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TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN Y LA COMUNICACIÓN: ARQUITECTURA DEL PC

1. ORDENADOR Un ordenador es una máquina capaz de aceptar

información de entrada, efectuar operaciones lógicas y aritméticas, proporcionando la información resultante a través de un medio de salida, sin necesidad de intervención de un operador humano y bajo control de un programa de instrucciones previamente almacenado en el mismo.

2. HARDWARE Y SOFTWARE. Sistemas operativos

• Hardware son todos los dispositivos físicos que integran el ordenador.

• Software es el conjunto de instrucciones necesarias para controlar el hardware, de manera que éste ejecute las tareas que se le encomiendan.

Un Sistema Operativo (SO) es el software básico de un ordenador

que provee una interfaz entre el resto de programas del ordenador, los dispositivos hardware y el usuario.

Las funciones básicas del Sistema Operativo son administrar los recursos de la máquina, coordinar el hardware y organizar archivos y directorios en dispositivos de almacenamiento.

Los Sistemas Operativos más utilizados son Windows, Linux y MacOS. Algunos SSOO ya vienen con un navegador integrado, como Windows que trae el navegador Internet Explorer, además de otras utilidades.

3. FIRMWARE

El firmware es un bloque de instrucciones de programa para propósitos específicos, grabado en una memoria de tipo no volátil (ROM, EEPROM, etc.), que establece la lógica de más bajo nivel que controla los circuitos electrónicos de un dispositivo de cualquier tipo. Al estar integrado en la electrónica del dispositivo es en parte hardware, pero también es software, ya que proporciona lógica y se dispone en algún tipo de lenguaje de programación. Funcionalmente, el firmware es el intermediario (interfaz) entre las órdenes externas que

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recibe el dispositivo y su electrónica, ya que es el encargado de controlar a ésta última para ejecutar correctamente dichas órdenes externas.

Encontramos firmware en memorias ROM de los sistemas de diversos dispositivos periféricos, como en monitores de video, unidades de disco, impresoras, etc., pero también en los propios microprocesadores, chips de memoria principal y en general en cualquier circuito integrado.

4. UNIDADES DE MEDIDA DE INFORMACIÓN.Bit. Byte. En informática conviene diferenciar entre datos e información. Los datos son información codificada que en principio carecen de significado. Solo lo

alcanzan cuando son interpretados, es decir, una vez procesados y mostrados de manera inteligible se pueden considerar información.

Codificación binaria En informática, la codificación de la información se realiza mediante dos dígitos: el 0 y el 1

(por eso se la conoce como codificación binaria). Estos dos dígitos no son más que la representación de los dos únicos estados en los que trabajan los miles o millones de transistores que componen un ordenador (activado-desactivado, pasa corriente-no pasa, abierto-cerrado).

Esta codificación está basada en el sistema de numeración binario con el que se puede representar cualquier nº decimal con los dígitos 0 y 1. A este dígito binario se le denomina bit.

El bit es la unidad mínima de información empleada en informática. Al conjunto de 8 bits se le denomina byte. Cada carácter está representado por un byte.

Múltiplos del byte

Nombre Abrev. Factor binario (bytes) Tamaño en el SI

bytes B 20 = 1 100 = 1

kilo k 210 = 1024 103 = 1000

mega M 220 = 1 048 576 106 = 1 000 000

giga G 230 = 1 073 741 824 109 = 1 000 000 000

tera T 240 = 1 099 511 627 776 1012 = 1 000 000 000 000

peta P 250 = 1 125 899 906 842 624 1015 = 1 000 000 000 000 000

exa E 260 = 1 152 921 504 606 846 976 1018 = 1 000 000 000 000 000 000

zetta Z 270 = 1 180 591 620 717 411 303 424 1021 = 1 000 000 000 000 000 000 000

yotta Y 280 = 1 208 925 819 614 629 174 706 176 1024 = 1 000 000 000 000 000 000 000 000

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5. ARQUITECTURA BÁSICA DE UN ORDENADOR

⇒ Placa base Es el elemento principal del ordenador y el que determina su arquitectura interna.

