Capítulo 1
Arquitecturas de un sistema microinformático
Contenido
2. Esquema funcional de un ordenador
3. La unidad central de proceso y sus elementos
5. Correspondencia entre los subsistemas físico y lógico
Durante este capítulo se conocerá la arquitectura y el funcionamiento de los sistemas microinformáticos, además de cómo es transferida la información del equipo informático al usuario o viceversa.
Se estudiará también qué dispositivos informáticos permiten introducir información al sistema o recibir información, y cuáles de ellos pueden almacenar información tanto dentro como fuera del sistema microinformático.
A lo largo del capítulo se observará que, gracias a la evolución constante de la tecnología, las prestaciones de los sistemas microinformáticos son cada vez más útiles y sencillas para los usuarios.
A pesar de que los primeros ordenadores no se parecen en casi nada a los actuales, su esquema de funcionamiento sigue siendo muy similar o idéntico en la mayoría de ellos.
Funcionalmente, se pueden distinguir dos arquitecturas:
La ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) fue el primer ordenador de uso general en todo el mundo. Su principal inconveniente era que había que programarlo manualmente mediante conmutadores y conectando y desconectando cables. El proceso de programación podría ser más fácil si el programa se representaba en una forma adecuada para ser guardado en la memoria junto con los datos.
Entonces, la computadora conseguiría sus instrucciones leyéndolas de la memoria, y se podría hacer o modificar un programa escribiendo en una zona de memoria.
Esta idea, conocida como concepto de programa almacenado, se atribuye a los diseñadores de la ENIAC, sobre todo a John von Neumann. En 1946, Von Neumann y sus amigos empezaron el diseño de la nueva computadora que llamaron IAS y que terminaron en 1952, siendo el prototipo de toda una secuencia de computadoras de uso general.
Nota
Salvo rara excepción, todos los ordenadores de hoy día tienen la misma estructura general y el funcionamiento que las máquinas de Von Neumann.
La memoria de la IAS consiste en 1.000 localidades de almacenamiento, llamadas “palabras de 40 bits”, guardando tanto instrucciones como datos. Cada palabra podía contener un número representado con un bit de signo y 39 de magnitud, o bien dos instrucciones de 20 bits cada una.
La unidad de control de la IAS trae instrucciones de la memoria y las ejecuta una por una.
La imagen anterior muestra que tanto la unidad de control como la unidad aritmético-lógica (ALU) contienen localidades de almacenamiento llamadas registros, definidos de la siguiente manera:
Virtualmente, todas las computadoras se han diseñado basándose en los conceptos desarrollados por Von Neumann. Tal diseño se conoce como arquitectura de Von Neumann y se basa en tres conceptos clave:
La arquitectura Harvard tiene memoria de programa o instrucciones y memoria de datos separadas, y se accede a ellas a través de buses separados. La instrucción se trae a la CPU en un solo acceso a la memoria de programa. Mientras tanto, el bus de datos está libre y se puede acceder a través de él a los datos que se necesitan para ejecutar la instrucción de programa anterior a la memoria de programa que se está trayendo en ese momento.
Nota
El tiempo de acceso se mejora respecto a la arquitectura Von Neuman, donde programa y datos llegan a la CPU usando el mismo bus.
La unidad central de proceso o CPU es el cerebro del ordenador, la parte más importante. Es un circuito microscópico que interpreta y ejecuta instrucciones, es decir, es donde se producen la mayoría de cálculos. Las funciones de la CPU son ocuparse y llevar el control y el proceso de datos en los ordenadores.
Habitualmente, la CPU es un microprocesador fabricado en un chip, un único trozo de silicio que contiene millones de componentes electrónicos. El microprocesador de la CPU está formado por:
Para aceptar órdenes del usuario, acceder a los datos y presentar los resultados, la CPU se comunica a través de un conjunto de circuitos o conexiones llamado “bus”.
Los procesadores más usados actualmente son i7 o i9 de Intel (intel.com) y el más actual corresponde al procesador 3909R del fabricante AMD (amd. com) cuya característica principal es que puede hacer funcionar la pantalla sin necesidad de tarjeta gráfica.
Microprocesador Intel Core i7
Microprocesadores Intel i9 y AMD Ryzen
Tradicionalmente se ha hablado de dos memorias principales en un PC: la memoria ROM y la memoria RAM.
Nota
La memoria ROM es una memoria de solo de lectura, totalmente inalterable. Es necesaria para arrancar.
