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Layout e Circuito Impresso de uma Placa Mãe

A Placa Mãe ou Motherboard, é um circuito impresso complexo onde estão inseridos os chips essenciais do computador, junto com condensadores, resistências, reguladores de tensão e outros, que fazem a gestão de todos os componentes do computador.

A função essencial de uma placa mãe é conectar a CPU com a memória principal e com o mundo que a rodeia, através dos dispositivos de I/O. Para isso dispõe de uma enorme imensidade de linhas e de fichas de ligação, os Slots ou ranhuras.

Tudo aquilo com que o computador comunique, interno ou externo a ele, está conectado à placa mãe, única forma de ser reconhecido e comunicar com a CPU. Mesmo os componentes que aparentemente não estão ligados ao computador, por funcionarem por via de comunicação de infravermelhos ou rádio frequência, estão efetivamente ligados à placa mãe através do recetor dos mesmos.

Digamos que temos uma grande cidade, onde estão os edifícios que gerem o ordenamento e os edifícios onde estão instaladas as empresas que exercem as atividades essenciais à volta dessa cidade. No topo da hierarquia dessa cidade está o edifício da CPU, à volta do qual se desenvolve o bairro onde vivem os nossos estafetas (bits), servidores incondicionais da CPU.

A ligar todos estes edifícios está uma imensidade de vias de comunicação, umas maiores, outras menores e outras ainda autênticas vias rápidas, por onde transitam os estafetas que transportam informações entre os diversos edifícios, comandados pela CPU.

Esta enorme rede de vias de comunicação é o circuito impresso, sobre o qual é construída a Placa Mãe.

Circuito impresso? Mas o que é isso?

Circuitos Impressos

Tal como o nome diz, circuitos impressos são circuitos compostos por linhas de um condutor (cobre essencialmente) impressas numa placa de material isolante, como fibra de vidro por exemplo.

Essas linhas correspondem aos antigos fios que ligavam os componentes desse circuito elétrico. Estes componentes são ligados ao circuito impresso nos pontos previstos, onde existem orifícios por onde passam os seus terminais, que lhe são depois soldados.

E como se constrói um circuito impresso?

Há vários métodos, como a serigrafia, processos fotográficos e outros. Vamos falar sobre o processo fotográfico.

O circuito impresso de que vamos falar é constituído por uma placa de fibra de vidro coberta nas duas faces por uma fina lâmina de cobre. A placa começa por ser banhada por uma película de material fotossensível resistente à ação de químicos abrasivos, que a fica a envolver por completo. De seguida é sujeita a um processo de fotolitografia, isto é, é exposta à luz que passa através de uma matriz correspondente ao desenho previamente desenvolvido para o circuito elétrico que se pretende, em cada uma das faces da placa. Uma vez exposto à luz, o material fotossensível torna-se mole e é removido. De seguida, a placa é introduzida num banho de solução corrosiva (ácido nítrico por exemplo), que remove a película de cobre nas zonas desprotegidas (onde o material fotossensível foi removido).

Ficam assim desenhadas sobre a placa de fibra de vidro, as linhas de cobre do circuito elétrico. Após a remoção do excedente do material fotossensível e a furação da placa nos locais previstos para as conexões, está preparado o circuito impresso para a introdução dos componentes.

A estas linhas de cobre impressas sobre a placa, chamamos Barramentos da Placa Mãe e, como veremos, são responsáveis pelo melhor ou pior desempenho da CPU.

Vamos então começar por perceber como se organiza num Circuito Impresso de uma Placa Mãe com a arquitetura idêntica à definida na Figura1.

A Placa Mãe vazia

Vamos começar por descrever os componentes de uma placa mãe com uma organização usada durante muito tempo e ainda existente em muitos computadores em funcionamento. Tem a sua representação gráfica no quadro  da Figura 1, correspondente  às fotografias das Figuras 2 e 3 tiradas  respetivamente à frente e tardoz de uma Placa Mãe com organização idêntica à do gráfico do quadro.

A sua evolução foi forçada, como forma de poder acompanhar as enormes solicitações de transferências de dados exigidas pelos atuais processadores e entre as memórias e as placas gráficas, cada vez mais exigentes em processamento de imagem.

No decorrer do texto iremos introduzindo as alterações e o porquê das mesmas.

A Placa Mãe representada em fotografias tem a arquitetura do gráfico do quadro da Figura 1. Suporta um Pentium 4 de 1,6 GHz. A sua construção é de 2001/2002.

Podemos ver alguns dos componentes do gráfico na sua localização real. Para a sua análise devemos acompanhar com a fotografia da Figura 2, correspondente à frente da placa mãe e também com a fotografia da Figura 3, correspondente à parte de trás da mesma placa mãe.

