Arquitectura de Ordenadores. 1. Introducción Sistemas Informáticos Arquitectura de Ordenadores El procesador...

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Arquitectura de Ordenadores ÍNDICE 1. Introducción Sistemas Informáticos Arquitectura de Ordenadores El procesador La memoria Buses Hardware Imprescindible Periféricos Software... 14 1. Introducción 1. Introducción La herramienta básica que se utiliza en informática se denomina Ordenador o Computadora (del inglés Computer). Es una máquina electrónica que recibe y procesa datos para convertirlos en información útil. Un ordenador es una colección de circuitos integrados y otros componentes relacionados que puede ejecutar con exactitud, rapidez y de acuerdo a lo indicado por un usuario o automáticamente por otro programa, una gran variedad de secuencias o rutinas de instrucciones que son ordenadas, organizadas y sistematizadas en función a una amplia gama de aplicaciones prácticas. El ordenador, además de la rutina o programa informático, necesita de datos específicos (denominados entrada o input en inglés) que deben ser suministrados, y que son requeridos al momento de la ejecución para proporcionar el producto final del procesamiento de datos (que recibe el nombre de salida o output ). La información puede ser entonces utilizada, reinterpretada, copiada, transferida, o retransmitida a otra(s) persona(s), computadora(s) o componente(s) electrónico(s) local o remotamente usando diferentes sistemas de telecomunicación, pudiendo ser grabada, salvada o almacenada en algún tipo de dispositivo o unidad de almacenamiento. 2. Sistemas Informáticos Todo sistema informático está compuesto por tres elementos fundamentales: Hardware: Es el conjunto de componentes físicos del ordenador (informalmente se trata de todas las partes del ordenador que pueden ser tocadas con las manos: procesador, memoria, periféricos, placas, buses, circuitos, etc.). Software: Es el conjunto de componentes lógicos del ordenador. En esencia son los programas que utiliza el ordenador para tratar la información. Esto incluye desde los programas de control y el Sistema Operativo hasta los programas de aplicaciones más sofisticadas como juegos, procesadores de texto, programas de cálculo, programas de tratamiento de imágenes, etc. Usuario: No podemos olvidar que un sistema informático necesita de nuestra intervención para la organización y planificación de las tareas. Por lo tanto nosotros también somos un componente más de los sistemas informáticos. 2 3. Arquitectura de Ordenadores 3. Arquitectura de Ordenadores La arquitectura de un ordenador es la apariencia funcional que presenta a sus usuarios inmediatos. Es decir, los atributos o características de un sistema visibles al programador. La máquina de von Newmann (1946) tenía cuatro partes básicas: o La memoria o La Unidad aritmético-lógica o La Unidad de control o Sistema de entrada/salida Esta máquina tenía las siguientes características que hoy pueden parecer obvias: o La memoria era unidimensional, organizada como un vector lineal de celdas del mismo tamaño y con direcciones secuenciales. o Disponía de una única memoria principal para contener instrucciones y datos. (En contraste con la Arquitectura Harvard, que prefiere memorias distintas entre instrucciones y datos. o No había distinción explícita entre instrucciones y datos. o No había especificación explícita entre los tipos de datos. o Cada instrucción especificaba la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar. Posteriormente se le añadió el concepto de registro Contador de Programa, dando lugar a la ejecución secuencial de las instrucciones, y a la inclusión de las instrucciones de salto para alterar el flujo de control natural. Esta arquitectura es la base de la inmensa mayoría de las máquinas de propósito general, en las que la Unidad de Control y la Unidad Aritmético-Lógica se han integrado en la actual CPU. 3 3. Arquitectura de Ordenadores CPU Memoria E / S Buses El procesador También llamado Unidad Central de Procesos o