Hardware de Procesamiento de Datos (I)

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Tema
8
Hardware de Procesamiento de Datos (I)
Para ver los principales aspectos del hardware, el tema se tratará en cuatro partes: La
primera hará hincapié en los aspectos funcionales de los componentes que intervienen
activamente en el procesamiento, tales como la CPU y la memoria principal.
La segunda parte, en forma muy simplificada, pretende ubicar esos componentes en una
computadora tipo PC.
La tercera describe brevemente las características de los distintos periféricos que se utilizan
para el ingreso de los datos y la salida de información de la computadora.
En la cuarta, se describen las distintas tecnologías utilizadas para el almacenamiento de los
datos y la descripción de los principales dispositivos de almacenamiento.
Parte 1: Hardware de procesamiento de datos.
Parte 2: Composición básica de una computadora.
Parte 3: Dispositivos de Entrada Salida.
Parte 4: Dispositivos de almacenamiento secundario
Parte 1. Hardware de procesamiento de datos
El objetivo de este tema es entender la forma en que la computadora procesa los datos.
Para ello se realizará primero una descripción general del hardware y de los bloques
funcionales que lo componen, para luego tratar más específicamente los componentes
fundamentales en el procesamiento de datos: la unidad central de procesamiento (CPU) y la
memoria.
1. Qué es el Hardware?
El hardware de una computadora es la totalidad física, conformada por todos los
componentes de su equipamiento: circuitos electrónicos (microcircuitos contenidos en
“chips”), plaquetas que los soportan, cables o caminos conductores (buses) que los
interconectan, mecanismos, discos, motores, cintas, gabinetes, pantallas, teclas, etc.
1.1. Bloques funcionales del hardware
En el procesamiento de datos, realizado en cualquier computadora, se realizan los
siguientes procesos:
ENTRADA
MEMORIZACION
PROCESAMIENTO
SALIDA
Cada uno de estos procesos los realizan los bloques funcionales: periféricos de entrada,
memoria, unidad central de proceso, periféricos de salida. Los bloques se comunican
eléctricamente entre sí, a través de caminos formados por un conjunto de cables o líneas
conductoras que constituyen un “bus”.
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ENTRADA
MEMORIZACIÓN
Tema
PROCESAMIENTO
bus
I
Unidad de
disco
I
Unidad de
disquete
I
Módem
I
Instrucciones
Porción
central
Instrucciones
I
Teclado
I
Datos
Datos
Scanner
I
Registros
Unidad
de
control
RI
Instr.
AX
Datos
Resultados
Memoria
principal
CD-ROM
SALIDA
bus
Instrucciones
Mouse
UAL
Unidad central de
proceso (UCP)
Resultados
Periféricos de
entrada
8
I
Monitor
con
pantalla
I
Unidad de
disco
I
Unidad de
disquete
I
Impresora
I
Parlante
I
Módem
I
Plotter
bus
Periféricos de
salida
En el gráfico se muestra como se relacionan los bloques funcionales. A los fines didácticos,
aparecen repetidos dispositivos que pueden actuar tanto para la entrada como para la salida
de datos (ej. Unidades de disco y disquete).
En líneas generales, en la figura mostrada, se supone que un disco de la unidad de disco
rígido provee un programa cuyas instrucciones pasarán a través de buses a la memoria y
los datos, llegan, -también a través de buses- a la memoria, provenientes del teclado.
Luego las instrucciones del programa son ejecutadas, una por vez, para lo cual primero
cada una por un bus llega al registro de instrucción (RI) de la U.C.P., donde permanece
mientras se ejecuta, para que la Unidad de Control interprete que operación ordena.
A continuación, a través del mismo bus, el dato a operar por dicha instrucción llega desde la
memoria a un registro acumulador (AX) del procesador, antes de ser operado (conforme
a la operación ordenada) en la ALU, a fin de obtener un resultado. Este puede sustituir en el
registro AX al dato ya operado, y luego, pasar a la memoria -nuevamente a través del bus
citado- si una instrucción así lo ordena. Una vez que el resultado esté en la memoria, la
instrucción siguiente podría ser visualizarlo en la pantalla, guardarlo en un disquete, etc.
Los dispositivos que se encargan de entrar desde el exterior datos e instrucciones hacia la
computadora, o dar salida de resultados de la computadora al exterior, se denominan
periféricos o unidades de entrada salida. Su función principal es convertir datos
externos en internos en las operaciones de entrada, o a la inversa en las operaciones de
salida. De estos bloques funcionales, trataremos en los próximos temas.
