Si analizamos la PC el conjunto motherboard y microprocesador resultan los componentes centrales.
La característica que siempre tuvieron los motherboard es la que podemos llamar arquitectura modular y abierta que posibilita incorporar o intercambiar elementos de la PC para mejorar sus características. Esta tecnología deja la puerta abierta para que muchos fabricantes produzcan las partes que conforman los equipos. Es decir, se puede armar una PC con un motherboard de una marca, una placa de video de otra, una placa de sonido de otra y reemplazar cualquiera de ellas por otra de otra marca. Es decir, que todos los componentes se fabrican siguiendo estándares bien definidos.
Como veremos más adelante, esas normas son dictadas muchas veces por organizaciones internacionales y otras por los propios fabricantes que se reúnen para definirlas. De esta manera surgieron los llamados clones de PC. que no tienen una marca específica y cuyos componentes proceden de diferentes fabricantes.
ELEMENTOS DEL MOTHERBOARD
2) ZÓCALO O SOCKET del microprocesador: Aquí se coloca el microprocesador. La cantidad de contactos y la medida dependen de la marca y del modelo utilizado. Además también tiene en algunos casos los anclajes para el cooler compuesto por un disipador y un ventilador.
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| Socket AMD AM2 |
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| AMD Socket A (ZIF Socket) |
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| Socket Intel 775 |
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| Socket Intel LGA 1366 |
3) CONECTORES DE MEMORIA: Aquí se colocan los módulo de memoria RAM dinámicas que recibe el mismo nombre que las memorias.(S.I.M.M., D.I.M.M., R.I.M.M.)
PUENTE NORTE (NORTH BRIDGE)
PUENTE SUR (SOUTH BRIDGE)
El puente sur es el segundo chip de importancia y controla los buses de entrada y salida de datos de los periféricos. Controla los puertos ID y SATA (discos rígidos y lectoras/grabadoras), los puertos USB y el bus PCI y el audio de 6 canales. La conexión de los puentes norte y sur se realizaba a través del bus PCI, pero recientemente algunos fabricantes de motherboard han empezado a usar buses especiales dedicados que permiten una transferencia de datos directa y sin interferencia entre los dos puentes. La vieja conexión PCI tiene un ancho de banda de solo 133 Mb/s. que quedó insuficiente para la velocidad de los dispositivos actuales. Solamente teniendo en cuenta que los discos rígidos actuales rondan los 100 Mb/s y si le agregamos la transferencia de las placas que están colocadas en lo slots PCI y los puertos USB 2.0 vemos que el bus PCI se encuentra cogestionado. La mejor solución fue entonces, conectar los puentes con un bus dedicado. Por ejemplo el chipset i810 de Intel, incorporo un pequeño bus de 8 bits (1 byte) a 266 MHz.
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| MEMORIA S.I.M.M. |
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| MEMORIA D.I.M.M. |
4) CONECTORES DE LA DISQUETERA: ya en desuso.
5) CONECTORES IDE: en estos conectores se conectan los cables planos que permiten conectar hasta 4 dispositivos (discos rígidos y/o lectoras grabadoras de CD/DVD). En los motherboard más modernos se encuentran los conectores SATA que es la interface que se usa actualmente en los discos rígidos.
IDE: 130 MB/s
SATA 1: 150 MB/S
SATA 2: 300 MB/s
SATA 3: 600 MB/s
IDE: 130 MB/sSATA 1: 150 MB/S
SATA 2: 300 MB/s
SATA 3: 600 MB/s
6) CONECTORES DE ALIMENTACIÓN: mediante estos conectores el moherboard recibe las tensiones de alimentación. Los conectores que se usan en la actualidad sigue la norma ATX que remplazó a los antiguos conectores AT.
7) BIOS (Basic Imput Output System):
Este circuito integrado contiene el software básico que le permite al motherboard manejar la memoria, los discos duros, y mantiene la fecha y la hora del reloj. El BIOS contiene dos tipos de memoria: la memoria ROM (Memoria de Solo Lectura) y una memoria RAM (Memoria de Lectura y Escritura) llamada SETUP que mantiene la información aunque la máquina se apague debido a que está alimentada por una batería.
8) CHIPSET NORTHBRIDGE (Puente Norte): Es el encargado de conectar el bus de datos del procesador y el bus de direcciones.
