(Classe 3a) - Sistemi e Reti

Scheda madre

La scheda madre, altrimenti detta motherboard, è un complesso circuito multistrato adibito alla installazione fisica dei componenti del computer tramite una serie di slot e socket. La scheda madre, una volta installati i componenti hardware, provvede a metterli in comunicazione reciproca, ad esempio il processore con i moduli di memoria RAM, con le unità disco o le schede poste sugli slot di espansione. Sono altresì gestite anche tutte le comunicazioni verso periferiche esterne collegate alla scheda madre tramite porte di Input/Output come le USB, Parallela, Seriali, Firewire.
Alloggiati sulla scheda madre è possibile trovare componenti quali la CPU, la memoria RAM, l’insieme di unità di memoria ROM che contengono il BIOS, le schede grafiche e di rete. Tutti i componenti collegati alla motherboard sono divisi tra il northbridge e il southbridge.

Northbridge

Il northbridge è un circuito che permette il collegamento ad alta velocità tra i componenti critici per le prestazioni del computer:

1. La CPU, che ha il compito principale di effettuare i calcoli che permettono al computer di funzionare; ci si riferisce spesso come al cervello del computer;
2. La memoria RAM (random-access memory, memoria ad accesso casuale), che contiene le parti essenziali del sistema operativo in uso per una maggiore velocità di accesso da parte dei processi, e che costituisce la memoria primaria;
3. Gli slot di espansione principali, come PCI, PCI Express e AGP, che ospitano schede e processori grafici o fisici ad alte prestazioni;
4. Nelle schede madri più recenti sono presenti slot SATA e/o ATA per il collegamento di unità disco.

Southbridge

Il southbridge gestisce le interfacce a bassa velocità, quali:

1. le porte seriali e parallele;
2. le porte USB;
3. l’interfaccia Ethernet;
4. le interfacce per la tastiera e il mouse.

Il BIOS
Per poter eseguire tutte queste operazioni la motherboard è dotata di
un software di gestione denominato BIOS, la cui sigla sta per Basic Input Output
System. Si tratta di un programma adibito sostanzialmente alla gestione dei
componenti hardware installati e alla memorizzazione delle loro impostazioni
di configurazione.

Fisicamente, le routine software del BIOS sono contenute in un chip di memoria
EEprom (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)
da 2 Megabit installato sulla scheda madre. Affinchè a ogni spegnimento
del computer non venga persa la configurazione dei componenti hardware installati,
i dati di tale configurazione sono memorizzati su una piccola memoria CMOS a
bassissimo consumo. La CMOS è alimentata perennemente da una batteria
a forma di bottone, che ne garantisce l’integrità dei dati per
5-6 anni.

Accensione del computer: il POST
Non appena accendiamo il computer, il primo programma in assoluto avviato dal
processore è il BIOS. A seguito di questa attivazione viene avviata una
routine detta POST (Power On Self Test). Trattasi di una routine
diagnostica che esegue la scansione dei componenti hardware del PC. Se la configurazione
non è la stessa del precedente avvio, ad esempio perché abbiamo
staccato la tastiera, l’avvio del PC viene bloccato e viene generato un
errore a video.

Nel caso che a essere malfunzionante o mancante sia un componente di base del
PC, ad esempio i moduli della memoria RAM o la scheda video, lo schermo ovviamente
rimarrà buio. In questo caso, il BIOS provvede a inviare all’utente
una serie di Beep a codifica del tipo di errore rilevato. Le schede madri più
recenti sono spesso dotate di un display a due caratteri alfanumerico che riporta
la codifica dell’errore o di una serie di quattro led colorati, del quale
va interpretata la sequenza di accensione. Passato il POST, il processore carica
il sistema operativo nella RAM.

Componenti della scheda Madre

I componenti di una scheda madre possono variare a seconda di che tipo di computer si sta considerando: nel seguito di questa descrizione faremo riferimento a una generica scheda madre per personal computer (ovviamente l'elemento base è il PCB ovvero la scheda grezza (vuota) su cui poi vengono montati i componenti^[2]).