Físicamente, se trata de una tarjeta de material sintético, es decir, una superficie rígida y plana sobre la que está grabado un circuito electrónico (sistema de buses), que conecta diversos elementos que se encuentran anclados sobre ella; los principales son:

• microprocesador • memoria, generalmente en forma de módulos • zócalos o slots de expansión que permiten insertar las tarjetas de ampliación • chips de control: controlador de teclado, reloj, BIOS, etc. • buses y puertos de conexión con los principales periféricos • conectores eléctricos para la fuente de alimentación

Su Función principal es la de conectar y comunicar todos los componentes del PC, así como la de distribuir la energía eléctrica necesaria a las tarjetas controladoras y el Chipset, así como los puertos y conectores.

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⇒ Microprocesador

El microprocesador es la parte más importante del ordenador. Está diseñado para llevar acabo o ejecutar los programas. Se trata del cerebro de la computadora. Este ejecuta instrucciones a muy bajo nivel haciendo operaciones aritméticas y lógicas simples, como sumar, restar, multiplicar, comparaciones, desplazamientos... Además se encarga de coordinar y controlar el resto de dispositivos del ordenador.

Es un chip, un tipo de componente electrónico en cuyo interior existen millones de elementos llamados transistores, cuya combinación permite realizar el trabajo que tenga encomendado el chip. La mayoría son Intel o AMD, y se insertan en el zócalo situado en la placa base.

⇒ Chipset

Chipset es el conjunto de circuitos integrados diseñados con base a la arquitectura de un procesador (en algunos casos diseñados como parte integral de esa arquitectura), permitiendo que ese tipo de procesadores funcionen en una placa base. Sirven de puente de comunicación con el resto de componentes de la placa, como son la memoria, las tarjetas de expansión, los puertos USB, ratón, teclado, etc.

Las placas base suelen incluir dos integrados, denominados Norte y Sur, y junto con la BIOS, suelen ser los circuitos integrados más grandes después del microprocesador.

El chipset determina muchas de las características de una placa base y por lo general la referencia de la misma está relacionada con la del chipset.

⇒ Memoria. Tipos

Es el elemento que almacena los datos que van a ser procesados y los programas con los que trabajan los PC’s. Suele construirse con semiconductores, de carácter biestable. La memoria disponible se mide en bytes (conjunto de 8 bits). Tipos:

RAM (Random Access Memory)

Es una memoria de acceso aleatorio (modificable) y volátil, es decir, su

contenido está cambiando continuamente y se vacía cuando se apaga el PC. Hay diversos tipos de memoria RAM (VRAM, SRAM, FPM, EDO, BEDO, DRAM, SDRAM, DDR SDRAM, PB SRAM, RAMBUS, SIMM, DIMM, DIP…), pero vamos a profundizar en los más usados:

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• SRAM: Siglas de Static Random Access Memory, es un tipo

de memoria que es más rápida y fiable que la más común DRAM. El término estática viene derivado del hecho que necesita ser refrescada menos veces que la RAM dinámica.

Los chips de RAM estática tienen tiempos de acceso del orden de 10 a 30 nanosegundos, mientras que las RAM dinámicas están por encima de 30.

Las RAM estáticas no precisan de circuitería de refresco como sucede con las RAMs dinámicas, pero precisan más espacio y usan más energía. La SRAM, debido a su alta velocidad, es usada como memoria caché.

• DRAM: Siglas de Dynamic RAM, un tipo de memoria de gran capacidad pero que precisa ser

constantemente refrescada (re-energizada) o perdería su contenido. Generalmente usa un transistor y un condensador para representar un bit. Los condensadores deben de ser energizados cientos de veces por segundo para mantener las cargas. A diferencia de los chips firmware (ROMs, PROMs, etc.) las dos principales variaciones de RAM (dinámica y estática) pierden su contenido cuando se desconectan de la alimentación.

La memoria RAM se puede aumentar, siempre que lo permita el tipo de procesador,

cambiando los módulos o tarjetas que se insertan en los bancos de memoria de la placa base. Las tarjetas de memoria pueden ser de diferentes tipos, según los tipos de conectores

que lleven los módulos: • SIMMs (Single in line memory module): tienen 72 contactos y funcionan a 32 bits • DIMMs (Double in line memory module): tienen 168 contactos y funcionan a 64 bits

o DDR (Double Data Rate): 184 contactos, permite la transferencia de datos por dos canales distintos simultáneamente en un mismo ciclo de reloj.