9) CONECTORES DEL GABINETE: Aquí se conectan los comandos e indicadores que se encuentran en el frente del gabinete: led de encendido, led de funcionamiento del disco rígido, botón de encendido, botón de reset.
10) CHIPSET SOUTH BRIDGE (Puente Sur): Es la parte del chipset encargada de brindar conectividad. Controla los discos rígidos, el bus PCI, los puertos USB.
11) PILA: Mantiene el setup, es de tipo CR2032. En caso de que la computadora pierda su configuración, como por ejemplo: la hora, la fecha, o la geometría del disco rígido, deberá ser cambiada.
12) SLOT PCI: En estas ranuras se insertan las placas de expansión como por ejemplo: las placas de red, placas de sonido, capturadoras de video, sintonizadoras de tv, etc.
Actualmente las placas de video se conectan al puerto PCI Express.
13) SLOT AGP: Aquí se conectaban las placas de video. Actualmente esta en desuso.
FACTOR DE FORMA (FORM FACTOR)
Atendiendo a la estructura modular o arquitectura abierta los fabricantes de motherboard deben atenerse al cumplimiento de los estándares y normas de la industria del hardware. Además cuando surge un elemento nuevo, como por ej. el puerto USB, todos los fabricantes deberán cumplir con las normas y características constructivas de este puerto para no quedar fuera del negocio del hardware.
El factor de forma indica las direcciones y el tamaño de la placa lo que lo vincula con el gabinete específico. También establece la posición de los anclajes, y la distribución de los componentes (slots de expansión), ubicación de los bancos de memoria, ubicación del zócalo del microprocesador, etc.
Los formatos obsoletos son los AT y BABY AT, y los formatos en uso son los ATX, micro ATX y ATX flex.
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| Motherboard BABY AT |
 Motherboard ATX |
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| Motherboard Micro ATX |
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| Motherboard ATX Flex |
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El puente norte se encarga de soportar al microprocesador en el manejo de los buses de la memoria, justamente sirve de conexión entre el motherboard, el microprocesador y la memoria, por eso su nombre de "puente". Generalmente las innovaciones tecnológicas como las memorias DDR y el FSB (Front Side Bus) son soportados por este chip. La tecnología de fabricación del North Bridge es similar a la del propio microprocesador ya que debe ocuparse de manejos de alta velocidad como el FSB una frecuencia va de 400 a 800 MHz. Por esa razón, este circuito integrado, esta dotado de un disipador de calor y en algunas maquinas hasta de un ventilador.
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| Chipset i810 de Intel. |
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Buses
Los buses constituyen físicamente pistas de cobre de circuitos que interconectan eléctricamente los dispositivos montados sobre el motherboard (microprocesador, memoria RAM, BIOS, puertos, etc).
Los buses de un motherboard se pueden dividir en: bus de datos, bus de direcciones y bus de sistema.
El bus de datos transporta los datos o instrucciones en forma de impulsos eléctricos desde y hacia el microprocesador. Dependiendo del sistema y del microprocesador, este bus tendrá una cantidad de líneas llamada "ancho de bus". Las primeras PC tenían buses de 8 bits (8 líneas) y en la actualidad pueden llegar a 64 bits.
El bus de direcciones determina cuál es el origen y el destino de los datos. Cada dispositivo y cada posición de memoria tiene una dirección dentro de lo que se llama "mapa de memoria", que es su identificación en el sistema.
Las direcciones no pueden repetirse. Todo lo descrito anteriormente se refiere a los elementos que efectivamente están montados sobre la placa.
El sistema puede componerse además por dispositivos que se conectan a la placa mediante ranuras de expansión (slots) que también deben interconectarse. Entonces los contactos de las placas de expansión que se conectan en estas ranuras se integran al sistema. Cada tipo de ranura de expansión se conecta a un bus particular con características propias. Por ejemplo: los slots AGP, PCI y PCI Express.
En las PC modernas solo se mantienen los slots PCI y PCI Express.