• Chipset, l'insieme di chip che si occupano di smistare e dirigere il traffico di informazioni passante attraverso il Bus di sistema, fra CPU, RAM e controller delle periferiche di input/output (come Floppy disk, Hard disk ecc.).
• 

  Un socket LGA
  Socket (CPU), una parte fondamentale del computer che accoglie la CPU. Nelle schede embedded (o in quelle vecchie e molto economiche) è assente, e il processore è saldato direttamente sulla scheda. Lo zoccolo (socket) può essere di tipo PGA o LGA. Nel caso di processori di tipo PGA, i pin di interconnessione risiedono sulla parte inferiore della CPU. Se il socket è di tipo LGA (ovvero Land Grid Array) i pin risiedono sul socket ed è necessaria una piastra di caricamento per tenere in posizione la CPU dato che, a differenza delle CPU PGA, non è tenuta in posizione dai piedini che vanno a incastrarsi nel socket. La soluzione LGA è adottata da diverso tempo da Intel con molti dei suoi processori Pentium IV, Core, entrambi interfacciati con 775 pin. A differenza di Intel, la rivale AMD ha adottato più tardi soluzioni LGA con l'avvento dei processori Athlon FX serie 7x interfacciati con 1207 pin alla scheda madre. Ora la soluzione LGA è divenuta di fatto standard.
• ROM (Read Only Memory), la piccola memoria presente su tutti i personal computer, che in alcuni casi può essere riprogrammata, (può essere PROM, EEPROM, flash o altro) contenente l'Uefi della scheda madre. L'Uefi è un tipo di firmware dalle funzionalità molto limitate. Le sue funzioni sono essenzialmente tre: eseguire il controllo dell'hardware all'accensione (il POST, Power On Self Test), eseguire alcune istruzioni basilari per il controllo dell'hardware stesso e caricare il sistema operativo.
• RAM (Random Access Memory), può essere di diversi tipi, esistono vari tipi di RAM diffusi dalle industrie sin dai primi anni ottanta. Attualmente le schede madri in commercio adottano slot DDRAM (DDR, DDR2, DDR3, DDR4 nelle diverse evoluzioni delle prestazioni), derivate delle precedenti SDRAM, che a loro volta erano derivate dalle SIMM e SIPP presenti sulle macchine che montavano processori compatibili con l'80386.
• CMOS, piccola memoria RAM, in cui sono memorizzate le impostazioni dell'UEFI. Il CMOS è un semiconduttore che richiede pochissima energia per funzionare. Quando il computer viene spento, per mantenere memorizzate le impostazioni dell'UEFI, utilizza una piccola batteria al litio, solitamente del tipo CR2032, con 3 Volt di tensione.

Slot di espansione PCIe e PCI

• Il bus di espansione PCI. Si tratta di un collegamento dati generico punto-multipunto, progettato per permettere di collegare alla scheda madre delle altre schede di espansione alloggiate su connettori (slot), che ne estendono le capacità. Attualmente il tipo di bus più diffuso è il bus PCI Express, arrivata alla versione PCIe 4.0, con la prossima commercializzazione della versione 5.0, molto più veloce del PCI originario. In linea di principio a un bus può essere collegato hardware di ogni tipo: schede video aggiuntive, schede audio professionali, schede acquisizione dati, unità di calcolo specializzate, coprocessori: nella pratica si ricorre a una scheda di espansione su slot interno solo per hardware che ha bisogno di una collaborazione estremamente stretta con la CPU o con la memoria RAM; per le espansioni hardware meno critiche si sfruttano le connessioni "lente" (USB, seriali ecc.). Fa parte del bus PCI anche lo slot AGP, dedicato alla scheda video, che è uno slot PCI dotato di alcuni comandi aggiuntivi separati e di una trasmissione dati privilegiata; le interfacce AGP sono state sostituite da tempo dagli slot PCI Express, perfettamente in grado di fare da ponte fra la scheda grafica e il resto del sistema.

