Componentes y Arquitectura de un Ordenador

La informática es el tratamiento automático de la información. Es necesario que la información esté en formato digital. Los números en cualquier base deben pasar a base 2. Las imágenes se deben codificar como píxeles ordenados. Las ondas que transmiten los sonidos se han de codificar para poder trabajar con ellas.

Un ordenador es un dispositivo electrónico capaz de recibir y procesar datos digitales, y devolver el resultado.

Evolución de los Ordenadores

Las primeras máquinas de computación trabajaban con programas fijos. Una calculadora es un ordenador de programa fijo. Puede hacer matemáticas básicas, pero no se puede utilizar como procesador de textos o para ejecutar videojuegos. Para cambiar un programa de una máquina como estas, hay que reconectar, reestructurar, o incluso rediseñarla. Es decir, los primeros ordenadores no estaban «programados» sino «diseñados».

Arquitectura de Computadores

La arquitectura de computadores es el diseño conceptual y la estructura operacional fundamental de un sistema de computador, con especial interés en la forma en que la unidad central de proceso (CPU) trabaja internamente y accede a las direcciones de memoria. Cuando se crea un nuevo PC, se consideran sobre todo las funciones, el rendimiento y el coste.

Capas de Abstracción

• SO y aplicaciones
• Kernel
• Ensamblador
• Firmware
• Hardware

Hardware

Corresponde a todas las partes físicas y tangibles de un ordenador. Los componentes eléctricos, electrónicos, electromecánicos y mecánicos; carcasas, cajas, etc.

Firmware

Es el bloque de instrucciones de programa para un propósito específico, como la memoria ROM. Da las instrucciones al ordenador y le dice cómo trabajar con los diferentes dispositivos. Son lógicas.

Lenguaje Ensamblador (Firmware)

El lenguaje ensamblador es un lenguaje de bajo nivel. Es una representación simbólica del código binario y otras constantes necesarias para programar en una arquitectura de procesador concreta. Tiene una mnemotécnica que te permite recordar mínimamente la palabra que quiere diferenciarse de las otras. Te permiten ser capaz de traducir la operación fácilmente. Un ensamblador es un programa informático que se encarga de traducir este código fuente simbólico a lenguaje máquina.

El Núcleo (Kernel)

El núcleo es la parte fundamental de un sistema operativo. Es el software responsable de facilitar a los diversos programas acceso seguro al hardware del ordenador. Regula cuáles de las aplicaciones van primero que las otras, eligiendo procesos que están en ejecución en el ordenador. La multiplexación permite en cada momento el acceso a cada dispositivo, permite acceder a los diferentes componentes del Hardware. El sistema operativo es el software responsable de gestionar los recursos en un terminal. Es el anfitrión de las aplicaciones que el equipo está procesando.

Hardware del Hardware

Hay dos grupos, el central y periférico. El central sería todo lo que hay dentro de la caja y es la cosa fundamental, y los periféricos, son las partes que no están dentro de la caja. Los componentes que son de entrada son los que se dejan ir a ver su información, por otra parte, los componentes de salida son lo que te dan la información. Entrada – salida, proceso, transporte y almacenamiento.

Elementos Centrales del Hardware:

• Placa madre: Motherboard o Mainboard. Es un circuito impreso sobre el cual se conecta el resto de dispositivos.
• CPU: Es la unidad de proceso central, es el microprocesador principal que se encuentra montado sobre un zócalo en la placa madre. El resto de circuitos impresos llamados tarjetas (tarjeta de red, gráfica …)

Introducción a la Arquitectura Von Neumann

Von Neumann anunció por primera vez y Ecker-Mauchly desarrollaron el concepto de programa interno, que fue la base de la construcción de un ordenador electrónico. El concepto de programa almacenado cambió completamente el diseño de los ordenadores, que contendrían un conjunto de instrucciones que podían ser guardadas en una memoria. Nos permite conectar de forma permanente las distintas unidades del ordenador, coordinadas por una unidad central. Por otra parte, surgía la posibilidad de que los programas se modificaran ellos mismos durante su ejecución. La diferencia entre tener un circuito impreso y tener el orden entre los circuitos que tenemos, nos permite reordenarlos y se puede cambiar.

Cuello de Botella de Von Neumann

La separación entre la CPU y la memoria causa el problema conocido como cuello de botella, es decir, el rendimiento del procesador limitado por la tasa de transferencia de datos entre CPU y la memoria RAM.

