superiore include un connettore per la tastiera o il mouse di tipo PS/2, una porta parallela e uno slot vuoto che può essere usato per una seconda porta parallela. La fila inferiore include un secondo connettore per la tastiera o il mouse di tipo PS/2, due porte seriali e una serie di porte vuote che possono essere sfruttate per i connettori delle schede audio o video. La dimensione dell'area dei connettori in una scheda madre ATX è ridotta (6,25 pollici per 1,75) e questo consente di ridurre il disordine dei cavi che si trovano vicino al pannello posteriore della scheda madre.

Il formato ATX è il risultato dell'esperienza acquisita da precedenti schede madri e colloca le aree di montaggio di CPU e RAM lontano dalle schede di espansione e vicino alla ventola dell'alimentazione. Questa disposizione migliora il flusso d'aria disponibile per raffreddare i chip di CPU e RAM. In origine, le specifiche ATX usavano la ventola dell'alimentatore per aspirare l'aria all'interno del case, convogliarla sopra la CPU e farla fuoriuscire dalle fenditure di aereazione del case, nel tentativo di eliminare l'esigenza di una ventola distinta per la CPU. Questo tipo di schema mandava le particelle delle polveri esterne all'interno del case, in cui poi si depositavano. Invece di eliminare le ventole, questo tipo di scheda ne richiedeva in più, di ventole per raffreddare la CPU, inoltre la polvere ostruiva e comprometteva la stabilità elettrica della scheda madre. Nelle versioni ATX più recenti è presente una ventola per raffreddare il case e nei PC con acceleratori video 3D, schede che producono molto calore o possiedono più dischi rigidi possono esistere anche ulteriori ventole.

Mini ATX

Una sottospecifica della specifica ATX è il mini-ATX. Nonostante il nome, questo formato è solo leggermente più piccolo dell'ATX.

I componenti della scheda madre

La scheda madre è l'elemento principale di un PC. Fornisce i circuiti di interconnessione attraverso cui i componenti della scheda madre ricevono l'alimentazione e trasferiscono segnali di controllo, dati, indirizzi e istruzioni. La Figura qui sotto mostra gli elementi principali di una scheda madre tipica.

Segue l'elenco delle parti principali della scheda madre.

  • Slot e socket della CPU. La CPU si installa nella scheda madre in uno slot o in un socket.

  • Chipset. La maggior parte delle funzioni a livello di circuiti o di CPE è contenuta nel chipset.

  • Socket di memoria. In funzione dell'età del PC, la memoria è montata sulla scheda madre come singoli chip di memoria che si inseriscono in socket distinti DIPP (Dual Inline Packaging) o come moduli di memoria, del tipo SIMM (Single In-line Memory Module) o DIMM (Dual In-line Memory Module) che si inseriscono in appositi connettori.

  • BIOS ROM. Il bios (Basic Input Output System) viene memorizzato come firmware in un Chip di memoria a sola lettura (ROM). E' usato per avviare il PC quando viene fornita l'alimentazione e consente la connessione tra la CPU e le periferiche del PC.

  • Batteria CMOS. La configurazione del PC è memorizzata in un tipo speciale di memoria chiamata CMOS. (Complementary Metal Oxide Semiconductor), che richiede poca energia elettrica per memorizzarne il contenuto. La batteria CMOS fornisce una fonte di alimentazione continua per memorizzare la configurazione che il PC usa durante la sequenza di boot.

  • Connettore per l'alimentazione. La scheda madre deve essere connessa all'alimentatore per ricevere la corrente. Le schede madri usano voltaggi elettrici diversi per i vari componenti della scheda.

  • Slot di espansione. Le periferiche esterne e i dispositivi interni sono interconnessi nella scheda madre e la CPU tramite il bus di espansione. La scheda madre comprende diversi slot di espansione, che normalmente includono tre o più bus diversi di espansione.

Per quanto riguarda le CPU la scheda madre deve fornire il giusto alloggiamento a seconda della CPU che viene montata. Per esempio un processore che utilizza un socket 7 (Pentium, K6, ecc.) deve trovare il giusto zoccolo mentre un processore a doppia cavità o con connettore a pettine deve trovare lo slot appropriato. Il tipo di zoccolo per la CPU sulla scheda madre influisce direttamente sulle sue prestazioni. Detto questo, è anche vero che le schede madri possono ospitare un buon numero di CPU differenti, progettate per il loro zoccolo. Alcuni ponticelli permettono di configurare la velocità a cui la scheda madre lavora: così una stessa scheda madre può supportare diversi processori diversi fra loro. In alcune schede si nota la presenza di un quadrato o rettangolo di dimensioni abbastanza grandi, orlato di fori per i piedini. Spesso a fianco è posta una levetta di colore argentato: la cosiddetta levetta ZIF (Zero Insertion Force), che permette di inserire e rimuovere con facilità la CPU. Le schede madri più moderne si caratterizzano per la presenza di una CPU che utilizza un lungo connettore a innesto (Slot) di colore nero, invece dello zoccolo quadrato multi-pin. Questo slot può accogliere una cartuccia Single Ended Connector (SEC, connettore a pettine a faccia singola) usata da Intel. Sebbene l'effetto sia lo stesso - un numeroso gruppo di contatti dorati permette ai segnali di passare entro e fuori dalla CPU - questa modifica comporta che le schede madri Pentium II non accettano altri tipi di processori Intel o dei concorrenti. Sempre all'interno della SEC è presente una apposita ventola di raffredamento che ha il compito di dissipare calore.