ROM

La memoria ROM, (Read-Only Memory) o memoria de sólo lectura, es un medio de

almacenamiento utilizado en ordenadores y dispositivos electrónicos, que permite sólo la lectura de la información y no su borrado, independientemente de la presencia o no de una fuente de energía.

PROM: por las siglas de Programmable Read Only memory, en castellano ROM programable, se caracteriza por ser digital. En ella, cada uno de los bits depende de un fusible, el cual puede ser quemado una única vez. Esto ocasiona que, a través de un programador PROM, puedan ser programadas por única vez. La memoria PROM es utilizada en casos en que los datos necesiten cambiarse en todos o

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la mayoría de los casos. También se recurre a ella cuando aquellos datos que quieran almacenarse de forma permanente no superen a los de la ROM.

EEPROM son las siglas de Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory (ROM programable y borrable eléctricamente). Es un tipo de memoria ROM que puede ser programado, borrado y reprogramado eléctricamente, a diferencia de la EPROM que ha de borrarse mediante un aparato que emite rayos ultravioletas. Son memorias no volátiles.

BIOS Es la memoria “muerta” del PC. Es un tipo de memoria de sólo lectura, que no puede ser

modificada, salvo por procesos especiales de acceso, pulsando una combinación de teclas durante el proceso de arranque del ordenador. Contiene los programas básicos que permiten controlar el hardware del ordenador, conformando la BIOS del PC (Basic Input Output System.)

• La BIOS es un conjunto de programas incorporados en un chip de la placa base, que se

encargan de realizar las funciones básicas de arranque y configuración del PC. • Cuando arranca el PC, el BIOS suministra al microprocesador los datos necesarios sobre

la configuración del sistema, necesarios para que éste reconozca el hardware instalado y el sistema operativo pueda iniciarse, a este proceso de inicio se le denomina POST (Power On Self Test), durante dicho inicio se testean todos los componentes de hardware del equipo y si alguno presenta algún fallo o error el BIOS emite una serie de pitidos para identificar el error encontrado.

• Cuando se desconecta el ordenador, la información de la memoria ROM no se pierde, ya que se mantiene mediante una pila que actúa como acumulador de energía mientras el PC está encendido.

EPROM

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Caché

Memoria de carácter volátil, que está localizada en el

microprocesador y se utiliza para acelerar los accesos a la memoria convencional, por lo que es mucho más rápida.

En informática, “caché” se refiere a un conjunto de datos duplicados de otros originales, que se hace porque los datos originales son costosos o lentos de acceder, respecto a la copia hecha en el caché. Cuando se accede por primera vez a un dato, se hace una copia en el caché; los accesos siguientes se realizan a dicha copia, haciendo que el tiempo de acceso aparente al dato sea menor.

Cuando el procesador busca un dato, primero lo hace en la memoria caché y, si no lo encuentra, lo busca en la memoria convencional. Por eso, para maximizar el rendimiento del PC, es conveniente que los datos almacenados en esta memoria sean los más usados.

• Hay dos niveles de memoria caché: _ Nivel 1 (L1): situada en el mismo chip que el microprocesador, por lo que es la memoria

más rápida a la que éste puede acceder. _ Nivel 2 (L2): Sirve de puente entre el microprocesador y la memoria RAM.

⇒ Slots

Son las ranuras donde se insertan las tarjetas de expansión (tarjetas de red, de sonido, de video, etc.) Según la tecnología en que se basen, es decir, el tipo de bus que usan para comunicarse con el micro, presentan un aspecto externo diferente, con diferente tamaño y a veces incluso en distinto color.

PCI Ranuras PCI: el estándar actual. Pueden dar hasta 132 MB/s a

33 MHz, lo que es suficiente para casi todo, excepto quizá para algunas tarjetas de vídeo 3D. Miden unos 8,5 cm. Y generalmente son blancos.