La memoria ROM es de almacenamiento permanente e inmodificable. La memoria RAM es el área de trabajo real del PC y es volátil. La ROM es una memoria “semiprogramable” que permite personalizar, mediante un subprograma almacenado en ella, ciertas funciones del PC para adaptarlo a los diferentes componentes de los que está constituido.
Memoria ROM
La memoria RAM es como un escritorio con cajones donde se ordena la información. La importancia de esta memoria es tan grande que, si está ausente, el ordenador no arranca: no hay sonido, ni cursor en pantalla, ni luces que se enciendan o se apaguen.
La memoria RAM es el lugar físico donde se guardan las instrucciones y la información que está siendo utilizada y ejecutada en el momento. Este guardado se realiza automáticamente, y hay que tener en cuenta que, cuando el ordenador se reinicia o se apaga, toda la información se pierde: es una memoria volátil. La RAM es como una pizarra donde se copian datos y trabajos que se están haciendo en ese programa.
La memoria RAM está constituida por un conjunto de chips donde el microprocesador puede leer o escribir datos. Posee muchos renglones, cualquiera de ellos puede elegirse para escribir, leer o borrar datos.
Memoria RAM
Estas memorias necesitan tensión para mantener sus datos y, por eso, al apagar el ordenador se pierde todo su contenido.
Nota
El tiempo que tarda la RAM en entregar el dato solicitado se llama “tiempo de acceso” y es medido en nanosegundos. El conjunto de chips que conforman la RAM principal se encuentra conectado a los tres buses (direcciones, datos y control) para poder intercambiar datos con el microprocesador.
Cualquiera de los renglones de memoria puede ser elegido por él al poner en el bus de direcciones una dirección específica (número de renglón). A su vez, por el bus de control, se indica el chip de memoria seleccionado para trabajar, y si el proceso es de escritura o de lectura. Los datos fluyen por el bus de datos, ya sea de la memoria al microprocesador o a la inversa. Los chips de memoria poseen muchas posiciones, cada una de ellas es una dirección de memoria.
Nota
Cada depósito de un dato en la memoria (operando, resultado, etc.) se ubica por una dirección en hexadecimal.
Las unidades de entrada/salida son la colección de interfaces que usan las distintas unidades funcionales (subsistemas) de un sistema de procesamiento de información para comunicarse unas con otras, o las señales (información) enviadas a través de esas interfaces. También se pueden encontrar abreviadas: E/S o I/O (del original en inglés: input/output).
Las entradas son las señales recibidas por la unidad, mientras que las salidas son las señales enviadas por esta. El término puede ser usado para describir una acción. “Realizar una entrada/salida” se refiere a ejecutar una operación de entrada o de salida.
En arquitectura de sistemas microinformáticos se puede considerar entrada/salida a cualquier movimiento de información desde o hacia la combinación de una unidad central de procesamiento (CPU) y memoria principal. La CPU y su circuito complementario disponen de métodos de entrada/salida que se usan en programación de bajo nivel para la implementación de controladores de dispositivos.
Los dispositivos de E/S los usa una persona u otro sistema para comunicarse con un ordenador. Si se habla de dispositivos de entrada y salida, cabe destacar los siguientes conceptos y dispositivos:
Permiten introducir la información necesaria para que el usuario pueda comunicarse con el ordenador y pueda decirle qué quiere que haga. Entre los más habituales se encuentran:
Equipo multifunción
Muestran los resultados producidos por el ordenador para que el usuario sea capaz de decidir si son correctos o no. En esta categoría se pueden citar:
Proyector
Por último, estos dispositivos pueden tanto introducir información en el ordenador como recibir el resultado después de los cálculos y las operaciones efectuadas por el ordenador. Cabe destacar en este grupo:
Tarjetas de memoria
La informática y la tecnología en general avanzan a gran velocidad, dejando, en algunos casos, obsoletos dispositivos con muy poco tiempo. Pues bien, con los dispositivos de almacenamiento, los avances que se producen día a día son: mayor capacidad, menor tamaño y, en algunos, como los USB, mayor velocidad de transmisión.
En los siguientes apartados se verán los dispositivos de almacenamiento actuales más utilizados y sus características.
Los dispositivos de almacenamiento se pueden clasificar de acuerdo al modo de acceso a los datos que contienen:
El más destacado y utilizado es el disco duro. Son en la actualidad el principal subsistema de almacenamiento de información en los sistemas informáticos. Es un dispositivo encargado de almacenar información de forma persistente en un ordenador, es considerado el sistema de almacenamiento más importante del computador y en él se guardan los archivos de los programas.