Unidades Centrales de Proceso de la CPU:

La CPU es el cerebro del ordenador, se ocupa del control y el proceso de los datos y ejecuta las instrucciones de los programas. Está formada por:

Unidades Funcionales:

• ALU – Unidad aritmético-lógica
• CU – Unidad de control
• Memoria
• Dispositivo I / Bus de datos

Registros:

• Datos
• Estado

Ejecución de Cálculos:

• Aritmética: adición, sustracción (y quizás multiplicación y división)
• Lógica booleana: AND, OR, NOT, XOR
• Desplazamiento de bits
• Comparaciones

Componentes:

• Circuito operacional
• Registro acumulador: se guardan los resultados
• Registro de estado: bits que indican cómo ha ido la operación ejecutada
  • Y: Overflow o desbordamiento
  • Z: cero
  • N: negativo
  • P: paridad
  • C: carry flag (me llevo una)

Componentes Principales:

• Decodificador instrucción (DI): Extrae y analiza el código de operación de la instrucción que contiene el Registro de instrucciones. Saca la información de la RAM
• Reloj: Genera una serie de impulsos eléctricos separados por determinados intervalos. Marca los tiempos de ejecución de cada instrucción y el ritmo de funcionamiento del DI.
• Secuenciador: Genera órdenes que sincronizadas con el reloj hacen que una instrucción pueda pasar muchas más veces que sólo una.

Organización de un Programa:

1. Obtiene de la memoria la instrucción contigua a la dirección indicada.
2. Aumenta el contador del programa en la longitud de la instrucción.
3. Descodifica la instrucción mediante la unidad de control.
4. Obtiene los operandos.
5. Ejecuta la instrucción.
6. Vuelve al paso 1.

Memorias

• Unidad Central de Proceso (UCP / CPU)
• Registro de datos

Memoria Interna del Procesador L1 (temporal)

Almacenan datos e instrucciones: Los datos y las instrucciones deberán viajar desde la memoria principal hasta los registros del procesador. Es una memoria mucho más rápida que la memoria principal y también mucho más cara.

Memoria Principal o RAM (Random Access Memory, memoria de acceso aleatorio)

Almacena:

• Instrucciones de programa a ejecutar.
• Datos con las que trabaja el programa y que manipulará el procesador.
• Cualquier instrucción o dato primero debe estar en memoria antes de llegar a la CPU.

Casillas o posiciones de memoria: 8 bits (1 Byte). La memoria es volátil: el contenido de la memoria se pierde cuando no tiene alimentación eléctrica. Cada una de las posiciones de memoria se identifica con un número: dirección de memoria. La unidad de control diferencia las posiciones de memoria según su dirección.

Unidad de Entrada / Salida

Permite realizar el intercambio de información entre el ordenador y el mundo exterior:

• Usuarios
• Otros ordenadores
• Máquinas

Conecta el procesador con otros dispositivos.

Bus

Es el camino por donde circula la información entre las diferentes unidades.

Tipos de Buses:

• Bus de datos
• Bus de direcciones
• Bus de control

El tamaño del bus se indica según un número de bits: 16 bits, 32 bits o 64 bits.

Bus de Datos:

Permite intercambiar datos entre la CPU y el resto de unidades. Compuesto por varias líneas eléctricas. Los Pentium actuales utilizan hasta 64 bits.

Bus de Direcciones:

Transmite direcciones entre la CPU y memoria, y funciona junto con el bus de datos. Es necesario para saber las direcciones de los datos. Limita el número de bytes que puede secuenciar la RAM en cualquier momento. Si no tienes suficientes dígitos para decir una dirección, no la podemos buscar.

Bus de Control:

Controla los componentes de la CPU.

La Placa Madre

La placa madre es el circuito impreso más importante del PC.

Función

Sirve para conectar todos los elementos, y conectan dos partes principales del ordenador. Tiene el microprocesador, también insertamos la RAM, también existe la BIOS y es donde conectaremos cualquier red de expansión.

El Factor Forma

El factor forma es la medida física estándar de una placa base de un ordenador. Una placa madre puede ser cuadrada o rectangular. Sus dimensiones físicas son la anchura y la altura. La posición de los anclajes son las coordenadas donde se sitúan los tornillos. Las áreas donde se sitúan sus componentes, es decir, las ranuras de expansión, los conectores … La forma física del conector de la fuente de alimentación. Las conexiones eléctricas de fondo, es decir, los cables que necesita la placa base de la fuente de alimentación.

