Quién soy?
Es un placer tener la oportunidad de poder compartir con ustedes, estudiantes de la asignatura: Fundamentos de los Computadores. En este blog tendremos la oportunidad de profundizar en los elementos fundamentales que integran un sistema de cómputo, tanto de hardware, como de software. El componente fundamental que enlaza estos 2 componentes, hardware y software es el sistema Operativo.
Mi nombre es Guillermo R González Serrano, con Maestría en Ciencias Computacionales, Maestría en Entornos Virtuales de Aprendizaje y Post Grado en Docencia Superior. , también he cursado varios Expertos en la Fundación Planeta FATLA, relacionados con las aulas virtuales. Tengo más de 40 años de estar laborando como docente en la Universidad de Panamá. Esta será una nueva experiencia en la que aprenderemos juntos.
La visión general de este curso es orientar al estudiante a que sea capaz de identificar cada uno de los componentes que forman un computador. Así poder aplicar sus conocimientos en la vida cotidiana. Además de conocer las características de funcionamiento de cada uno de los componentes que forman una computadora, aprenderemos a identificar las fallas de cada uno de los componentes y como resolverlos. Por últimos aprenderemos como escoger los componentes más adecuados para armar nuestra propia computadora.
Qué es la Arquitectura de los Computadores?
La arquitectura de los computadores es el campo de estudio que se ocupa del
diseño, la estructura y el funcionamiento de los sistemas de computación. El
término arquitectura se refiere a los atributos del sistema que son visibles
para el programador, es decir, aquellos que afectan al desarrollo y a la
ejecución de los programas. Estos atributos incluyen el conjunto de
instrucciones, los modos de direccionamiento, los tipos de datos, el tamaño de
la memoria, los mecanismos de entrada y salida, y otros aspectos relacionados
con la interfaz entre el hardware y el software.
La arquitectura de los computadores no solo es importante para los diseñadores de hardware, sino también para los desarrolladores de software, los administradores de sistemas, los usuarios finales y los estudiantes de informática. El conocimiento de la arquitectura de los computadores permite comprender mejor el funcionamiento interno de las máquinas, así como sus ventajas y limitaciones. Además, la arquitectura de los computadores es una disciplina dinámica y en constante evolución, que se adapta a los avances tecnológicos y a las demandas de las aplicaciones.
En la asignatura Fundamentos de los Computadores se presentarán los conceptos básicos de la arquitectura de los computadores, así como algunos ejemplos de arquitecturas reales y sus características principales. Se abordarán temas como la aritmética binaria, , la unidad aritmético-lógica, el microprocesador, la memoria, los buses, los dispositivos de entrada y salida, y los sistemas de interconexión.
Veremos
temas de mucho interés para un profesional de la Informática. Aprenderemos los conceptos básicos de cada
componente que integra una Computadora Personal, conocida también como PC,
término que usaremos con mucha frecuencia a lo largo del semestre.
En este blog revisaremos los componentes básicos que constituyen la Computadora Personal PC.
La Caja
Uno de los componentes que pasa
desapercibo por la mayoría de los usuarios es la caja. La caja es la estructura metálica o
plástica, cuya función consiste en albergar y proteger los
componentes, unidad central de procesamiento (CPU), la memoria
de acceso aleatorio (RAM), la placa madre, la fuente de
alimentación, las tarjetas de expansión y los dispositivos o
unidades de almacenamiento: disquetera, unidad de estado
sólido (SSD), unidad de disco
duro (HDD), unidad de disco óptico (lectora o grabadora
de: CD, DVD, BD).
Las cajas
generalmente están fabricadas en metal, plástico o acrílico. Algunas cajas
especialmente las fabricadas en metal tienen bordes afilados en su parte
interior, por lo que deben ser cuidadosos en su manipulación, muchos técnicos
se han lastimado las manos tratando de instalar un nuevo componente. Los bordes
afilados pueden ser cubiertos con cinta protectora para evitar cortaduras en
las manos.
Tipos más comunes de cajas de computadoras
El tamaño de las cajas viene dado en gran parte por
el factor de forma de la tarjeta madre. Sin embargo, el factor
de forma sólo especifica una porción del tamaño interno de la caja.