Neste parágrafo é nosso objetivo a simples descrição dos componentes visíveis e suas conceções, ficando para mais adiante a análise de cada componente e suas funções. Assim teremos:

1. Socket para encaixe da CPU.
2. Chip Northbridge. Na parte de trás da Placa Mãe podemos ver que as linhas do circuito impresso que dele derivam e se dirigem essencialmente para os slots de memórias (à Direita) e para o slot AGP (Accelerated Graphics Port) destinado à placa de vídeo. Na face frontal da placa mãe podemos ver as linhas que estabelecem a ligação entre este e a CPU, conhecidas por FSB (Front Side Bus).
3. Chip Southbridge. Na parte frontal da placa mãe podem-se ver as linhas de ligação deste chip aos slots PCI. Na parte de trás da placa mãe vemos as linhas de ligação deste chip com o chip Súper I/O, com o BIOS e com as fichas IDE/PATA destinadas ao HDD e ao CD/DVD.
4. Chip Súper I/O. As ligações deste chip veem-se essencialmente no circuito impresso da parte de trás da Placa Mãe. Aí podem-se ver as linhas que ligam às saídas standard da Placa Mãe bem como as linhas que ligam à ficha destinada à drive de disquetes.

5. 

   Chip Áudio de controle do Áudio OnBoard

6. Chips de controlo das portas
7. Chip do BIOS
8. Bateria de Lithium
9. Slot AGP destinado às placas de Vídeo
10. Gerador de frequência da Placa Mãe. Vê-se um conjunto de interruptores que permitem definir a frequência, o cristal de quartzo dentro de uma cápsula metalizada e o chip PLL (Phase Locked Loop) que retifica a frequência do cristal e produz todas as frequências de operação dos diversos componentes que ligam à Placa Mãe. É este conjunto que constitui o Clock
11. Conjunto de fichas das ligações standard incorporadas na Placa Mãe, que identificaremos mais adiante
12. Slots para encaixe dos módulos de memória, vulgarmente conhecidos como pentes de memória.
13. Fichas para a alimentação da Placa Mãe e consequentemente de todos os componentes ligados aos seus slots (memórias e placas filhas AGP e PCI)
14. Fichas de ligação IDE/PATA, destinadas às unidades internas de Disco Rígido, CD/DVD e Disquetes.
15. Slots PCI.

Muitos mais componentes se verifica estarem ligados à Placa Mãe, tais como resistências, condensadores, corretores de frequências, chips diversos e outros, que não vamos agora identificar por estarem fora do âmbito daquilo que este trabalho se propõe.

De seguida vamos olhar para uma imagem da mesma Placa Mãe já preenchida com os componentes necessários à conexão entre a CPU e o mundo exterior à mesma, na Figura 4.

A Placa Mãe preenchida

 Os slots (ou ranhuras), as fichas e o socket já se encontram preenchidos e mais alguns elementos lhe foram acrescentados. Vamos descrever os que estão identificados pelos números (Figura 4):

1. A CPU foi colocada no respetivo socket e sobre ela foi colocado um dissipador de energia térmica ventilado.
2. Sobre o Northbridge foi também colocado um dissipador térmico. Na foto da Figura 2, o chip aparece coberto de uma massa branca, cujo fim é melhorar o contacto entre o chip e o dissipador.
3. Os módulos de memória RAM já se encontram colocados.
4. Diversas Placas Filhas, com funções específicas de comunicação com componentes externos, encontram-se também colocadas nos slots PCI.
5. Um cabo Ultra ATA de 80 condutores e com três conectores: Azul para ligação ao sistema, preto para ligação ao Master e cinzento para ligar ao Slave. Master e Slave são os nomes dados aos discos rígidos principal e secundário (nesta arquitetura com interface IDE/PATA), quando há mais do que um.
6. Disco Rígido IDE/PATA, isto é, que usa uma interface Integrated Device Electronics/ Parallel Attachment. Esta norma era corrente nos mais modernos Discos Rígidos ao tempo da Placa Mãe em questão e manteve-se por bastante mais tempo, pelo menos até a ligação ATA, agora PATA ou Parallel AT Attachment, ser substituída pela SATA ou Serial AT Attachment.

Vamos agora ver as fichas de ligação ao exterior da Placa Mãe e também as proporcionadas pelas Placas Filhas inseridas nos slots da primeira.

A vista do Alçado Lateral Esquerdo da Placa Mãe, que fica virada para a parte de trás do computador, fazendo parte integrante da mesma, é o local onde ficam as conexões referidas (Figura 4 em baixo). Assim teremos:

Conexões integradas na Placa Mãe:

1. Tomadas PS2 para ligação de rato e teclado.
2. Tomadas USB.
3. Portas série COM.
4. Porta Paralela LPT1.
5. Entradas e saídas áudio do sistema onboard (embarcado), isto é, incorporado na própria placa.

Conexões fornecidas pelas Placas Filhas:

6. Placa de Vídeo, com as conexões VGA, SVídeo e vídeo composto
7. Placa de captura de vídeo e TV com as conexões de Antena TV e FM, saída de phones e conexões de vídeo composto e SVídeo.
8. Placa de som, com as saídas estéreo E/D, a saída para Phones e para Joysticks analógicos.
9. Placa Ethernet, para ligação de redes de computadores e Internet com uma tomada RJ45.
10. Placa SCSI para ligação a componentes externos com a norma SCSI.

Vamos agora passar à análise dos diversos componentes da Placa Mãe, até aqui descritos só para sua localização integrada.