Un altro punto importante da considerare è il supporto alle schede di espansione. Si possono osservare degli slot (connettori a pettine) allineati perpendicolarmente al lato posteriore. In genere sono di due tipi, corrispondenti al bus utilizzato dal sistema. Questi slot sono importanti perché determinano il tipo di schede che si possono aggiungere facilmente al sistema. Schede video, audio, di rete, e altre periferiche interne vengono tutte innestate sui bus delle schede di espansione. Punti chiave sono il numero e il tipo di slot presenti. Ci sono tre tipi principali di bus nei PC:

  • ISA: un sistema di bus a bassa velocità oggi raramente presente nei PC.

  • PCI: dominante in tutti i nuovi sistemi venduti negli ultimi anni

  • AGP: Accelerated Graphics Port, il bus utilizzato solo per la grafica di recente costituzione, che lavora a una velocità da doppia a quadrupla del PCI, e assicura anche buone funzionalità 3D. Il bus è abbastanza veloce da permettere alle schede video di utilizzare la memoria di sistema come buffer per accelerare la velocità di creazione delle schermate nei giochi e coi video-clip.

I connettori ISA si caratterizzavano dal colore nero o marrone, mentre gli slot PCI si riconoscono dal loro colore chiaro, dall'essere più corti e dai piedini molto più ravvicinati. Lo slot AGP di solito è di colore marrone e un po' più corto del PCI.

Il bus PCI si caratterizza soprattutto per la sua velocità. Con una velocità di trasferimento burst di 132 Mb/s il PCI può trasportare i bit a una velocità circa 25 volte quella dell'ISA. Offre, inoltre, il bus mastering e un design più compatto per il connettore, che salva preziosi costi di produzione. La periferica indispensabile in ogni PC - la scheda video - sta passando all'AGP. L'Accelerated Graphics Port è in pratica un bus PCI gonfiato con anabolizzanti, dedicato esclusivamente alla grafica, che permette alle schede video 3D di usare la grande disponibilità di memoria di sistema per creare le scene tridimensionali sullo schermo.

Sulla scheda madre sono collocati vari componenti assai importanti, ma i più critici sono senz'altro i chipset di sistema. Viene detto "chipset" un gruppo di circuiti integrati (in gergo elettronico, chip) che sono direttamente saldati sulla scheda madre e si incaricano di tutte le operazioni di normale gestione, quali il risparmio energetico, attività sul bus, transazioni con memorie e temporizzazione della CPU. Il chipset fa parte integrante della scheda madre, e non può essere aggiornato. Quindi quando si acquista una scheda madre va tenuto bene in considerazione il relativo chipset. Il rischio maggiore è che un nuovo chipset introduca il supporto a tipi di memoria o bus più avanzati, riducendo la disponibilità a lungo termine del supporto per i componenti progettati per tecnologie più vecchie. Ovviamente non si può comperare il chipset di sistema separatamente: questi componenti sono saldati permanentemente sulla scheda madre. Si può però, e si dovrebbe, considerare il chipset quando si intende acquistare una nuova scheda madre o sistema. Dando la giusta attenzione al chipset, ci si può garantire che il PC o scheda madre siano compatibili con le periferiche e le tecnologie più recenti.

La sigla BIOS sta per Basic Input/Output Sistem, che costituisce il livello più basso di software funzionante su un PC. Il BIOS ha la responsabilità di tutto il lavoro che si svolge dietro le quinte, la configurazione dei dischi fissi e delle porte parallele, la gestione dei trasferimenti sul bus e del supporto a vari schemi di memoria e altre tecniche.

Ma se il BIOS risulta essere il grande aiutante, può anche essere l'origine di molti strani problemi. Un BIOS invecchiato o difettoso può essere la causa di ogni tipo di crash e di incompatibilità. Peggio ancora, molti utenti non prendono neppure in considerazione il BIOS come possibile fonte di problemi, e quindi perdono il loro tempo fra hardware, driver e applicazioni prima di pensare a esaminare il codice invisibile che fa funzionare il loro PC.

Il clock di sistema: La frequenza di lavoro dei PC deriva da quella a cui oscilla l'orologio di sistema (clock) che stabilisce la cadenza per le attività della CPU e sul bus di sistema. Il clock in pratica è un cristallo di quarzo che oscilla in risonanza con una carica elettrica. Regolando l'input elettrico si può controllare la risonanza. Il clock della scheda madre di solito è individuabile sotto forma di un blocchetto rettangolare di colore nero montato presso il bordo. Molte schede madri utilizzano un clock costruito dalla Dallas Semiconductor.