AGP Ranuras AGP: exclusivamente para conectar tarjetas de

vídeo 3D, por lo que sólo suele haber una. Según el modo de funcionamiento puede ofrecer 264 MB/s o incluso 528 MB/s.

PCIe Es el Slot más actual que se puede ver en la placa base, en un principio se diseño para las

controladoras gráficas, pero en la actual se está ampliando su uso, sobre todo para los nuevos discos duros en estado sólido.

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Existen distintas versiones dentro de este slot, desde el 1x hasta el 32x; siendo su longitud proporcional a la frecuencia que usan. Los modelos superiores se utilizan en equipos de gama alta y servidores, los inferiores en PCs convencionales.

Además, algunas placas bases tienen la posibilidad de conectar dos tarjetas gráficas de forma simultánea, lo que aumenta su capacidad de computo. Estos sistemas son propietarios de las marcas ATI (Sistema Crossfire) y NVIDIA (Sistema SLI).

⇒ Conectores SATA

Es una conexión de alta velocidad para discos duros (aunque ya

están saliendo al mercado otros periféricos con esta conexión, como grabadoras de DVD).

Aumenta la velocidad de transferencia, y al ser mucho más fino el cable de datos permite una mejor refrigeración del equipo.

También tienen la ventaja de que normalmente permiten conexión y desconexión en caliente, es decir, sin necesidad de apagar el equipo.

Existen tres versiones del mismo conector, aumentando la velocidad de transferencia en cada una de las versiones.

IDE Es la conexión utilizada para los discos duros, lectores

de CD, de DVD, regrabadoras de DVD y algún que otro periférico. Consisten en unos slot con 40 pines (normalmente 39 más uno libre de control de posición de la faja o cable) en los que se insertan las fajas (cables) que comunican la placa base con estos periféricos. Admiten sólo dos periféricos por conector, teniendo que estar estos configurados uno como Master o maestro y otro como Slave o esclavo, aunque también permiten que ambas unidades estén configuradas como CS (Cable Select), en cuyo caso la relación maestro/esclavo la determina la posición en la faja (el conector marcado System a la placa base, el conector intermedio se reconoce como esclavo y el conector del extremo como maestro).

Este conector está en desuso y no se incorpora ya en los ordenadores, por lo que su existencia se limita a equipos antiguos.

USB Consiste en una conexión de cuatro pines (aunque suelen ir

por pares) para conectar dispositivos de expansión por USB a

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la placa base, tales como placas adicionales de USB, lectores de tarjetas, puertos USB frontales, etc. Las placas base cada vez traen más conectores USB, siendo ya habitual que tengan cuatro puertos traseros y otros cuatro conectores internos.

Conectores para ventiladores (FAN) Son unos conectores, normalmente de 3 o 4 pines, encargados de

suministrar corriente a los ventiladores, tanto del disipador del microprocesador, como ventiladores auxiliares de la caja. Además de suministrar corriente para los ventiladores, también controlan las rpm de estos, permitiendo a la placa base (cuando cuenta con esta tecnología) ajustar la velocidad del ventilador en función de las necesidades de refrigeración del momento.

⇒ BUS

Es el conjunto de líneas de conexión grabadas sobre la placa madre y las diferentes tarjetas de ampliación que permiten la transmisión de datos entre los componentes de un sistema informático.

Los buses se caracterizan principalmente por el número de datos, agrupados en bits, que pueden transmitir de una sola vez. Así existen buses de 8 bits, de 16, de 32...

También cabe distinguir entre buses de entrada o salida, según lleven datos al procesador o los traigan ya procesados por éste, o entre buses internos o externos, según se encuentren dentro o fuera del microprocesador. Es el conjunto de conductores eléctricos en forma de pistas metálicas impresas sobre la tarjeta madre del computador, por donde circulan las señales que corresponden a los datos binarios del lenguaje máquina con que opera el Microprocesador. Hay tres clases de buses:

• El Bus de Datos mueve los datos entre los dispositivos del hardware, ya sean periféricos de entrada o salida, o bien unidades de almacenamiento.

• El Bus de Dirección (o direcciones) es un bus del microprocesador totalmente independiente al bus de datos, donde se establece la dirección de memoria del dato en tránsito.