CPU. Es el corazón del ordenador. En el procesador se realizan todas y cada una de las tareas que los programas ordenan cumplir. El procesador tiene tres partes: Unidad Aritmético-Lógica, Unidad de Control y Registros. La unidad aritmético-lógica realiza todas las operaciones. Como su nombre indica sólo puede realizar operaciones de dos tipos: aritméticas y lógicas. Aritméticas: +,,,, ^ Lógicas: =,, ,, ,,,,, La unidad de control es la encargada de seleccionar las instrucciones que se deben ejecutar, proporcionar los datos adecuados a la unidad aritmético-lógica, y enviar las señales de control a todos los dispositivos (incluyendo a los periféricos) que intervengan en el proceso para que éste se realice correctamente y sin errores. Los registros sirven como área de trabajo interna de la CPU. Pueden almacenar tanto las direcciones de memoria de los datos que se están procesando como los propios resultados. Estos registros se dividen en tres grupos: 4 3. Arquitectura de Ordenadores Registros de Propósito General. Registros de Segmento de Memoria: direcciones con la posición del programa y datos. Registros de instrucciones: indican la dirección de la siguiente instrucción. Si realizamos una clasificación de los procesadores actuales atendiendo al número de instrucciones o datos implicados en cada ciclo de reloj obtenemos cuatro arquitecturas diferentes: SISD (Single Instruction Single Data): Realiza una operación con un solo dato. Es la arquitectura original de von Neumann. SIMD (Single Instruction Multiple Data): Se corresponden con procesadores vectoriales (para el cálculo con matrices). Realiza la misma operación de forma simultánea con un vector de datos. MISD (Multiple Instruction Single Data): Diversas instrucciones operan sobre un único dato. Son las más alejadas de las arquitecturas convencionales. MIMD (Multiple Instruction Multiple Data): Se encuadran los multiprocesadores (con memoria compartida) y los multiocomputadores (con memoria independiente). Actualmente, la mayoría de los ordenadores son MIMD gracias a los nuevos procesadores multinúcleo, que son chips con múltiples procesadores en su interior. Cuando se quieren comparar diferentes procesadores es necesario establecer el criterio de medida que permita cuantificar los resultados de la comparación. La potencia de un procesador se puede medir por la velocidad del reloj interno (HZ), la cantidad de instrucciones (IPS) o las operaciones en coma flotante (FLOPS) por segundo que puede ejecutar. En todos los casos se suelen utilizar múltiplos: Kilo (K), Mega (M), Giga (G), etc. Todos estos criterios tienen algunos inconvenientes para realizar la comparación. Por ejemplo, aunque la velocidad de procesamiento se mida en Hz, el hecho de que un procesador tenga una velocidad de 1 GHz y otro la tenga de 2 GHz, no quiere decir que éste último sea el doble de rápido. De hecho puede darse la circunstancia de que el primero muestre unas prestaciones similares al segundo. Por otro lado, las IPS dependen del repertorio de instrucciones, por lo que resulta difícil comparar máquinas con distinto repertorio de instrucciones (distintas series o fabricantes). En el caso de los FLOPS, hay operaciones muy 5 3. Arquitectura de Ordenadores rápidas (sumas) y muy lentas (divisiones) por lo que también puede resultar poco significativa. Para contrarrestar este problema se utilizan FLOPS normalizados, otorgando distinto peso a las operaciones según su complejidad La memoria Es otro de los elementos esenciales de un ordenador. La misión de la memoria es almacenar las instrucciones del programa que va a ejecutar el procesador, los datos que necesita dicho programa y los resultados que produzca el programa. Básicamente existen dos tipos de memoria. A. Memoria principal: se trata de una memoria interna, normalmente formada por pastillas de silicio e integrada en la placa principal del ordenador. A su vez hay dos tipos básicos de memoria principal: o Memoria R.A.M. (Random Access Memory) o memoria de acceso aleatorio. Contiene los programas