Un periférico no se conecta directamente al procesador central, sino por medio de
una Interfaz circuital, indicada con la letra I en el gráfico inicial, que en una PC en general,
está contenida en una tarjeta que se inserta en un zócalo apropiado de la placa madre.
La UC no gobierna directamente a los periféricos mediante líneas que llegan a ellos, sino
que la CPU ejecuta un subprograma preparado para cada periférico (drivers o
controladores), merced al cual desde la CPU llega a la interfaz del periférico cada
comando que ordena a la electrónica de éste qué debe hacer.
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Distintos circuitos de un computador se comunican entre sí mediante un conjunto de
líneas, cables, conductores, que los interconectan eléctricamente, los cuales configuran una
estructura de conexión. Estas comunicaciones se denominan bus.
En general, en un bus encontramos líneas para la transmisión de datos, direcciones y
señales de control, denominados respectivamente bus de datos, bus de direcciones y
bus de control. Se describen más adelante las características de los dos primeros.
1.2. Resumen del funcionamiento básico de una computadora
1. Los datos y las instrucciones del programa deben llegar a la memoria principal (MP)
desde periféricos. Cada instrucción está codificada mediante una combinación de unos y
ceros, esta codificación consta de dos partes: una es el código de instrucción que
indica que hará la computadora, la otra parte contiene las direcciones de memoria
donde se hallan el o los datos que se operarán en esta instrucción.
2. La UC localiza en MP la instrucción que debe ser ejecutada, para que su código llegue a
la CPU, donde la UC determinará qué ordena ese código.
3. La instrucción es interpretada o “decodificada” por la UC, luego de lo cuál la UC ordena
encaminar los datos hacia la UAL, indicando la operación que debe realizar o a los
periféricos si la instrucción es de entrada/salida. La instrucción codificada permite
localizar los datos que operará, la operación concreta a realizarse, donde se guardará el
resultado y donde se localiza la próxima instrucción en MP. La UC cumplimenta todo lo
especificado en la instrucción.
4. Se vuelve al paso 2.
2. Unidad Central de Proceso (CPU)
Se denomina Unidad Central de Proceso al conjunto formado por:
•
La Unidad de Control
•
La Unidad Aritmética Lógica
•
Los registros usados durante la ejecución de cada instrucción.
La CPU es el “cerebro” de la computadora, el lugar donde se lleva a cabo la ejecución de las
instrucciones. En los sistemas de computación más grandes, por ejemplo, las
supercomputadoras y los mainframes, las tareas de procesamiento pueden controlarse por
múltiples chips de procesamiento.
El microprocesador
En una microcomputadora, la CPU está contenida en el chip microprocesador (por
ejemplo, el 80386/80486/Pentium, 68000, PowerPC, Pentium IV, AMD Athlon, etc.).
Los términos CPU, microprocesador y procesador, suelen ser sinónimos.
Ejemplo de microprocesador: Intel Pentium III
Elementos principales del microprocesador
Hay muchos tipos de microprocesadores pero una CPU típica consta, entre otros, de los
elementos que se aprecian en la figura siguiente, donde el generador de pulsos de reloj
suele alojarse en el chipset externo de la placa base.
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Generador de pulsos
de reloj (Mhz)
Coprocesador matemático
Registros
UC
Caché
de
Nivel
2
Unidad de
Control
RI
Decodifi
cador
ALU
Secuen
ciador
Caché de nivel 1
RM
DM
Datos e instrucciones
Direcciones
MEMORIA PRINCIPAL
Tipos de microprocesadores
Todo microprocesador entiende un determinado conjunto de instrucciones que son
específicas de cada modelo. A grandes rasgos se puede hacer una clasificación general de
los procesadores atendiendo al tipo de instrucciones que manejan:
a) Procesadores CISC (Complex Instruction Set Computer – Computación de
conjunto complejo de instrucciones): Procesador con un conjunto de
instrucciones complejo. Cada procesador contiene un gran número de instrucciones
que realizan operaciones completas. Por este motivo el decodificador y el
secuenciador tienen un carácter complejo: manipulan multitud de instrucciones,
algunas con muchas etapas diferentes.
b) RISC (Reduced Instruction Set Computer – Computación de conjunto
reducido de instrucciones): Procesador con un conjunto reducido de instrucciones
que, además, son de carácter básico. Cuando necesita realizar tareas complejas las
ejecuta mediante un conjunto de operaciones básicas. Como el decodificador y el
secuenciador se simplifican y en realidad las instrucciones complejas se utilizan muy
poco, este tipo de procesador es más rápido y más potente que el CISC.