· Barebone: torres de pequeño
tamaño cuya función principal es la de ocupar menor espacio y crea un diseño
más agradable. Los barebones tienen el problema de que la
expansión se dificulta, debido a que admite pocos dispositivos adicionales o
ninguno. Otro punto en contra es el calentamiento, debido a su reducido tamaño.
·
Minitorre: dispone de una o dos bahías de 5¼" y dos o
tres bahías de 3½". Dependiendo de la placa base se pueden colocar
varias tarjetas de expansión. No suelen tener problema con los puertos USB, y se venden bastantes
modelos de este tipo de torre, porque es pequeña y a su vez puede
expandirse. Su calentamiento es normal y no tiene el problema de los barebones.
· Sobremesa: se diferencian por ser un poco de menor tamaño
que las Mini torres, su uso está en aumento. Lo más común es colocarla encima
del escritorio, ya que de esta forma no recoge tanta suciedad, el monitor se
suele situar sobre la caja o a su lado.
· Semitorre: aumenta su tamaño para poder colocar más
dispositivos. Normalmente son de cuatro bahías de 5¼" y cuatro
de 3½" y mucho espacio para poder colocar tarjetas y demás accesorios,
aunque esto depende siempre de la placa base.
· Torre: es el formato más grande. Puede albergar una gran
cantidad de dispositivos, es recomendada cuando el tamaño de las tarjetas y su
cantidad así lo exige.
· Integrado a la pantalla: el nombre más comercial de éstos es Todo-En-Uno (All
in One). Se trata de una extensión de espacio en la estructura de
una pantalla LCD, en la cual se alojan los diversos dispositivos
funcionales del equipo de cómputo: placa base, disco duro, unidad de disco
óptica, fuente de alimentación, ventiladores internos, etc. Es un diseño que
ahorra mucho espacio, que hace uso de tecnología similar a la de computadoras
portátiles, por lo que el precio es más elevado y su expansión se
limita considerablemente.
Distribución
Normalmente, la caja contiene secciones para las fuentes
de alimentación y bahías de unidades. En el panel trasero se pueden
localizar los conectores para los periféricos procedentes de
la tarjeta madre y de las tarjetas de expansión. En el panel frontal se
ubican, en muchos casos, botones de encendido y los LED que indican el estado
de encendido de la máquina, el uso del disco duro y la actividad de
la red de computadoras.
En los nuevos gabinetes hay paneles en los que se
pueden conectar dispositivos más modernos, como USB, Firewire, auriculares,
micrófonos y lectores de tarjetas de memorias flash. También pueden disponer de
pequeñas pantallas LCD que indican la velocidad del microprocesador, su temperatura, la hora del sistema, etc. Todos
estos dispositivos han de conectarse a la placa base para obtener la
información.
Componentes mayores
La placa base suelen estar atornilladas
al fondo o a un lado de la parte interna del gabinete, dependiendo
del factor de forma y la orientación.
Algunos formatos, como el ATX, vienen con ranuras que
hay que destapar para colocar los dispositivos de entrada/salida que vienen
integrados en la placa base para los
periféricos, así como ranuras para las tarjetas de expansión. Las fuentes de alimentación suelen
estar colocadas en la parte superior trasera, sujetada con tornillos; aunque
las torres y semitorres de gamas media y alta las ubican en la parte de abajo
para mejorar el flujo del aire en la caja.
En el panel frontal los formatos como ATX disponen de bahías
de 5¼ pulgadas (utilizadas por
ejemplo por las unidades de discos ópticos) y de 3½ pulgadas (utilizadas por ejemplo
por las disqueteras, discos duros o lectores de tarjetas).
Los dispositivos de entrada/salida opcionales suelen
estar en la parte frontal abajo, en el mismo lugar donde se ubican los LEDs.