Esistono anche altri componenti della scheda madre dette connettori. Si tenga presente che ogni tipo di connessione NON è intercambiabile con nessun altro e ha una propria posizione di inserzione, per evitare collegamenti errati, potenzialmente pericolosi o addirittura fatali per l'integrità della stessa scheda madre o dei componenti collegati.

Connettore ATA e SATA Controller

Il connettore ATA Controller è stato definito da ATA (Advanced Technology Attachment) Interface Controller ed è un collegamento che permette lo scambio dei dati tra il resto del computer e hard disk, SSD e/o lettori/masterizzatori CD/DVD per PC. Nelle versioni più recenti, chiamate SerialATA 3, o SATA3, si arriva a velocità dei dati in lettura e scrittura dell'ordine dei Gigabit/secondo. Normalmente ce ne sono almeno due, si può arrivare a sei o più.

Connettore M.2 (o NGFF)

Si tratta di una connessione specifica per i nuovi modelli di hard disk di tipo NVME, con prestazioni di lettura/scrittura pari o anche superiori alla connessione SATA3, in base a come viene collegato il bus dati nella scheda madre. Richiede una vite di fissaggio specifica, di solito già fornita come accessorio con le schede madri più recenti o talvolta con l'hard disk. Può essere necessario anche un dissipatore dedicato per il suo raffreddamento.

Connettore IDE

L'interfaccia IDE è la connessione standard che è stata utilizzata per molti anni per collegare hard disk tradizionali e lettori/masterizzatori CD/DVD. Caratterizzata da un cavo piatto a nastro e piuttosto largo, si potevano collegare fino a due hard disk, detti slave e master. Questo connettore è stato ampiamente soppiantato dal connettore SATA.

Connettore Floppy

L'interfaccia del disco floppy utilizza un cavo che è particolare. È simile al cavo IDE standard per collegare gli hard disk IDE in quanto è un cavo piatto a nastro. È inusuale in termini di numero di connettori che possiede e viene utilizzato per il collegamento dati dei dischi floppy nel sistema. Non è più presente nelle schede madri ormai da diverso tempo.

Connettore CPU Fan

Il connettore di CPU Fan, a 4 pin, è situato nelle immediate vicinanze della sede (socket) del processore e si trova in ogni computer che dispone di una singola CPU e di un dissipatore montato sopra di esso, munito di ventola di varia grandezza, a cui il connettore va collegato necessariamente. L'importanza dell'header serve per rilevare se la ventola è in funzione. Se rileva che la ventola non è in funzione o non funziona correttamente, il sistema verrà disattivato e rifiuterà di avviare il PC per proteggere la CPU dal surriscaldamento. Sulle scheda madre possono esserci anche altri connettori supplementari per alimentare le eventuali ventole montate nel case del computer, allo scopo di aiutare la circolazione e l'espulsione dell'aria riscaldata dalla CPU e dagli altri componenti come schede video, schede audio, memorie Ram ecc. Su alcuni tipi di schede madri è stato eliminato in favore di soluzioni diverse, come l'uso di piccoli radiatori costruiti appositamente per il raffreddamento di CPU a basso consumo.

P4 e P4+P4 Power connector

Il connettore P4 è per il collegamento del cavo di alimentazione da 12V utilizzato con schede madri con processore Intel Pentium 4 o successivo. Si trova normalmente nelle vicinanze dell'alloggiamento del processore. Attualmente, è un connettore fondamentale di alimentazione, è standard e viene utilizzato con le schede madri con chipset sia di Intel sia di AMD. Il cavo P4 ha due fili neri che servono da terra e due fili gialli che sono a +12VDC e si collegano alla connessione a quattro pin sulla scheda madre.

Il connettore P4+P4 è un'evoluzione del P4, con 4 fili gialli e 4 fili neri, quindi con 8 pin e viene usato ormai stabilmente nelle schede madri più recenti, per dare l'alimentazione necessaria al regolare funzionamento della scheda madre e della CPU. Il connettore P4 si può collegare comunque al P4+P4, in questo caso sono compatibili.