En el grupo de procesadores CISC están todos aquellos de carácter general,
fundamentalmente los dedicados al uso doméstico (PCs y Macintosh), quedando los más
avanzados y especializados (estaciones de trabajo, servidores y mainframes) para el grupo
de ordenadores RISC.
2.1. Unidad de Control (UC)
La Unidad de Control es el centro lógico de la computadora. Puede considerarse como un
policía de tránsito dirigiendo el flujo de datos a través de la CPU, además del flujo hacia
otros dispositivos y desde ellos. Es un circuito especializado, cuya función es obtener de la
memoria las instrucciones del programa y ejecutarlas. Estas acciones forman parte de una
secuencia siempre repetitiva:
•
Obtener de la memoria la próxima instrucción que corresponde ejecutar,
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•
Localizar los datos a operar en la memoria, en un AX u otro registro, según se indique.
•
Ordenar al circuito de la UAL que realice con dichos datos, la operación indicada, o a los
canales correspondientes, si la instrucción es de entrada o salida de datos.
•
Guardar el resultado en un registro acumulador o en la memoria principal.
Por lo tanto: La UC tiene a su cargo el secuenciamiento de las acciones necesarias que
deben realizar los circuitos involucrados en la ejecución de cada instrucción, según el
código de la misma; respetando el orden de ejecución de las instrucciones establecido en el
programa.
Se denomina conjunto de instrucciones a todas las operaciones que la CPU puede
ejecutar. Este conjunto de instrucciones está integrado en la Unidad de Control. Cada
instrucción del conjunto de instrucciones está expresada en microcódigo: instrucciones
básicas que le dicen a la CPU la forma en que debe ejecutar las operaciones más
complejas.
La UC ordenará mediante señales eléctricas transmitidas por canales o cables, las
operaciones (aritméticas o lógicas) que debe realizar la Unidad Aritmética Lógica (UAL).
2.2. Unidad Aritmético Lógica (UAL)
Debido a que todos los datos en la computadora están almacenados como números (tener
presente los códigos de representación de datos del Tema 2) gran parte del procesamiento
involucra la comparación de números ó la realización de operaciones aritméticas. Por lo
tanto, la UAL sirve para realizar las operaciones aritméticas o lógicas que le ordene la UC,
siendo auxiliada por registros acumuladores para guardar transitoriamente datos y
resultados.
Estos registros, son ubicaciones de memoria de alta velocidad que están directamente
integradas en la CPU y se utilizan para almacenar datos que se están procesando en ese
momento. Se puede considerar a los registros como bloc de notas. Por ejemplo, la UC
puede cargar 2 números de la memoria en los registros y luego decirle a la UAL que sume
los 2 números (operación aritmética) ó que los compare para comprobar si son iguales
(operación lógica). La respuesta a este cálculo se almacenará en otro registro antes de ser
enviado a la CPU.
2.2.1. Longitud de palabra
Se denomina palabra al conjunto de bits que forma un dato con los que opera la ALU y
coincide, en general, con el número de bits de los registros del procesador. La longitud de
palabra es el número de bits que la forman, las longitudes actuales son de 32 y 64 bits.
2.2.2. Ciclo de máquina
Cada vez que la CPU ejecuta una instrucción, realiza una serie de pasos. La serie completa
de pasos se denomina ciclo de máquina. Un ciclo de máquina consta de un ciclo de
instrucción y un ciclo de ejecución. El primero recupera los datos y decodifica las
instrucciones, el segundo ejecuta las microinstrucciones.
Ciclo de máquina
El ciclo de instrucción comprende los siguientes pasos:
1. Recuperación o lectura: La UC recupera de la
memoria el dato o comando a ser operado.
Ciclo de instrucción
Ciclo de ejecución
2. Decodificación: La UC separa (o decodifica) el
comando en instrucciones que corresponden a aquellas
que pertenecen al conjunto de instrucciones de la CPU.
1. Ejecutar: La Cpu ejecuta las instrucciones en orden
al convertirlas a microcódigo.