Acceso interior
Las cajas de PC más modernas tienen un único panel
(tapa) desmontable que está fijado con tornillos a la carcasa y que
al ser retirados permiten acceder fácilmente a la tarjeta madre, las
tarjetas de expansión y los dispositivos de almacenamiento. En las cajas
más antiguas (y algunas de las actuales), para poder instalar o quitar las unidades
de disco, se tenían que desmontar las dos tapas laterales, retirando múltiples
tornillos, lo que hacía algo más laborioso acceder al interior. Hoy en día
existen carcasas en las que se puede operar sin herramientas (tool-free), que
facilitan la manipulación de la caja, interior y exteriormente.
Factor de Forma (Form Factor) de la Tarjeta Madre
Con los años, se han ido imponiendo
nuevas normas.
XT
1983: XT (sigla
en inglés de eXtended Technology, «tecnología extendida») es el
formato de la placa base de la computadora IBM PC XT (modelo 5160),
lanzado en 1983. En este factor de forma se definió un tamaño exactamente igual
al de una hoja A4 y un único conector externo para el teclado.
AT
1984: AT (Advanced
Technology, «tecnología avanzada») es uno de los formatos más grandes de
toda la historia de la PC (305×279–330 mm), definió un conector de
potencia formado por dos partes. Fue usado de manera extensa de 1985 a 1995.
ATX
1995: ATX (Advanced
Technology eXtended, «tecnología avanzada extendida») Utiliza las
conexiones exteriores en forma de un panel de E/S y definió un conector de 24
pines para la energía. Se usa en la actualidad en forma de algunas variantes,
que incluyen conectores de energía extra
ITX
2001: ITX (Information
Technology eXtended, «tecnología de información extendida»), con rasgos
procedentes de las especificaciones microATX y FlexATX de Intel, el diseño
de VIA se centra en la integración en placa base del mayor número
posible de componentes, además de la inclusión del hardware gráfico en el
propio chipset del equipo, siendo innecesaria la instalación de una tarjeta
gráfica en la ranura AGP.
BTX
2004: BTX (Balanced
Technology eXtended, «tecnología balanceada extendida») fue retirada en muy
poco tiempo por la falta de aceptación, resultó prácticamente incompatible con
ATX, salvo en la fuente de alimentación. Fue creada para intentar solventar los
problemas de ruido y refrigeración, como evolución de la ATX.
DTX
2007: DTX eran destinadas a las PC de pequeño formato. Hacen uso de un conector
de energía
de 24 pines y de un conector adicional de 2x2.
Formatos privativos
Durante
la existencia de la PC, muchas marcas han intentado mantener un esquema cerrado
de hardware, denominado privativo, fabricando placas base con factores de
forma exclusivo del fabricante, e incompatibles físicamente con los estándares
disponibles comúnmente. Entre las marcas
más persistentes está Dell y Hewlett Packard, que rara vez fabrica equipos
diseñados con factores de forma de la industria.
Video Recomendado: Cómo elegir una caja
La
Tarjeta Madre
En esta sección veremos un componente muy importante, que es fundamental en el funcionamiento de la PC, la tarjeta madre, sus principales componentes y características.
La tarjeta madre, también conocida
como, placa base, placa madre o placa principal (motherboard o mainboard en
inglés), es una tarjeta de circuito impreso a la que se conectan los
componentes que constituyen la computadora.
Es una parte fundamental para montar algún
dispositivo a cualquier computadora personal de escritorio o portátil.
Tiene instalados una serie de circuitos integrados, entre los que se
encuentran el circuito integrado auxiliar (chipset),
que sirve como centro de conexión entre el microprocesador (CPU),
la memoria de acceso aleatorio (RAM), las ranuras de
expansión y otros dispositivos.
Está instalada dentro de una caja, tiene un
panel para conectar dispositivos externos y muchos conectores internos y
zócalos para instalar los componentes internos.
La tarjeta madre, además incluye un firmware llamado BIOS,
que le permite realizar las funciones básicas, como: pruebas de los
dispositivos, vídeo, manejo del teclado, reconocimiento de dispositivos y
carga del sistema operativo.
Componentes de
la tarjeta madre
Una tarjeta
madre típica admite los siguientes componentes:
·
Conectores de alimentación de energía eléctrica.
·
Zócalo del CPU.
·
Ranuras de RAM.
·
Chipset.