• El Bus de Control transporta señales de estado de las operaciones efectuadas por la CPU con las demás unidades. El método utilizado por el ordenador para sincronizar las distintas operaciones se basa en un reloj interno, que facilita la sincronización y evita las colisiones de operaciones.

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⇒ Fuente de alimentación

Dispositivo que transforma la corriente alterna de 220 V de la red eléctrica a 3.3V, 5V, 12V… de corriente continua, que suministra a la placa madre y el resto de dispositivos. Cumple un papel muy importante en la refrigeración de la caja, ya que el ventilador (orientado en la mayoría de fuentes de manera que se expulse el aire al exterior) permite que se renueve el aire caliente del interior de la caja.

6. DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO • Disco duro Es un dispositivo de almacenamiento de datos no volátil que

emplea un sistema de grabación magnética para almacenar datos digitales. Se compone de uno o más platos o discos rígidos, unidos por un mismo eje que gira a gran velocidad dentro de una caja metálica sellada. Sobre cada cara de cada plato se sitúa un cabezal de lectura/escritura que flota sobre una delgada lámina de aire generada por la rotación de los discos.

• Discos ópticos Un disco óptico es un formato de almacenamiento de información digital, que consiste en

un disco circular en el cual la información se codifica, se guarda y almacena, haciendo unos surcos microscópicos con un láser sobre una de las caras planas que lo componen.

CD-ROM: Se trata de un disco plano con información digital codificada en espiral desde el

centro hasta el exterior. Este tipo de CD es de sólo lectura, es decir, no se puede grabar sino que los datos se introducen mediante un proceso llamado “estampado”. Su capacidad oscila entre 700 y 800Mb.

CD-RW: Se trata de un disco compacto como el CD-ROM, pero regrabable, es decir, un disco plano en el cual se puede escribir, leer y borrar la información múltiples veces.

DVD-ROM: Es un disco con una capacidad unas 7 veces superior a la de un CD-ROM convencional (4,7Gb). Sólo puede ser grabado una única vez y los datos no pueden ser borrados ni

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modificados. DVD-RW: Se trata de un disco análogo al CD-RW, pero en formato DVD. Su capacidad es

igual que la de un DVD convencional pero los datos pueden ser grabados, borrados y modificados tantas veces como quieras.

• Blu Ray Es un formato de disco óptico de nueva generación de 12 cm de diámetro (igual que el CD y

el DVD) para vídeo de gran definición y almacenamiento de datos de alta densidad. Se diferencia en que el laser utilizado es más preciso y tiene una mayor tensión, además de tener ese color azul que da nombre al soporte.

• Memoria USB Es un pequeño dispositivo de almacenamiento que utiliza memoria flash

(EEPROM) para guardar la información. Son pequeñas y ligeras y permiten el almacenamiento masivo de datos (hay de varios tamaños: 2Gb, 4Gb, 16Gb…). Se conectan al ordenador por medio de un puerto USB, del cual disponemos de 3 versiones distintas.

7. OTROS DISPOSITIVOS

• Puertos

Un puerto es una interfaz de comunicación que permite la entrada y salida de datos desde el ordenador a los distintos dispositivos externos.

CONEXIONES I/O:

Las conexiones I/O (Input/Output) son las encargadas de comunicar el PC con el usuario a

través de los llamados periféricos de interfaz humana (teclado y ratón), así como con algunos periféricos externos.

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o PS/2

Dos conectores del tipo PS2, de 6 pines, uno para el teclado y otro para el ratón, normalmente diferenciados por colores (verde para ratón y malva para teclado).

o USB

Sistema de conexión para todo tipo de periféricos (ratón, teclado, monitor...). Permite la

conexión y desconexión durante el funcionamiento. Suelen llevar cuatro conectores USB 2.0 En muchos casos traen otros dos en una plaquita que se conecta a los USB internos de la placa.

o RS-232

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Conocidos también como puertos serie. Suelen traer uno o dos (aunque cada vez son más las placas que traen solo uno e incluso ninguno, relegando este tipo de puerto a un conector interno y una plaquita para instalar sólo en caso de que lo necesitemos).