2. Almacenar: Almacena los
instrucción, si fuera necesario.
resultados
de
la
A pesar de que el proceso es complejo, la computadora lo realiza a gran velocidad,
traduciendo millones de instrucciones por segundo. De hecho, el desempeño de la CPU se
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mide en millones de instrucciones por segundo (MIPS). Los microprocesadores
modernos se pueden medir en billones de instrucciones por segundo (BIPS).
3. Memoria principal
La etapa de memorización en el proceso de datos, la realiza la memoria principal, central o
interna. Almacena datos, instrucciones y los resultados del proceso en circuitos electrónicos
ó chips ubicados en la placa madre.
La memoria principal (MP) almacena las instrucciones de programas que próximamente
serán ejecutas en la CPU, y los datos que ellas ordenan procesar (operar); así como
resultados intermedios y finales de las operaciones realizadas en la CPU.
Es decir, los datos que se procesan y el programa que se ejecuta para dicho proceso deben
estar en la memoria principal. Cada programa comparte la MP con sus datos, pero las
instrucciones están en una zona y los datos en otra. Esta información queda almacenada
temporalmente mientras se opera con ella; pudiendo luego ser reemplazada por otro
programa y sus datos correspondientes.
No debe confundirse la memoria principal, que es interna y está colocada en la placa madre,
con la memoria de almacenamiento masivo (discos rígidos, disquetes, CD-ROM) que
son externos. Tienen gran relación puesto que todos los programas y datos son
almacenados en los discos y pasan después a la memoria donde serán manipulados
adecuadamente por la CPU, tal como se ve en la siguiente figura:
Disco
Datos e
instruccion
Datos e
instruccion
CPU
Memoria
Principal
Esquema de carga de un programa a partir de su ubicación en disco
3.1. Tipos de memoria
Existen dos tipos de memoria integrada, en función de la permanencia de los datos: Cuando
los chips de memoria retienen los datos aún cuando se apaga la computadora, decimos que
es una memoria no volátil. Otros chips pierden su contenido cuando se suspende el
suministro de energía eléctrica, este tipo de memoria se denomina volátil. En la figura
siguiente se muestra la disposición de estos chips en la placa madre:
3.1.1. Memoria no volátil (ROM)
Los chips de memoria no volátil mantienen los
datos
aun
cuando
se
desconecte
la
computadora. Los datos se colocan es los
chips durante el proceso de fabricación.
Durante su uso normal, los datos de estos
chips sólo se leen y utilizan (no se modifican)
por lo que esta se memoria se conoce
también como memoria de sólo lectura ó ROM
(read only memory ). Específicamente, los
chips que no pueden modificarse se conocen
como memoria programable de sólo lectura ó PROM (por sus siglas en inglés). Los chips
PROM se utilizan generalmente en las unidades de disco duro ó en las impresoras.
Contienen las instrucciones que hacen funcionar a los dispositivos.
Cuando una computadora se enciende necesita saber por donde empezar. Las instrucciones
de inicio están contenidas en una memoria ROM, denominada BIOS (Basic Input Oputput
system ó Sistema Básico de Entrada Salida). Este chip contiene la información necesaria
para realizar determinadas tareas rutinarias de bajo nivel:
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a) Arrancar el ordenador. Para hacer esto se utiliza un pequeño programa de arranque que
se pasa de la ROM a la memoria principal (RAM) y desde aquí se ejecuta.
b) Ejecutar el programa de configuración de la placa madre y sus componentes principales.
Este programa se denomina SETUP y es accedido mediante algún mecanismo especial,
normalmente pulsando la tecla <SUPR> después del chequeo de arranque.
c) Administrar los Códigos de las Interrupciones BIOS que son necesarias para realizar la
entrada y salida de datos.
3.1.1.1.
Memoria Flash
La memoria flash es un tipo especial de memoria no volátil. Se utiliza en dispositivos
digitales portátiles para almacenamiento de datos. Las cámaras digitales, reproductores
MP3, dispositivos de almacenamiento USB y consolas de juego, utilizan este tipo de
memoria.
3.1.2. Memoria volátil (RAM)
La memoria volátil requiere de energía eléctrica para almacenar los datos. La memoria
volátil de una computadora se conoce como memoria de acceso aleatorio ó RAM (Random
Access Memory).
Cuando se habla de la memoria de una computadora, en relación a una microcomputadora,
se refiere a la RAM. La RAM almacena los programas y los datos mientras se están
ejecutando.
La RAM está especialmente diseñada para ser inmediatamente accesible para la CPU o para
los programas. La palabra “aleatorio” en la RAM implica que cualquier parte de ella puede
ser accesible en cualquier momento. Esto contribuye a que la RAM sea muy rápida.