USB 2.0, 3.0 e Usb-C port

Sono le classiche connessioni a cui si può collegare praticamente di tutto: oltre naturalmente a tastiere e mouse, si collegano chiavette di memoria, hard disk esterni, stampanti, plotter, webcam, chiavette modem o wi-fi, schede audio o video particolari e quant'altro. In media ce ne sono da 4 a 6, situate nella parte posteriore della scheda madre. Hanno soppiantato da tempo le porte PS/2, viola e verdi, per il collegamento di tastiere e mouse. Le porte Usb-C hanno la particolarità di non dover rispettare il senso di innesto del connettore, permesso dal sistema di costruzione appositamente pensato, e stanno avendo rapida diffusione sulle schede madri più recenti.

USB Header 2.0 e 3.0

Header dell'USB o semplicemente USB Header è un gruppo di pin, tipicamente sulla scheda madre di computer o su scheda di espansione, a cui viene collegato un cavo USB interno per fornire una o più porte USB 2.0 supplementari sulla parte frontale del case del PC. Per connettere le porte USB 3.0 viene usato invece uno specifico connettore di colore blu, che assomiglia all'estremità del connettore IDE, ma più piccolo.

System panel header

È un gruppo di pin dedicato al collegamento dei tasti di accensione, di Reset, delle spie relative all'accensione stessa del PC e del funzionamento dell'hard disk interno; e necessario prestare attenzione ai collegamenti per non fare errori.

20+4-Pin Motherboard Power

Il connettore Motherboard Power (Motherboard Power Connector) a 20+4 pin è facilmente identificabile sulla scheda madre. È un'altra delle connessioni più importanti del PC, collegando l'alimentatore alla scheda madre. È attraverso questa connessione che le varie tensioni di funzionamento e altri segnali vengono inviati alla scheda madre. (Potrebbe essere necessario familiarizzarsi con questi segnali nella sezione sulle funzioni di alimentazione se necessario.) I fattori di forma differenti utilizzano diversi numeri, tipi, forme e dimensioni dei connettori tra l'alimentatore e la scheda madre.

Connettori audio microfono-cuffie-altoparlanti

Presenti praticamente su ogni scheda madre, servono per collegare tramite cavo con jack 3mm microfoni, piccole casse, altoparlanti, fornire un segnale audio in entrata verso un impianto stereo hifi ad esempio, o anche ricevere segnali audio in entrata.

Nell'ordine, il microfono ha un connettore rosa, le cuffie/altoparlanti sono verdi lime, poi nero, arancione e blu per i segnali audio in entrata e uscita. Può esserci anche un connettore ottico SPDIF. Anche questi si trovano sul retro della scheda madre, assieme alle porte USB.

Connettore Ethernet

Il suo compito è assicurare il collegamento tramite cavo Ethernet a un proprio modem, oppure in una rete locale per usufruire della navigazione internet.

Anche questo connettore si trova sul retro della scheda madre assieme alle porte USB.

Serial Port

Sulla scheda madre, una porta seriale è un'interfaccia seriale di comunicazione attraverso la quale le informazioni trasferiscono o escono un bit alla volta (in contrasto con una porta parallela). Durante la maggior parte della storia dei personal computer, i dati sono stati trasferiti tramite porte seriali a dispositivi come modem, terminali e periferiche diverse. Anche questa connessione è sempre meno usata.

Onboard Wireless Chipset

È un componente che è montato direttamente sulla scheda a circuito stampato (PCB). Dopo che i fili sono collegati, un rivestimento di resina epoxy o di plastica viene utilizzato per coprire il chip e le sue connessioni. Il processo di incollaggio automatico a nastro (TAB) viene utilizzato per inserire il chip sulla scheda. Viene utilizzato per il collegamento wireless o tramite Bluetooth a modem o altro; è presente nei computer portatili da molto tempo e gradualmente si sta diffondendo sulle schede madri per Pc fissi più recenti.