Otros componentes importantes:
- Reloj interno: regula la velocidad de ejecución de las instrucciones del microprocesador y de los periféricos internos.
- CMOS: Es una pequeña memoria que preserva cierta información importante (como la configuración del equipo, fecha y hora), mientras el equipo está desconectado de la red eléctrica.
- Batería del CMOS: proporciona la energía necesaria para operar el circuito constantemente y que este último al apagarse pierda la serie de configuraciones guardadas, como la fecha, hora, dispositivos presentes en el sistema y la secuencia de arranque.
- BIOS: es un programa registrado en una memoria no volátil (antiguamente en memorias ROM, pero desde hace tiempo se emplean memorias flash). Este programa es específico de la tarjeta madre y se encarga de la interfaz de bajo nivel entre el microprocesador y algunos periféricos. Recupera, y después ejecuta, las instrucciones del registro de arranque principal (Master Boot Record, MBR), o registradas en un disco duro o un dispositivo de estado sólido, cuando arranca el sistema operativo. En la actualidad, las computadoras modernas sustituyen el MBR por la tabla de particiones GUID (GPT) y el BIOS por Interfaz de Firmware Extensible Unificada (UEFI).
- Bus frontal o bus delantero (Front-Side Bus o FSB): también llamado “bus interno”, conecta el microprocesador al chipset. Está cayendo en desuso frente a HyperTransport y Quickpath.
- El bus de memoria conecta el chipset a la memoria temporal.
- El bus de expansión (también llamado bus de E/S): une el microprocesador a los conectores de entrada/salida y a las ranuras de expansión.
- Los conectores de entrada/salida que cumplen normalmente con la norma PC 99; estos conectores incluyen:
- El puerto serial, para conectar dispositivos antiguos.
- El puerto paralelo, para la conexión de impresoras antiguas.
- Los puertos PS/2 para conectar teclado y ratón; estas interfaces tienden a ser sustituidas por USB.
- Los puertos USB (en inglés Universal Serial Bus), por ejemplo, para conectar diferentes periféricos, como, por ejemplo: mouse, teclado, memoria USB, teléfonos inteligentes, impresoras.
- Los conectores RJ-45, para conectarse a una red informática.
- Los conectores VGA, DVI, HDMI o Display Port para la conexión del monitor de computadora o proyector de vídeo.
- Los conectores IDE o Serial ATA, para conectar dispositivos de almacenamiento, tales como discos duros (HDD), dispositivos de estado sólido (SSD) y unidades de disco óptico.
- Los conectores jacks de audio, para conectar dispositivos de audio, por ejemplo: altavoces y auriculares (código de color: verde), y micrófonos (código de color: rosado).
Ranuras de la
memoria RAM
Las tarjetas
madre constan de ranuras (slots) de memoria RAM, tienen de 2 a 8
ranuras en una misma placa base común.
En ellas se
insertan dichas memorias del tipo conveniente dependiendo de la velocidad,
capacidad y fabricante requeridos según la compatibilidad de cada placa base y
la CPU.
Tipos de buses
y ranuras de expansión.
Una ranura (slot en inglés), también
llamada ranura de expansión es un elemento de conexión de la tarjeta
madre de un computador, que permite conectar a aquella
una tarjeta adaptadora adicional, o de expansión, la cual suele
realizar funciones de control de dispositivos
periféricos adicionales, tales,
como monitores, impresoras o unidades de disco, entre
muchos otros. Estas tarjetas se
utilizan para agregar características adicionales o aumentar el rendimiento de
la computadora; por ejemplo, se puede añadir una tarjeta gráfica adicional
para mejorar el rendimiento 3D). Estos
puertos adicionales pueden ser:
o ISA (Industry Standard Architecture)
interfaz antigua,
o
PCI (Peripheral Component Interconnect),
o AGP (Accelerated Graphics Port) y,
o
PCIe o PCI-Express, son los más recientes.
Las ranuras de expansión del mismo tipo están
conectadas eléctricamente entre sí. En la mayoría de los casos son conectores
largos y estrechos soldados a la tarjeta madre en una posición
específica, de modo que, al insertar una tarjeta de expansión compatible, esta
se ajusta de manera apropiada para que coincida con la posición de una bahía de
la caja en la que se aloja y así exponer los puertos de conexión al usuario
para conectar los dispositivos externos.