Una computadora no necesita buscar en toda su memoria cada vez que tiene que encontrar
datos, debido a que la CPU utiliza una dirección de memoria para almacenar y recuperar
cada fragmento de datos.
Una dirección de memoria es un número que indica una ubicación en los chips de
memoria. Las direcciones de memoria empiezan en cero y se incrementan hasta llegar a
uno menos que la cantidad de bytes de la memoria que tiene la computadora.
Se utiliza memoria RAM no sólo asociada a la CPU. Las placas de video y de sonido
modernas tienen su propia RAM integrada.
3.1.3. Características de la memoria principal
•
La memoria principal almacena bits (unos y ceros) en celdas independientes entre sí,
que contienen un byte (8 bits) de información.
•
Cada celda se localiza en el conjunto mediante un número binario identificatorio, que
constituye su “dirección” ó indicación de su “posición” en ese conjunto. Este número no
se puede alterar porque está establecido circuitalmente.
Por lo tanto, con relación a cada celda se tiene dos números binarios:
•
Un número fijo, la dirección, que presentado en los circuitos de la memoria permite
acceder a una celda; y
•
Un número de ocho bits, que es el contenido o información de esa celda, o sea la
combinación de unos y ceros almacenada en ella. Este número puede cambiarse si la
memoria es alterable.
Generalmente se representan las celdas de la memoria como un conjunto de casilleros
verticales, siendo sus direcciones números binarios consecutivos. Para no visualizar largas
cadenas de unos y ceros, estos números suelen mostrarse en su equivalente hexadecimal,
para que sea de más fácil comprensión. Esto es cuando se realiza un “vuelco” de memoria
en la pantalla o impresora.
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Ejemplo, en la figura de la
derecha se destaca la dirección
0000 0010 0000 0111 = 0207H,
en la cual está almacenado el
byte 01100001 equivalente al
hexadecimal 61H.
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0205H 0 0 1 1 1 1 0 1
0206H 1 1 0 1 0 1 1 1
0207H 0 1 1 0 0 0 0 1
0208H 0 0 0 1 0 1 0 1
0209H 0 1 0 1 1 0 1 0
020AH 1 0 1 1 0 0 1 1
020BH 1 1 1 0 0 1 0 0
Puede ayudar a entender mejor el concepto de byte almacenado, si se piensa que en cada
casillero existen llaves del tipo “si-no”, como las comunes de pared para encender la luz,
cada una para representar un uno estará en la posición de prendido (“si”) o para
representar el cero, estará en apagado (“no”). Entonces, para una celda dada, como la que
contiene 01100001, la combinación de unos y ceros que están formando las ocho llaves es
la información contenida en dicha celda. La información que almacena cada grupo de 8
llaves puede referirse a instrucciones o datos.
3.1.4. Palabra de memoria (“word”)
En cada dirección de memoria (celda) sólo se pueden leer o escribir 8 bits por vez, sin
posibilidad de operar menor cantidad de bits.
Cuando los datos e instrucciones ocupen más de un byte, se almacenan fragmentados
en varios bytes, los cuales deben estar contenidos en celdas consecutivas de memoria.
En una operación de lectura o escritura de memoria se puede acceder a varias celdas
consecutivas. El número máximo de éstas constituye una palabra (“word”) de
memoria. Dicho número puede ser 1, 2, 4 ú 8 bytes, dependiendo de la cantidad de
líneas de datos que salen del procesador hacia la memoria.
3.1.5. Direccionamiento de memoria
Para acceder a los datos de la memoria o grabar datos en ellas la CPU debe direccionar la
MP. La acción de direccionar o “direccionamiento” consiste en colocar en las líneas de
direcciones del bus que llegan a la MP, la dirección de la celda a la que se quiere acceder,
para leerla o escribirla.
1
2
Por favor, enviar los datos de la posición
100111011000100111110110011
Ejemplo: Para solicitar un byte
de datos, la CPU envía una
dirección de memoria a la RAM
mediante
el
bus
de
direcciones.
Los datos contenidos en esa
dirección se colocan en el bus
de datos a disposición de la
CPU.
OK, aquí vienen 01001100
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Tiempo de acceso: es el que transcurre entre que se direcciona una celda de memoria,
hasta que aparece en el bus de datos el contenido de la celda direccionada. Este tiempo se
mide en nanosegundos, esta unidad de tiempo significa una mil millonésima de segundo.