Parámetros de los buses:
* ANCHO DEL BUS (bits)
* LA VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA (bits/seg)
* CANTIDAD DE DISPOSITIVOS QUE SOPORTA
* CLOCK (RELOJ) (Hz)
BUS PCI (Peripherical Component Interconnect)
Al bus PCI se lo identifica como un conector blanco de aproximadamente 8,5 cm de largo. Tiene una muesca para la correcta colocación de las placas.
Este bus fue desarrollado por Intel, sometido al consenso del resto de la industria que lo adoptó como estándar. Todavía es utilizado y posee las siguientes características:
-Ancho del bus: 32 o 64 bits.
-Velocidad de transferencia de datos:
133 MB/s __ 32 bits __ 33 MHz
266 MB/s __ 64 bits __ 33 MHz
Clock= 33 MHz
BUS Frontal (FSB - Front Side Bus)
Antiguamente solo existía un bus de datos y el microprocesador accedía a la RAM y a la memoria caché de 2° nivel a través de él. Para optimizar el desempeño, Intel introdujo el DIB (Dual Independent Bus) donde el microprocesador accedía a la memoria caché de nivel 2 o el BACKSIDE BUS, y a la RAM por el FSB.
Regularmente la velocidad del microprocesador se determina aplicando un multiplicador (factor de multiplicación) a la frecuencia del FSB. Por ejemplo si aplicamos un factor de multiplicación de 5 a un FSB que está trabajando a 100 MHz se obtiene una velocidad del microprocesador de 500 MHz; a este proceso se lo llama "overclocking".
En las máquinas viejas se cambiaba de posición un puente (Jumper) en el motherboard. Actualmente se hace desde el setup.
BUS ISA (Industry Standard Architecture)
Es obsoleto.
-Ancho del bus: 32 bits
-Velocidad de transferencia: 32 MB/s
-Clock: 8 MHz
BUS AGP (Advanced Graphic Port)
*Ancho del bus: 32 bits
*Frecuencia del clock: 66 MHz
*Velocidad de transferencia:
-AGP: 266 MB/s
-AGP x 2: 533 MB/s
-AGP x 4: 1 Gb/s
-AGP x8: 2,1 Gb/s
El bus AGP se usó durante cierto tiempo para conectar las placas de video. Si bien llegó a velocidades de transferencia de 2 Gb/s, fue remplazado rápidamente por el slot PCI Express.
BUS PCI Express
El bus PCI Express es el que se usa actualmente para la conexión de las placas de video, se desarrolló entre los años 1999 y 2001. Durante su desarrollo tuvo varios nombres:
- System I/O. -Infiniband.
- 3GIO (3º Generation Input Output).
- Araphade.
Finalmente el desarrollo terminó en manos del PCI SIG (Peripherical Component Interconection Special Interest Group), que es una organización sin fines de lucro que tiene como asociados a empresas fabricantes de hardware.
El bus PCI Express presenta mejores características de flexibilidad y velocidad como son la transmisión en serie y la conexión punto a punto.
La transmisión en serie es una de las interfaces más antiguas de las PC (RS232) que sigue presente en los motherboard actuales aunque está prácticamente en desuso frente a interfaces externas superiores como la USB. La transición de datos en el bus PCI Express se realiza en serie, es decir que los datos van pasando bit a bit uno detrás del otro mientras que en las interfaces en paralelo, los datos viajan por varios cables a la vez. Actualmente se privilegia el uso de interfaces serie porque utilizan menos tensión, generan menos interferencias eléctricas y permiten alcanzar mayores distancias y velocidades sin pérdida de información; además son más simples, lo que permite un diseño más compacto.
La conexión punto a punto quiere decir que la comunicación entre un dispositivo y otro es directa, lo que permite un aprovechamiento total del ancho de banda puesto que cada placa tendrá su ancho de banda en particular y se comunicará con otra sin que nada interfiera en su camino. Dijimos que el puerto PCI estándar tiene todos los slots conectados en paralelo, por lo que comparten el ancho de banda del bus (133 MB/s).
En el sistema PCI Express la conexión de la ranura de expansión con el chipset se realiza mediante un módulo llamado "switch" (muchas veces incluido en el chipset del puente sur).