que el usuario esté ejecutando en el ordenador así como los datos necesarios para que estos programas funcionen. El ordenador puede leer, modificar y borrar el contenido de esta memoria. Se trata de una memoria volátil, es decir, su contenido desaparece al apagar el ordenador. o Memoria R.O.M. (Read Only Memory) o memoria de lectura. Contiene los programas necesarios para que el ordenador pueda arrancar y detectar los dispositivos imprescindibles para su funcionamiento. Como su nombre indica, el ordenador puede leer su contenido pero no puede modificarlo ni borrarlo. Se trata de una memoria permanente: su contenido no desaparece al apagar el ordenador. B. Memoria secundaria: se trata de dispositivos externos (aunque algunos puedan estar incluidos dentro de la torre del ordenador). Su misión es almacenar de manera permanente programas y datos en soportes de gran capacidad. Existen multitud de dispositivos con esta finalidad, pero destacaremos tres grupos: o Soportes magnéticos: cintas magnéticas, discos flexibles (antiguos disquetes o floppies), discos duros (HDD: Hard Disk Drive) y unidades zip. o Soportes ópticos: CD-ROM, DVD y Blu-Ray. 6 3. Arquitectura de Ordenadores o Soportes flash: Memorias USB (también conocidas como pendrive o lápiz de memória), tarjetas SD o microsd, discos sólidos (SSD: Solid-State Drive), etc. Actualmente la memoria RAM de un ordenador debería tener una capacidad mínima de 512 Mb. El tamaño de la memoria RAM influye mucho en la velocidad de procesamiento, pues el tiempo de acceso del procesador a la memoria RAM es mucho menor que el tiempo de acceso a cualquier memoria secundaria, por lo tanto cuanto mayor sea la memoria RAM menor será el número de veces que el procesador tenga que acudir a las memorias secundarias. En cuanto a la capacidad de las memorias secundarias debemos decir que están en continuo aumento. Los discos flexibles (floppies), ya en desuso, tienen una capacidad de 1,4 MB. Los discos duros actuales tienen una capacidad mínima de 160 GB y pueden llegar hasta los 6 TB. Los CD-ROM tienen capacidades entre 650 y 900 Mb, los DVD tienen un mínimo de 4 GB (single layer) y los Blu-Ray una capacidad de 25 GB (single layer) Buses El procesador y la memoria son los componentes principales del ordenador, pero para funcionar necesitan estar comunicados entre sí. Además para que el ordenador realice tareas útiles debe existir la posibilidad de introducir información en esos dispositivos y permitir que ellos nos devuelvan los resultados. El procesador y la memoria de cualquier ordenador personal se encuentran instalados en un soporte denominado placa principal, placa base o placa madre. El término Bus se refiere a las rutas entre los componentes de un ordenador. Existen tres buses principales: El Bus de Datos, el Bus de direcciones y el Bus de control. A. Bus de datos: Es la ruta que conecta la CPU, la memoria y otros dispositivos de hardware en la placa base. B. Bus de direcciones: Es la ruta que hace referencia a la posición de memoria que se quiere leer o escribir. El tamaño del bus de direcciones determina la cantidad máxima de memoria RAM que se puede instalar. C. Bus de control: Se encarga de controlar el bus de datos y direcciones, indicando cuando puede transmitir un dispositivo por ellos. 7 4. Hardware 4. Hardware Todos los elementos que pueden formar parte de un ordenador se desarrollan físicamente a través de chip, circuitos impresos, cableado, etc. Podemos clasificar el hardware en dos categorías: Imprescindible y Periféricos. 