Tipos
de bus
Los buses son
espacios físicos que permiten el transporte de información, energía y señales
de control entre dos puntos de la computadora.
Los buses
generales son cinco:
·
Bus de datos
Los buses de datos son las líneas de comunicación por donde circulan los
datos externos e internos del microprocesador.
·
Bus de dirección
El bus de dirección es la línea de comunicación por donde viaja la
información específica sobre la localización de la dirección de memoria del
dato o dispositivo al que se hace referencia.
·
Bus de control
El bus de control es la línea de comunicación por donde se controla el
intercambio de información con un módulo de la unidad central y los
periféricos.
·
Bus de expansión
Los buses de expansión son el conjunto de líneas de comunicación encargado
de llevar el bus de datos, el bus de dirección y el de control a la tarjeta de
interfaz (entrada, salida) que se agrega a la placa principal.
·
Bus del sistema
Todos los componentes de la placa base se vinculan a través del bus del
sistema, mediante distintos tipos de datos del microprocesador y de la memoria
principal, que también involucra a la memoria caché de nivel 2. La velocidad de
transferencia del bus de sistema está determinada por la frecuencia del bus y
el ancho.
El Procesador
El
procesador es el cerebro del sistema, justamente procesa todo lo que ocurre en la PC y ejecuta
todas las acciones que existen. Cuanto más rápido sea el
procesador que tiene una computadora, más rápidamente se ejecutarán las órdenes
que se le den a la máquina. Este componente es parte del hardware de
muchos dispositivos, no solo de nuestra computadora.
El procesador es una
pastilla de silicio que va colocada en el socket sobre la placa madre
dentro del gabinete de la computadora de escritorio, la diferencia en una
portátil es que está directamente soldado. El procesador está cubierto de algo
que llamamos encapsulado, y de lo cual existen 3 tipos: PGA, LGA y BGA.
El procesador es uno de los componentes de la computadora
que más ha evolucionado, dado a que se les exige a los ingenieros que cada vez
ofrezcan mejores procesadores, para que las computadoras funcionen más rápidas
y de forma más eficaz. Su evolución no ha sido solo interna, sino que también
su forma externa fue modificada. Los
fabricantes de procesadores de PC más populares son Intel y AMD.
Este componente es uno de los más importante, y
generalmente el más costoso, pero en ausencia del resto de los componentes el
computador no funcionaría:
Los componentes de la CPU son:
·
Unidad
Aritmética y Lógica (ALU):
realiza
operaciones aritméticas y lógicas.
· Unidad
de control (CU):
dirige el tráfico de información entre los registros de la CPU y conecta con la
ALU las instrucciones extraídas de la memoria.
· Registros
internos: no accesibles
(de instrucción, de bus de datos y bus de dirección) y accesibles de uso
específico (contador programa, puntero pila, acumulador, flags, etc.) o de uso
general.
·
Núcleos: Nos
permiten tener «varias CPUs en sólo chip físico», al multiplicar determinadas
partes lógicas del procesador, para así conseguir un paralelismo en
la ejecución que es imposible en un sistema Mononúcleo.
· Memoria
de caché: es una memoria interna del procesador que
va inserta en él, no puede ser sustituida, cambiada ni ampliada, es un recurso
del propio procesador o CPU.
Funcionamiento de un Procesador
El procesador se encarga de que todo
marche como está programado.
El funcionamiento del procesador está determinado por un reloj que
sincroniza todos los bloques funcionales y se encarga de que
todo marche como debe ser o está programado para ser.
El funcionamiento
tiene etapas:
- Leer la
instrucción de la memoria
- Buscar
los datos
- Realizar
la operación
- Pasar a
la siguiente instrucción
Procesador /
Socket del CPU
La unidad central de procesamiento (conocida
por las siglas CPU, del inglés Central Processing Unit)
o procesador es el hardware dentro de
un computador, teléfonos inteligentes y otros dispositivos programables.