Podemos comparar el bus PCI Express y el PCI haciendo una analogía con los concentradores de red "switch" y "hub”. En un hub todos los datos que quieren pasar de una máquina a otra deben pasar por todas las que estén entre un puerto y el otro hasta que encuentre el destino correcto. Mientras que un switch tiene una "inteligencia" que le permite saber la dirección de cada máquina conectada y envía los datos directamente desde una hacia la otra sin pasar por ningún otro puerto. Una conexión básica PCI Express (x1) consta solamente de 4 cables, para la transmisión de datos en un sentido y 2 para el otro. Cada uno de ellos trabaja a una frecuencia de 2,5 GHz, lo que brinda una tasa de transferencia de datos de 2 Gb/s (256 MB/s). Debemos considerar que esos 256 MB/s, se transmiten en un solo sentido y que si también contamos el otro alcanzamos los 512 MB/s, una cifra nada despreciable teniendo en cuenta los 133 MB/s del puerto PCI.
La ranura PCI Express x4 tiene 4 pares de conductores y la PCI Express x16 tiene 16 pares de conductores siempre full dúplex.
Problema:
Calcular la velocidad de transferencia de un bus de 32 bits cuya frecuencia de clock es de 33 MHz.
Notas:
*Si la frecuencia del clock es de 33 MHz, significa que pude transmitir 33.000.000 bits/seg.
*La velocidad de transferencia de un bus se expresa en bytes/seg. (1 byte= 8 bits)
Cantidad de bits/seg = 33 Mb/s x 32
= 33.000.000 x 32
= 1056.000.000 bits/seg
Velocidad de transferencia = 1056.000.000 b/s ÷ 8
= 132.000.000 B/s = 132 MB/s
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Interfaz para disco rígido
Veremos la forma en que se transfieren datos desde los medios de almacenamiento masivo como discos rígidos y grabadoras/reproductoras de CD y/o DVD desde y hacia el motherboard.
Esta interfaz está compuesta actualmente por conectores y buses SATA que han remplazado a los conectores y buses IDE (o ATA).
Interfaz IDE (Integrated Drive Electronic)
La interfaz IDE es un conector con una doble hilera de pines donde se conecta un conector asociado a un cable plano.
Regularmente hay dos conectores sobre el motherboard, bajo los nombres de IDE0 e IDE1.
IDE está basada en un estándar creado por IBM en los años 80s llamado ATA (Advanced Technology Attachment), por eso esta interfaz también se conoce como IDE/ATA. Pero esta interfaz se mejoró con el tiempo y fue capaz de soportar discos rígidos cada vez más rápidos, pasando sucesivamente por ATA 1,2, 3, 4 y FAST ATA. Hasta este momento soportaba solamente discos rígidos pero, más tarde ATA se convierte en ATAPI (Advanced Technology Attachment Pocket Interface) y es capaz de soportar unidades de CD-ROM, es por eso que en el inicio de una PC con lectora de CD-ROM se lee el mensaje: "ATAPI CD-ROM". La evolución de la norma ATA está directamente relacionado con 2 modos de transferencia de datos PIO y DMA.
El método más antiguo es el PIO (Programmable Imput Output) en donde el microprocesador controlaba la transferencia de datos. Este modo tuvo la siguiente evolución:
- PIO 0 _____ 3,3 MB/s
- PIO 1 _____ 5,2 MB/s
- PIO 2 _____ 8,3 MB/s
- PIO 3 _____ 11,1 MB/s
- PIO 4 _____ 16 MB/s
Debido al bajo rendimiento de la interface ATA porque requería el uso del microprocesador, se introduce la tecnología DMA (Direct Memory Access). De esta forma los discos rígidos pudieron acceder directamente a la memoria sin pasar por el microprocesador. Para ello fue necesario agregar un chip DMA. Esta forma fue mejorando hasta llegar UDMA (ULTRA DMA) que llega hasta los 133 MB/S con la siguiente evolución:
- ATA 66 ____ 66 MB/s
- ATA 100 ____ 100 MB/s
- ATA 133 ____ 133 MB/s
Interfaz SATA (Serial ATA)
La interfaz ATA/IDE fue superada en el año 2003 cuando se introdujo la variante serie llamada SATA cuyas ventajas son:
- Mayor velocidad de transferencia
- Permite usar cables más largos
- Permite conectar y desconectar unidades sin apagar la máquina
Actualmente es estándar en todos los motherboards.