4.1 Imprescindible Procesador: Es un circuito integrado que contiene todos los elementos necesarios para formar la CPU. Debido a la miniaturización y a la alta frecuencia de funcionamiento se hace imprescindible acoplarle un sistema de enfriamiento denominado disipador. Sin este sistema el procesador podría calentare al punto de dañarse permanentemente. Memoria RAM: Es el componente fundamental que almacena los datos y programas que está utilizando la CPU. Se distribuye en módulos compuestos por varios chips cada uno. Placa Base: También llamada Placa Madre (Motherboard) o Principal (Mainboard). Es una Tarjeta de circuito impreso donde se montan todos los subistemas críticos tales como el procesador, el chipset o la memoria. Se encarga de interconectar todos los componentes a través de buses. Los componentes principales de la placa base son: 8 4. Hardware Zócalo o Socket: Es el conector donde se aloja el procesador. Cada familia y fabricante requiere un zócalo distinto. Ranuras RAM: Son los conectores donde alojan los módulos de memoria principal. Habitualmente suele haber cuatro ranuras. Son específicas para un tipo de memoria. BIOS: Es un chip con un pequeño programa que se utiliza para controlar el hardware. En el arranque del ordenador se comprueba la configuración y funcionamiento de los componentes. Si se detecta algún error grave, se detiene para evitar daños mayores. Chipset: Conjunto de circuitos integrados cuya función es controlar el flujo de información desde y hacia el procesador. Habitualmente consta de dos circuitos auxiliares al procesador principal: El Puente Norte (North Bridge) es el enlace entre procesador, Memoria RAM y Tarjeta Gráfica; El Puente Sur (South Bridge) es el enlace entre procesador y el resto de periféricos. Conectores IDE y SATA: Se utilizan para conectar y controlar dispositivos de almacenamiento tales como discos duros y unidades CD/DVD/Blu-Ray. SATA es más reciente y ofrece mayor velocidad de transmisión de datos. Ranuras de expansión: Permiten conectar a la placa principal dispositivos periféricos que se situarán dentro de la caja del ordenador. Los dispositivos habituales que se conectan por este procedimiento son tarjetas gráficas, tarjetas de sonido, tarjetas de vídeo y tv, módems internos, tarjetas de red, etc. En estos casos, cada tarjeta que se conecte a una ranura de expansión suele incorporar sus propios puertos, que pueden ser muy variados en función de la misión que tengan que cumplir. Existen distintos tipos de ranura. Los más habituales son: PCI, AGP y PCI-Express. Puertos Externos: Son conexiones que enlazan la placa principal con distintos tipos de periféricos. Los tipos de puertos más comunes son: o Puertos serie o puertos COM: los bits se transmiten en este puerto uno a uno. Tradicionalmente sirven para conectar teclados, ratones, módems, etc. Utilizan conectores RS-232 para los módem y conector PS/2 para teclados y ratones. Su uso se ha ido abandonando. o Puertos paralelo: se basa en la transmisión de todos los bits al mismo tiempo. Usados para la conexión de impresoras y escáneres. Ha ido siendo sustituido por el USB, que veremos después. 9 4. Hardware o Puertos USB: es un tipo de puerto serie. Sin embargo su rapidez de transmisión de datos y la posibilidad de conectar dispositivos Plug & Play y Hot Plugging (alimentar eléctricamente al dispositivo), han hecho que se utilice hoy día para la gran mayoría de los periféricos. o Puerto Firewire (IEEE 1394): es un tipo de puerto serie de alta velocidad utilizado para conectar videocámaras y cámaras fotográficas. o Puerto Ethernet (IEEE 802.3): Se suele denominar RJ 45 porque usa conectores de este tipo. Está destinado a las conexiones de red. 10 4. Hardware Fuente de Alimentación: Es un transformador de corriente alterna a corriente continua que suministra el voltaje y la intensidad adecuada a cada uno de los componentes. 11 4. Hardware 4.2. Periféricos Periférico es todo dispositivo que se pueda utilizar para introducir información, obtener información o ambas cosas de un ordenador. Según esto, los periféricos se clasifican respectivamente en: Dispositivos de entrada, Dispositivos de salida y Dispositivos de entrada/salida. A. Dispositivos de entrada: Sirven para introducir información en el ordenador. Los más importantes son: o Teclado: sirve para introducir información de carácter alfa-numérico. Consta de cuatro partes: teclado alfa-numérico, teclado numérico, teclado de edición y teclado de función. o Ratón: sirve para introducir información de forma gráfica, seleccionando