o PARALELO

Es un puerto cuya principal misión es la conexión de impresoras. Dado que las impresoras

vienen con puerto USB cada vez se utiliza menos, habiendo ya algunas placas que carecen de este puerto.

o Ethernet

Es un conector para redes en formato RJ-45. Actualmente todas las placas base vienen

con tarjeta de red tipo Ethernet, con velocidades 10/100, llegando a 10/100/1000 en las placas de gama media-alta y alta. Algunos modelos de gama alta incorporan dos tarjetas Ethernet.

o Sonido

Igual que en el caso anterior. La calidad del sonido en placa base es cada vez mejor, lo que

ha hecho que los principales fabricantes de tarjetas de sonido abandonen las gamas bajas de estas, centrándose en gamas media-alta y alta. Muchas de ellas incorporan salida digital.

o IEEE 1394 (FIREWIRE)

Es un puerto destinado a la entrada y salida de datos en serie a gran velocidad, utilizado sobre todo para la interconexión de dispositivos digitales como cámaras y discos duros.

• Tarjeta gráfica

Se trata de una tarjeta de expansión que permite procesar la información y convertirla en datos representables en un monitor.

• Tarjeta de sonido Es una tarjeta de expansión para ordenadores que permite la

entrada y salida de audio bajo el control de un programa informático llamado controlador. Provee que las aplicaciones multimedia del contenido de audio suenen y puedan ser gestionadas.

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• Tarjeta de red

Se trata de una tarjeta de expansión conectada a la placa base del ordenador que es utilizado como conector entre el equipo y una red informática. Según el medio físico de la red a la que se conecte tendremos tarjeta de red Ethernet (par trenzado), tarjeta Wireless (Inalámbrico, WIFI) o tarjeta de red de fibra óptica.

• Router Un router es un dispositivo para la interconexión de

redes informáticas que permite asegurar el enrutamiento de paquetes entre redes o determinar la ruta que debe tomar el paquete de datos. Asocia una dirección IP específica a cada equipo cuando se conecta a una red.

Si hablamos de los routers que nos proporcionan los proveedores de internet debemos de decir que son algo más que un router, ya que podemos encontrarnos con que dichos dispositivos realizan las funciones de Modem, Switch, Router y Access Point.

8. Esquema General del funcionamiento de un Ordenador

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Unidad Aritmético Lógica (ALU): es un circuito digital que calcula operaciones aritméticas (suma, resta, multiplicación, etc.) y operaciones lógicas (si, y, o, no), entre dos números. Los microprocesadores tienen dentro de ellos un ALU muy complejo y potente. De hecho, un microprocesador moderno puede tener múltiples núcleos, cada núcleo con múltiples unidades de ejecución, cada una de ellas con múltiples ALU. Como apoyo de ello también podemos encontrar la unidad de procesamiento en punto flotante (FPU) que se encarga de realizar operaciones aritméticas más complejas.

Unidad de Control (UC): es el dispositivo para coordinar y controlar el funcionamiento de los restantes elementos del ordenador. Detecta señales de estado procedentes de las distintas unidades indicando su situación o condición de funcionamiento, además de generar señales de control, para poder ejecutar unas instrucciones.

Arranque y funcionamiento del PC -Cuando encendemos el equipo, el microprocesador recibe la señal y ordena a la BIOS que

ejecute el programa de arranque o POST. Ésta comprueba que los dispositivos conectados al ordenador funcionen correctamente y carga el sistema operativo.

-El funcionamiento de las aplicaciones del ordenador es dirigido por el procesador, que recibe e interpreta las instrucciones desde la memoria y transforma los datos obtenidos mediante periféricos (teclado, ratón…) en código binario. Los datos se guardan temporalmente en la memoria RAM hasta que se decida guardarlos, cuando se traspasan al disco duro o a un dispositivo de almacenamiento.

ESQUEMA GENERAL DE UN ORDENADOR

Memoria masiva

Memoria principal

Unidad de control (UC)

Unidad Aritmético

Lógica (ALU)

CPU: microprocesador

Datos Instrucciones

ENTRADA SALIDA

Datos Datos Datos

Entrada

Datos e instrucciones

Instrucciones Datos Salida