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| CONECTORES SATA |
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| DISCO RÍGIDO SATA |
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| CABLE SATA |
Tabla de transferencia de velocidad de los puertos PCI-Express
Hasta el momento se han desarrollado tres protocolos SATA: 1, 2 y 3.
SATA 1 = 150 MB/S
SATA 2 = 300 MB/S
SATA 3 = 600 MB/S
PINES SATA:
1 GND (tierra)
2 TX+ (transmisión+)
3 TX- (transmisión-)
4 GND tierra
5 RX+ (recepción+)
6 RX- (recepción-)
7 GND (tierra)
En el puerto PCI Express se conectan distintos tipos de dispositivos e interfaces: placas de video, placas de sonido, interfaces PCI Express a USB 2 y USB 3, discos rígidos SSD, etc.
Interfaz SCSI (Small Computer System Interface)
Es una interfaz estándar para la transferencia de datos entre los distintos dispositivos de la computadora. Se utiliza habitualmente en los discos rígidos, pero también interconecta una amplia gama de dispositivos incluyendo escáneres, unidades de CD-ROM, DVD y hasta impresoras. En el pasado era común en toda clase de computadoras, pero actualmente se utiliza casi con exclusividad en estaciones de trabajo de alto rendimiento, servidores y periféricos de alta gama. En las computadoras que se utilizan normalmente, se usan interfaces más lentas, como la SATA y USB (el USB emplea un conjunto de comandos SCSI para algunas operaciones). Actualmente se está usando un sistema SCSI serial (Serial Attachment SCSI -> SAS) que es la continuación de la interface SCSI paralela. Actualmente llega a 6 GB/s (SAS 600). Esta última tecnología se encuentra presente en el motherboards para servidores como el S5520 HC de Intel, que soporta dos microprocesadores Intel Xenon 5500 con 12 ranuras para memoria DDR3, 6 puertos PCI Express, 6 discos rígidos SATA y un puerto SAS 600.
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| DISCO RÍGIDO SCSI |
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| CABLE SCSI |
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| CONECTOR SCSI |
Puerto USB (Universal Serial Bus)
El bus USB fue desarrollado en los años 90. La propuesta original fue de Intel con IBM. Actualmente el foro USB agrupa a más de 680 compañías.
El USB permitió estandarizar la conexión de periféricos como: mouse, teclado, joystick, escáner, impresora, módem, tarjetas de red (alámbricas e inalámbricas), sintonizadoras de TV, discos rígidos externos, cámaras digitales, celulares, pen drives, lectoras/grabadoras de CD/DVD externas, etc.
El éxito fue total desplazando al puerto serie, al paralelo y al PS/2.
El USB posee dos tipos de conectores, A y B, y cada uno a su vez tiene 3 tamaños: normal, mini y micro.
Velocidades de transmisión.
Los dispositivos USB se clasifican en 4 tipos según su velocidad de transferencia de datos:
- Baja velocidad: 1.0 → Tasa de transferencia: hasta 1,5 Mb/s (192 KB/s). Este puerto soporta la mayor parte de los dispositivos de interfaz humana, como los teclados y los mouse.
- Velocidad completa: 1.1 → Tasa de transferencia: hasta 12 Mb/s (1,5 MB/s). Este estándar fue rápidamente superado por la especificación USB 2.0.
- Alta velocidad: 2.0 → Tasa de transferencia: 480 Mb/s (60 MB/s). Aunque por lo general se limita hasta 125 Mbps (16 MBps). El cable USB 2.0 dispone de cuatro líneas, un par para datos y otro par para alimentación.
- Súper alta velocidad: 3.0 → Tasa de transferencia: 4,80 Gbps (600 MBps). La velocidad del bus es 10 veces mas rápida que la de del USB 2.0 en octubre de 2009 la compañía taiwanesa ASUS lanzo el primera motherboard que incluía puertos USB 3.0.
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El BIOS y el arranque del sistema (booteo)
El BIOS es un programa que se encuentra almacenado en un chip (FIRMWARE: combinación entre hardware y software) en la placa madre y se ejecuta cuando se inicia la PC.
Este programa verifica y habilita todos los componentes principales, de tal manera que, luego se pueda cargar el sistema operativo. Todo este proceso se conoce como arranque de sistema (booteo).