Estándares

• AT
• Baby AT
• ATX
• BTX
• LPX
• NLX

AT

Fue el primer estándar, lanzado al mercado en 1984. Sus medidas eran 12» ancho x 11-13» profundidad. El único periférico integrado era el teclado. Todos los puertos de E / S están cableados.

ATX

Se creó en 1995, y hoy en día es el más utilizado. Sus medidas son 305 mm x 244 mm. Tiene una mejor ubicación de los componentes y permite una buena ventilación. Los componentes se ventilan mucho mejor gracias a la nueva colocación. Los conectores para dispositivos IDE y disqueteras se encuentran más cerca reduciendo la longitud de los cables.

Elementos de la Placa Madre

• Zócalo (socket) del microprocesador (CPU).
• Zócalos (socket) de memoria (banco de memoria).
• Conjunto de chips (chipset).
• Slots de expansión.
• Conector de la alimentación.
• Puertos para los dispositivos externos que se comunican con la CPU.
• Conectores internos, para conectar el panel de conectores USB.
• Conectores en la caja y jumpers.
• La pila.

Zócalo del Microprocesador

Hay diferentes encapsulados de microprocesador, y en función del tipo de encapsulados hay diferentes zócalos o sockets. Los zócalos más comunes son:

• LIF: El chip de la CPU se insertaba a presión. Peligroso doblar algún pin del chip.
• ZIF: La ventaja es que simplifica mucho la colocación del microprocesador.
• Slot1: Fue un invento de Intel para evitar que la competencia no los copiaran.
• Slot2:

Zócalo de Memoria

Lugar donde se instala la memoria RAM. Diferente tipo de función del tipo de placa: SIMM o DIMM.

Chipset

Son los que se encargan de determinar algunas funciones al lado del procesador, es decir, ayudan al procesador y han ido cobrando importancia a medida que las cosas fueron complicadas.

Funciones del Chipset:

• Controlar los datos, instrucciones y señales de control que hay entre la CPU, la memoria y el bus.
• Gestiona la transferencia de datos entre la CPU, la memoria y los periféricos.
• Apoya al zócalo de expansión.

De la calidad y características del chipset dependerán:

• Obtener o no el máximo rendimiento del microprocesador.
• Las posibilidades de actualización del ordenador.
• El uso de ciertas tecnologías más avanzadas de memorias y periféricos.

El Puente Norte

Controla:

• ¿Cuántos microprocesadores admite la placa?
• El número de procesadores.
• ¿Qué tipo y qué velocidad puede tener?
• ¿Qué tipo de RAM, qué tecnología y cuánta puede tener?
• La velocidad del front side bus, y el factor multiplicador.

El Puente Sur

Controla:

• Los puertos y los buses
• Las funciones de administración de energía
• Sistemas de almacenamiento

Slots de Expansión

Son los conectores largos y estrechos donde se colocan las tarjetas de expansión, como la tarjeta gráfica, la tarjeta de red, etc.

Características:

• Ancho de bus: número de líneas o bien los bits del bus de datos.
• Frecuencia de reloj de bus: puede ser diferente a la del procesador.
• Velocidad de transmisión: es la velocidad máxima de transferencia de datos.

Conector de Alimentación

Se conecta la placa madre que da energía a todos los complementos del ordenador.

Conector de Entrada / Salida

Son los conectores para los periféricos externos, teclado, ratón, impresora, etc.

Conectores Internos (Buses)

Podemos encontrar conectores para: disquetes, disco duro, CD-ROM, USB, puertos serie …

BIOS

La BIOS es el sistema básico de entrada / salida. Su función es decir cómo nos comunicaremos de qué manera se hará la comunicación con los dispositivos internos. Carga el sistema operativo en la memoria principal o RAM. Controla como se pone en marcha el ordenador (donde busca el SO, donde lee). También cuenta la memoria RAM que tiene nuestro ordenador.

La Pila

La pila permite conservar la configuración del sistema que se utiliza durante la secuencia de arranque del ordenador: Sin ella, cada vez que encendiéramos, deberíamos introducir las características del disco duro, la fecha y la hora, entre parámetros importantes. Con el paso de los años pierde poco a poco esta capacidad (como todas las baterías recargables) y llega un momento en que hay que cambiarla.