Los procesadores internamente realizan operaciones en contados nanosegundos.
3.1.6. Tamaño de memoria
La cantidad de memoria RAM en una computadora influye sobre el rendimiento de la misma.
Más RAM significa que la computadora puede ejecutar programas más grandes y potentes.
También más RAM puede hacer que la computadora sea más veloz. Para ejecutar un
programa no hace falta que el programa entero esté en la RAM, sin embargo mientras más
grande sea la porción del programa que entre en la memoria, más rápida será la ejecución
del programa. Por qué? Si el tamaño de la memoria es insuficiente para almacenar el
programa y los datos necesarios, la CPU utilizará espacios del disco rígido como extensión
de la memoria principal. Esto significa que la CPU deberá hacer permanentes intercambios
trayendo y llevando datos de la memoria a la unidad de disco duro. Esta técnica de
administración de memoria se denomina “memoria virtual” y, si bien es efectiva para
administrar una cantidad limitada de memoria, disminuye el desempeño del sistema porque
el disco duro es mucho más lento que la RAM, por lo tanto, los accesos a la unidad de disco
harán que el procesamiento se realice en una mayor cantidad de tiempo.
4. El reloj interno de la computadora
Todas las computadoras tienen un reloj del sistema, controlado por un cristal de cuarzo.
Cuando se le aplica electricidad, las moléculas en el cristal vibran millones de veces por
segundo, con una velocidad que nunca cambia. La computadora utiliza las vibraciones del
cuarzo del reloj para marcar el tiempo de sus operaciones de procesamiento.
Las primeras PC operaban a 4,77 megahertz. El Hertz (Hz) es una medida de ciclos por
segundo. Megahertz (MHz) significa “millones de ciclos por segundo”. Gigahertz (GHz)
significa “miles de millones de ciclos por segundo”.
La velocidad de operación de la computadora está ligada a la velocidad de reloj del sistema.
Un ciclo de reloj es el tiempo en que un transistor se apaga y se vuelve a encender. Un
procesador puede ejecutar una instrucción dentro de un número determinado de ciclos de
reloj. A medida que aumenta la velocidad del reloj del sistema, también aumenta la
cantidad de instrucciones que puede realizar cada segundo.
Los procesadores modernos operan a velocidades mayores a 1 Ghz.
5. El bus
El bus es una ruta entre los componentes de una computadora. Existen dos buses
principales en una computadora: el bus interno (o del sistema) y el bus externo (o de
expansión). El bus del sistema reside en la placa madre y conecta a la CPU con los otros
dispositivos conectados a la placa madre. Un bus de expansión conecta dispositivos
externos, como el teclado, el Mouse, módem, impresora y otros, con la CPU. Los cables de
las unidades de disco y otros dispositivos internos se conectan al bus. El bus del sistema
tiene dos partes: el bus de datos y el bus de direcciones.
5.1. El bus de datos
El bus de datos es una ruta eléctrica que conecta a la CPU, memoria y los otros dispositivos
de hardware en la placa madre. Este bus, en realidad, es un conjunto de cables paralelos. El
número de cables del bus de datos afecta la velocidad con la que pueden viajar los datos
entre los componentes de hardware. Cada cable puede transportar un bit de datos por vez,
un bus de 8 cables transportará 8 bits, un byte, por vez. Un bus de 16 bits, puede transferir
2 bytes, uno de 32, 4 bytes y un bus de 64 bits puede transferir 8 bytes por vez.
Al igual que el procesador, la velocidad del bus se mide en megahertz (MHz). Mientras más
rápida sea la velocidad del bus, más rápido podrá transferir datos entre los componentes de
una computadora.
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5.2. El bus de direcciones
El bus de direcciones es un conjunto de cables, similar al bus de datos que sólo conecta a la
CPU y la RAM y transporta únicamente direcciones de memoria. La disposición de los buses
en la motherboard se ve en la figura siguiente:
El bus del sistema incluye un bus de
datos y un bus de direcciones.
El bus de direcciones conecta la CPU
con la RAM. El bus de datos conecta
la CPU con la RAM y con todos los
dispositivos de almacenamiento, de
entrada/salida y de comunicaciones
que están conectados con la placa
madre.
5.3. Estándares de buses
Entre las tecnologías de bus comunes, se incluyen:
El bus arquitectura estándar de la industria ó ISA), es un bus de 16 bits. Fue por
mucho tiempo el estándar industrial de facto y aún se utiliza en algunas computadoras
para conectar dispositivos más lento a la CPU (por ejemplo, un módem).