Si ponemos arriba de una mesa el motherboard con el microprocesador y la memoria, la placa de video y la fuente, y desconectamos el monitor, el teclado, y el mouse, al encender la fuente de alimentación, “algo” pasa y estos dispositivos funcionan. ¿Cómo ocurre esto si no se conectó el disco rígido y por lo tanto no tiene sistema operativos? Evidentemente ocurre algo básico permanente y previo al sistema operativo y que no está en el disco rígido, y que hace que, apenas encendamos la fuente, haya un reconocimiento del equipo y luego cargue el sistema operativo. Esto es el BIOS (Basic Input Output System).
El BIOS es un programa al que no tiene acceso el usuario. No se puede modificar (aunque sí, actualizar, siempre que se lo necesite).
Debido a que es una función básica e inicial, el BIOS no puede estar alojado como los otros programas de la PC en un disco duro porque justamente es el que habilita a estos componentes para que funciones.
Una parte del BIOS llamada setup nos permite modificar ciertos parámetros como la ubicación de los puertos serie y paralelos y su tamaño, la fecha y hora del equipo y en qué dispositivo buscar primero el sistema operativo (disco rígido, unidad de CD-ROM, puerto USB, red, etc).
INICIO DEL SISTEMA
Para iniciar el sistema de la PC, el BIOS cumple una serie de tareas consecutivas, es decir, que solamente pasa a la siguiente tarea si la anterior está bien. Para encender la PC el primer dispositivo que funciona es el microprocesador, que busca la primera instrucción para ejecutar, como el disco duro todavía no arrancó, no hay sistema operativo cargado de donde verla, y lo hace en la dirección de memoria 0000 del bus de direcciones que se encuentra en el BIOS. En este momento comienza el inicio de la PC. Es decir, se comienza a ejecutar el programa del BIOS que hace lo siguiente:
- Revisa el setup para cargar los parámetros almacenados en él (fecha, hora, geometría del disco rígido, etc). Recordemos que el setup es el único lugar del BIOS donde el usuario puede entrar y modificar opciones de configuración básicas.
- Carga los controladores y las interrupciones asociadas a los elementos básicos (teclado, mouse, etc).
- Busca y habilita la placa de video (muchas placas cuentan con su propio controlador que se carga en ese instante y cuya información aparece en la pantalla).
- A continuación el BIOS analiza algo bastante importante: si este proceso de inicio se produce desde cero (arranque en frío) o si se trata de un reinicio o reboot (generalmente este proceso ocurre después de instalar un programa o realizar un upgrade del sistema operativo). Para esto verifica el valor de la memoria en la direccion 0472, si ese valor es 1234 se trata de un reinicio y pasa por alto la rutina POST (Power On Self Test), de lo contrario realiza todo el proceso completo lo que implica lo siguiente:
- Verifica la RAM haciendo una rápida prueba de escritura y lectura sobre cada direccion de la misma.
- Revisa los puertos USB y PS/2 en busca del teclado y el mouse.
- Revisa los conectores PCI y PCI Express en busca de las placas conectadas. Si hallara algun problema en estos elementos emitirá un mensaje por pantalla o indicará el error mediante sonidos que responden a un código.
- Si todo está bien el BIOS muestra en pantalla los detalles del componente del sistema.
- Mediante una serie de rutinas de bajo nivel establece los protocolos de comunicación con los elementos asociados (teclado, mouse, puertos, etc).
- Si lo anterior corrió bien, se inicia el ultimo paso que es la carga del sistema operativo que se conoce como booteo. El programa del BIOS le indica al microprocesador que busque el arranque del sistema operativo en el sector correspondiente del disco rígido ( esta información depende de la llamada geometria del disco rigido: cabezas, sectores, cilindros y esta guardada en el setup del BIOS). Cuando encuentra el sector de arranque carga el MBR (Master Boot Record) tras lo cual se cargan las instrucciones de mas bajo nivel que constituyen el núcleo (CORE) del sistema operativo.
- Luego carga los controladores (drivers) del resto de los diferentes elementos del hardware.
Este es el tiempo que se toma el sistema antes de mostrar su pantalla de inicio y en el que, por ejemplo, si el mouse se desconecto va a indicar que no lo tiene.
Después aparece la pantalla de inicio del sistema operativo.
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