objetos que se presentan en la pantalla o en respuesta a botones o enlaces. o Escáner: sirve para introducir información gráfica en el ordenador. Dependiendo del software del que se disponga también puede servir para introducir texto. o Micrófono: permite la introducción de información sonora al ordenador, para su almacenamiento o edición. o WebCam: usualmente utilizada para la videoconferencia, su misión es la de introducir imágenes de vídeo en el ordenador. B. Dispositivos de salida: Sirven para que el usuario reciba la información elaborada por el ordenador. Los más importantes son: o Monitor: o pantalla a través de la cual se visualiza dicha información. Los monitores hoy en día pueden ser de rayos catódicos (tipo tv antigua), de cristal líquido (LCD), de plasma, Led, proyectores, etc. El tamaño de un monitor se mide en pulgadas (midiendo en diagonal). El tamaño tradicional era 14 o 15 pulgadas, aunque cada vez se usan más los de 17 o 19 pulgadas. Para trabajos de diseño gráfico pueden usarse monitores aún mayores. La calidad de un monitor viene dada entre otros factores por su resolución: un monitor está formado por un montón de puntitos luminosos denominados píxeles que están ordenados en líneas y columnas. Para un monitor de 15 pulgadas es adecuada una resolución de 800 columnas por 600 líneas. Para uno de 17 pulgadas puede ser más adecuada 1024x 4. Hardware o Impresora: Este dispositivo permite obtener información alfanumérica e información gráfica en soporte de papel. Algunos tipos de impresora son: Matriciales o de impacto: siguen el modelo de una tradicional máquina de escribir: un martillo con una matriz de agujas golpea una cinta móvil impregnada de tinta sobre un papel que se va desplazando mediante un rodillo. La matriz de agujas va tomando la forma de los caracteres que se desean imprimir. Ventajas: son baratas de mantener y permiten imprimir con papeles autocopiativos. Inconvenientes: son lentas, ruidosas y la calidad de impresión no es muy buena. De inyección o de burbuja: en lugar de una cinta impregnada de tinta utilizan un cartucho con tinta que termina en unos inyectores controlados por el ordenador con los que se forman los caracteres que se desean imprimir. Ventajas: buena calidad de impresión incluso en color, silenciosas y más rápidas que las matriciales. Inconvenientes: cartuchos de tinta caros y hay que tener cuidado al imprimir pues la tinta tarda un poco en secarse y puede manchar el documento. Láser: utilizan un sistema parecido al de las fotocopiadoras tratando el papel que usan con una sustancia sensible a la luz. Ventajas: gran velocidad, muy silenciosas y excelente calidad de impresión. Inconvenientes: principalmente su precio. Plotter: se trata de impresoras de tipo gráfico de muy alta calidad. Su uso suele ser de tipo profesional. Utilizado especialmente por arquitectos e ingenieros. o Altavoces: Conectados a la tarjeta de sonido del PC permiten recibir la información acústica generada por las aplicaciones ejecutadas (juegos, vídeos, canciones, grabaciones de voz,etc.). C. Dispositivos de entrada y salida: estos dispositivos cumplen las dos funciones especificadas en los apartados anteriores. Algunos de los más importantes son: o Pantallas táctiles: funcionan como dispositivo apuntador además de mostrar la información. o Impresoras multifunción: funcionan tanto como impresora como escáner o fax. 13 5. Software o Módems y tarjetas de comunicaciones: permiten establecer comunicaciones entre personas y ordenadores a través de los distintos tipos de líneas telefónicas existentes hoy día. o Unidades de almacenamiento externo: ya las hemos mencionado como memorias externas. También pueden ser considerados dispositivos de entrada y salida de datos: discos duros, CD regrabables, memorias USB, etc. 5. Software Como se dijo en un principio, software es el conjunto de programas que utiliza el ordenador, tanto los programas necesarios para el propio funcionamiento del ordenador como las
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