Tecnología Bus Local, esta se desarrolló para conectar dispositivos más rápidos a la
CPU. Un bus local es un sistema interno que se extiende entre los componentes de la
placa madre. Actualmente, la mayoría de los sistemas utiliza algún tipo de tecnología de
bus local.
El bus de interconexión de componentes periféricos ó PCI (Peripheral Component
Interconected) es un tipo de bus local diseñado por Intel para facilitar la integración de
nuevos tipos de datos, por ejemplo, de audio, video e imágenes.
El bus puerto de aceleración de gráficos ó AGP (Accelerated Graphics Port)
incorpora una arquitectura especial que le permite a la tarjeta de video tener acceso a la
RAM del sistema directamente, incrementando notoriamente la velocidad del desempeño
gráfico. El estándar AGP permitió el desarrollo de muchos tipos de tarjetas aceleradoras
de video que soportan imágenes en 3D y de video de movimiento pleno.
El bus serial universal ó USB (Universal Serial Bus), es un bus relativamente nuevo
que se encuentra en todas las computadoras modernas. A diferencia del PCI y del AGP,
el USB es un bus de intercambio rápido, lo que significa que un usuario puede conectar
y desconectar un dispositivo USB sin afectar a la computadora. USB soporta hasta 127
dispositivos, ya sea conectados en cadenas ó en un concentrador.
Los puertos IEEE 1394 (FireWire) se utilizan para conectar dispositivos de de video,
por ejemplo, cámaras y cámaras de video.
El bus PC Card se utiliza sólo en las computadoras laptop. Al igual que USB, el bus PC
Card es de intercambio rápido. Se utilizan para tarjetas WiFi, tarjetas de red, módems
externo, examinadores de huellas dactilares y otros sistemas biométricos de seguridad.
Tradicionalmente, el desempeño de los buses se medía por la cantidad de bits que podían
transferir a la vez. Sin embargo, en la actualidad, los buses se evalúan de acuerdo con sus
velocidades de transferencia de datos (la cantidad de datos que pueden transferir en un
segundo), este desempeño se mide en MHz o GHz.
A continuación, la tabla muestra valores de desempeño de los buses comunes:
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Tipo de bus
Ancho (en bits)
Velocidad de
transferencia
Capacidad de
intercambio
AGP 8
32
2,1 GHz
No
FireWire
32
400 MHz
Si
ISA
16
8,33 MHz
No
Pc Card
32
33 MHz
Si
PCI
32
33 MHz
No
USB 2.0
32
480 MHz
Si
6. Memoria caché:
Mover los datos entre la RAM y los registros de la CPU es una de las operaciones que
consume más tiempo para la CPU, debido a que la RAM es más lenta que la CPU. Para
solucionar este problema se incluye una caché de memoria en la CPU. Una memoria caché
es similar a la RAM pero mucho más rápida.
Hay que distinguir entre dos tipos de caché, la de primer nivel y la de segundo nivel. La de
primer nivel es la que se encuentra integrada dentro del chip del microprocesador.
La memoria caché se usa en varias partes de la computadora. La mayoría de las unidades
de disco y tarjetas de red tienen un caché para acelerar el acceso de datos.
Resumiendo, las memorias caché aceleran la adquisición de datos en la mayoría de los
casos. Cuando la CPU necesita cargar un dato hace lo siguiente:
1) Lo busca en la memoria caché de nivel 1.
2) Si allí no se encuentra lo busca en la memoria caché de nivel 2.
3) Si en esta tampoco está lo sacará de la memoria principal.
Aunque este esquema resulte muy complicado (además requiere mecanismos
especializados para decidir qué datos se cargan y descargan de las memorias caché) es muy
efectivo.
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Parte 2: Composición básica de una computadora
1. Introducción
Hemos visto los distintos componentes del hardware, destacando principalmente, su
funcionalidad. Es decir, cual es el papel que cumplen en el procesamiento de datos.
El propósito de este apartado es describir la composición básica de una computadora,
tomando como ejemplo una PC, con el objeto de que los alumnos tengan idea de la
ubicación física de los componentes anteriormente descriptos.
A simple vista lo que vemos de una computadora son tres elementos diferentes: teclado,
monitor y unidad central o "gabinete". Tanto el teclado como el monitor forman parte de los
periféricos de la computadora, siendo la unidad central la parte principal de la
computadora.