Attualmente molte schede madri lavorano a una frequenza di 133 o 266 Mhz, mentre la CPU lavora internamente a una frequenza multipla di questa. Di fatto non è possibile far funzionare le schede madri a velocità prossime delle CPU attualmente in commercio per problemi fisici. Le piste interne della CPU, lunghe meno di un micron, possono operare a una velocità molto maggiore dei lunghi conduttori e dei diversi componenti e connettori alla scheda madre.

Unità a dischetti floppy: vicino al connettore IDE si trova sempre un connettore singolo per l'unità a dischetti. Una piattina standard viene innestata da un lato su questo connettore e dall'altro sul retro dell'unità a dischetti: di solito la piattina prevede l'attacco per due unità.

Spie luminose e dispositivi assortiti: in alcune schede madri lungo la parte anteriore si possono vedere di solito una serie di piccoli connettori. Questi servono per collegare l'altoparlantino interno del PC, le spie LED indicatrici del funzionamento del disco fisso e dell'alimentazione, e i pulsanti di accensione e di reset del computer. In questi connettori si innestano le prese che recano i conduttori che vanno direttamente ai vari dispositivi. Consultare la documentazione della scheda madre per individuare i collegamenti corretti.

Batteria tampone: Questo componente piuttosto trascurato svolge invece un ruolo importante per il funzionamento del PC. La batteria fornisce l'alimentazione continuativa necessaria a conservare le impostazioni memorizzate nel BIOS e dell'orologio in tempo reale del sistema. Ci sono vari tipi di batterie, fra cui accumulatori al nichel e idruro metallico, a ioni di litio e alcalini. I PC recenti utilizzano le batterie al litio, che in genere durano da 5 a 10 anni prima di richiedere una sostituzione.

Porte seriali: molti PC dispongono di due connettori per porte seriali: un conettore con 9 piedini e uno grande con 25 piedini. Queste porte sono spesso usate da periferiche esterne quali modem, unità per comunicazioni PDA e unità di backup a nastro di fascia bassa. Le porte seriali usano le porte logiche COM per comunicare col sistema. COM1 e COM3 sono collegate a un connettore seriale, mentre COM2 e COM4 al secondo. Dato che gli indirizzi delle porte di numero superiore sono variabili, conviene usare appena possibile le COM1 e COM2: in questo modo si limita il numero di periferiche seriali permanenti a due, una per porta. Le porte seriali moderne trasferiscono dati alla velocità di 1,5 KB/s.

Porta parallela: Su molti PC la porta parallela serve per collegare una stampante. Capace di trasferire fino a 4 MB/s di dati, la moderna porta parallela è sufficientemente veloce per la maggior parte dei trasferimenti dati di media grandezza, fra cui i lavori di stampa e le telecomunicazioni a connessione diretta via cavo. Scanner, unità a nastro, lettori di CD-ROM portatili e dispositivi di memoria di massa con dischi rimovibili quali le unità Zip e jazz possono pure utilizzare la porta parallela. Non tutte le porte parallele sono uguali. I sistemi recenti dispongono della cosiddetta ECP (Enhanced Capabilility Port), capace di operare in duplex (nelle due direzioni) con velocità di trasferimento maggiori. I PC dotati di ECP possono ridurre il tempo di stampa, ma non tutte le periferiche riconoscono i segnali di ottimizzazione così trasmessi.

Universal Serial Bus (USB): Le porte USB stanno assumendo molti dei compiti che anni fa erano svolti dai bus delle porte seriali e parallele. Molti PC desktop attuali includono due o più porte USB montate sulla scheda madre. Questi connettori a innesto rapido servono come punto fisico di partenza per una catena di periferiche esterne. Si possono concatenare fino a 127 periferiche USB. Cosa può essere collegato alla porta USB ? Mouse, tastiere, modem, scanner, joystick, fotocamere digitali, e perfino altoparlanti audio possono lavorare collegati a questo bus Plug & Play. L'USB assicura una velocità di trasferimento dati fino 12 MB/s, mediamente circa tre volte maggiore della porta parallela, sufficiente per la massima parte delle periferiche.

Connettori al bus IDE: anche i connettori IDE sono piuttosto evidenti sulla scheda madre. Su molte schede ci sono due connettori: uno per il bus IDE primario, l'altro per il bus IDE secondario. Il disco di avviamento deve essere collegato sul controller primario e impostato come dispositivo master. Per questo motivo molti utenti collegano il loro disco fisso al connettore IDE primario, mentre collegano lettore CD-ROM e altre periferiche IDE interne al connettore secondario.

cavi SCSI

Connettori SCSI: I connettori SCSI direttamente integrati sulla scheda madre sono più rari. Questi connettori permettono di installare dischi fissi, lettori di CD-ROM e altre periferiche SCSI interne senza bisogno di un adattatore. A causa dell'aumento di costi legato all'integrazione di circuiti SCSI, questi tipi di connettori sono di solito reperibili soltanto su sistemi specializzati, dedicati ad applicazioni di fascia alta.


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