Su trabajo es interpretar
las instrucciones de un programa informático mediante la
realización de las operaciones básicas aritméticas, lógicas y externas
(provenientes de la unidad de entrada/salida). Su diseño y avance ha variado
notablemente desde su creación, aumentando su eficiencia y potencia, y
reduciendo aspectos como el consumo de energía y el costo.
Una computadora puede contener más de una CPU
(multiprocesamiento). En la actualidad, los microprocesadores están
constituidos por un único circuito integrado (chip) aunque
existen los procesadores multinúcleo (varias CPU en un solo circuito
integrado). Un circuito integrado que contiene una CPU también puede contener
los dispositivos periféricos, y otros componentes de un sistema informático;
similar a un microcontrolador (menos potente en RAM) se le
denomina sistema en un chip (System on Chip SoC).
El zócalo
de CPU (socket en inglés) es un tipo de zócalo
electrónico (sistema electromecánico de soporte y conexión eléctrica)
instalado en la tarjeta madre, que se usa para fijar y conectar
el microprocesador, sin soldarlo lo cual permite ser extraído después. Por
ello, se utiliza en equipos de arquitectura abierta, donde se busca que haya
modularidad en la variedad de componentes, permitiendo el cambio de la tarjeta
o el integrado.
Existen
variantes desde 40 conexiones para integrados pequeños, hasta más de 1300 para
microprocesadores, los mecanismos de retención del integrado y de conexión
dependen de cada tipo de zócalo, aunque en la actualidad predomina el uso de
zócalo con pines ZIF (Zero Insertion Force) o LGA (Land
Grid Array) con contactos. También hay otros dos tipos de socket como el PGA
(Pin Grid Array) y BGA (Ball Grid Array). De parte de
Intel son muy pocos los sockets de tipo PGA, pero por parte de AMD es
totalmente lo contrario y BGA es muy común en laptops o Netbooks que
no comparten los mismos socket que los computadores de escritorio.
Tipos de
encapsulado usados en zócalos para chips
· PGA (Pin Grid Array, matriz de rejilla de pines): la conexión
se realiza mediante pequeños pines metálicos repartidos al largo de la CPU.
Estos pines encajan en los orificios del zócalo con el mismo diámetro de los
pines.
·
BGA (Ball Grid Array, matriz de rejilla de bolas): la conexión
se realiza mediante pequeños pines en forma circular colocados en el zócalo,
estas conexiones encajan a los orificios de la CPU y se fijan soldándolos.
· LGA (Land Grid Array, matriz de contactos en rejilla): la
conexión se realiza mediante superficies de contacto que encajan entre las de
la CPU y las del zócalo.
Memorias de
cache interna y externas
La memoria de caché o memoria de
acceso rápido a uno de los recursos con los que cuenta una CPU (Central Processing Unit),
para almacenar temporalmente los datos recientemente procesados en un búfer
especial, o memoria auxiliar.
La memoria de caché opera de modo similar
a la Memoria Principal del CPU, pero con mayor velocidad a pesar de ser de
mucho menor tamaño. Su eficacia provee al microprocesador de tiempo
extra para acceder a los datos más frecuentemente utilizados.
Así, esta memoria alterna se sitúa entre el CPU
y la Memoria RAM, y provee de un empuje adicional en tiempo y ahorro de
recursos al sistema. De allí su nombre, que en inglés significa “escondite”.
¿Cómo funciona la memoria caché?
El
funcionamiento de esta memoria alterna es simple: cuando accedemos a un dato cualquiera
en nuestro sistema computarizado, se crea de inmediato una copia de los datos
más relevantes del mismo en la memoria caché, de modo que los accesos
siguientes a dicha información la tengan a mano y no deba rastrearla hacia su
lugar de origen.
Así, accediendo a la copia y no al original, se
ahorra tiempo de procesamiento y por ende aumenta su velocidad, ya que el
microprocesador no debe acudir todo el tiempo a la memoria principal. Se trata,
digámoslo así, de una copia de trabajo constantemente actualizada de los
datos de más frecuente utilización.
Video recomendado: La Batalla del Chip
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