2. Componentes
La elección del tipo de gabinete dependerá del número y tipo de componentes que se
deseen incluir. Independientemente de su formato, en el interior de la PC observaremos los
siguientes elementos:
2.1. Placa base: Contiene la circuitería básica del ordenador: microprocesador, memoria,
ranuras de expansión, controladores de dispositivos, etc.
2.2. Dispositivos internos: Fundamentalmente son de dos tipos:
a) Dispositivos de almacenamiento masivo de datos (disco, disquetera, CD-ROM. etc.).
b) Tarjetas auxiliares (tarjeta de vídeo, tarjeta de sonido, etc.).
2.3. Fuente de alimentación: Suministra la corriente eléctrica adecuada a los
componentes internos de la computadora. Necesita de uno o varios ventiladores para disipar
el calor generado. Esos ventiladores son los que generan el ruido característico de las
computadoras actuales.
Fuente de
alimentación
Grabadora CD
Lectora CD
Placa madre
Disquetera
Disco duro
3. Elementos de la placa madre
Como ya se ha dicho, la placa madre es centro neurálgico de la computadora. En ella se
incluye el microprocesador, que es el núcleo del sistema y el encargado de realizar la
mayoría de las operaciones importantes. Además del microprocesador se incluyen los
elementos necesarios para que éste pueda realizar su trabajo. Entre los más importantes
tenemos los siguientes:
Zócalos de memoria principal (RAM)
Ranuras de expansión o ampliación
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Introducción a la Informática 2009
Tema
8
Líneas o buses de comunicación
Circuitos controladores de dispositivos
Chipset o conjunto de chips para el control y sincronización
Batería o pila
Jumpers o puentes de configuración
ROM-BIOS, o conjunto básico de instrucciones de entrada/salida
4. Microprocesadores de PC
Centrándonos únicamente en el entorno de PCs, partimos del primer microprocesador: el
Intel 8086, inicio de la familia se denomina x86 y se muestra a continuación su evolución
a grandes rasgos:
Modelo CPU
Fecha de
aparición
1978 / 79
Bus de Datos
16
Rango de
velocidades
4,77 a 8 Mhz.
Longitud
palabra
16 bits
Coproc.
Matem.
NO
286(AT)
1982
16
8 a 20 Mhz.
16 bits
NO
386 DX
1985
32
20 a 33 Mhz.
32 bits
NO
386 SX
1988
32
16 a 20 Mhz.
32 bits
NO
486 DX
1989
32
20 a 50 Mhz.
32 bits
SI
486 SX
1991
32
16 a 25 Mhz.
32 bits
NO
486 DX2 - DX4
1992
32
50 a 120 Mhz.
32 bits
SI
Pentium
1993
64
66 a 200 Mhz.
32 bits
SI
Pentium Pro
1996
64
166 a 200 Mhz.
32 bits
SI
Pentium MMX
1997
64
166 a 233 Mhz.
32 bits
SI
Pentium II
1997
64
233 a 450 Mhz.
32 bits
SI
Pentium II Celeron
1998
64
266 a 333 Mhz.
32 bits
SI
Pentium II Xeon
1999
64
400 a 450 Mhz.
32 bits
SI
Pentium III
1999
64
450 Mhz a 1 GHz.
32 bits
SI
Pentium IV
2001
64
1,3 GHz. a 1,5 GHz.
32 bits
SI
8086 / 8088 (XT)
Además de Intel, empresa pionera en la fabricación de microprocesadores para PC, hay
otros fabricantes (fundamentalmente AMD) que han sacado al mercado microprocesadores
compatibles que pueden obtener rendimientos similares a los equivalentes Intel.
En el entorno de computadoras Macintosh (Mac) los procesadores son fabricados por
Motorola y en la actualidad sus modelos de altas prestaciones son los PowerPC que
obtienen un mayor rendimiento (tienen una arquitectura RISC más avanzada), a igualdad
de velocidad de reloj, que los ordenadores PC.
Aunque el conocimiento de lo expresado respecto a los microprocesadores nos induzca a
pensar que ésta es la parte que más influye en la velocidad de una computadora, hay que
tener presente que el rendimiento final de una computadora no sólo depende del
modelo y velocidad del microprocesador. Elementos como el tipo de placa, el chipset
empleado, el tipo de memoria, etc. pueden llegar a ser tan importantes como la CPU.
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