Disco duro
Los discos duros son una fuente de almacenamiento fiable y hoy en día se han convertido en la opción más económica a la hora de guardar grandes cantidades de datos.
Ejemplo
Si el sistema operativo se cierra mal por un corte de luz, la mayoría de las veces se podrá arrancar el ordenador sin temor a pérdidas de datos.
Además de en los ordenadores, se pueden encontrar discos duros en varias consolas de videojuegos. Desde hace algún tiempo han aparecido los llamados “discos duros multimedia”, que permiten almacenar fotos y vídeos principalmente sin necesidad de usar un ordenador.
La vida útil de un CD se mide por el tiempo a partir del cual comienzan a dar fallos. Por lo general los CD comienzan a dar fallos a partir de los 20 años en números suficientes como para ser significativos, aunque en teoría pueden durar más tiempo. Se pueden distinguir los siguientes dispositivos:
DVD ROM
Aunque se ha comentado que los discos duros son el dispositivo estrella para guardar la información, es cierto que las tarjetas de memoria, y posteriormente los pendrive o lápices de memoria, se han convertido en una especie de discos duros pequeñitos que se pueden llevar en todo momento con uno mismo para tener la información que se necesite o para poder guardar nueva información de otros equipos.
El pendrive, memory flash o lápiz de memoria es un pequeño dispositivo de almacenamiento que utiliza la memoria flash para guardar la información sin necesidad de pilas. Los pendrive son resistentes a los rasguños y al polvo, que han afectado a las formas previas de almacenamiento portable como los CD y los antiguos disquetes. Los sistemas operativos actuales pueden leer y escribir en ellos sin necesidad de controladores especiales.
Pendrive
Las tarjetas de memoria aparecieron como solución para almacenamiento de información en las cámaras de fotos y los teléfonos móviles, pero enseguida se vio su utilidad para el almacenamiento en los ordenadores.
En un principio hubo muchos tipos de tarjetas distintas, lo que fomentó la aparición de lectores de los múltiples formatos. Hoy en día, las tarjetas de memoria de tipo MMC y SD se han convertido en el estándar usado por la mayoría de los usuarios.
Aunque ha sido importante el aumento de la capacidad y la velocidad de acceso a los datos de las tarjetas de memoria, estas han quedado relegadas al plano de los diferentes dispositivos electrónicos manuales tales como maquinas de fotos, tabletas, teléfonos, debido en gran parte a la aparición de discos duros portables y memorias USB de capacidades superiores a las que pueden ofrecer las tarjetas de memoria.
Tarjetas de memoria
El bus es la vía a través de la que se van a transmitir y recibir todas las comunicaciones, tanto internas como externas, del sistema informático.
Es el conjunto de líneas de hardware (cables) utilizadas para la transmisión de datos entre los componentes de un sistema informático. Un bus conecta diferentes partes del sistema como el procesador, la controladora de unidad de disco, la memoria y los puertos de entrada/salida, permitiéndoles transmitir información. El bus, por lo general, es supervisado por el microprocesador.
El bus es solamente un dispositivo de transferencia de información entre los componentes conectados a él, no almacena información alguna en ningún momento.
Nota
Los datos se transfieren en forma de señal eléctrica, y solo permanecen en el bus el tiempo que necesitan para recorrer la distancia entre los dos componentes implicados en la transferencia.
Según el método de envío de información, existen dos tipos: el bus paralelo y el bus serie.
El bus paralelo permite transmitir varios bits simultáneamente. En él se definen tres líneas especializadas:
El bus serie envía los datos bit a bit, por lo que resulta lento. La principal ventaja de una conexión en bus serie es que resulta eficaz a distancias largas, mientras que las conexiones en paralelo están limitadas a tres metros entre la CPU y el dispositivo externo.
Un sistema microinformático se divide o se compone de los subsistemas físico y lógico.
El subsistema físico se compone del conjunto de elementos que hacen posible el tratamiento de la información por medios electrónicos. Es la parte física de un ordenador. Entre ellos cabe destacar:
El subsistema lógico está compuesto por:
Aplicación práctica
Un operario está realizando el montaje físico de un ordenador y únicamente le queda decidir e instalar los dispositivos de almacenamiento a partir de las condiciones establecidas por un cliente.
El cliente ha solicitado poder realizar, como mínimo, las siguientes funciones:
Realice una tabla en la que se especifiquen y relacionen las unidades y los dispositivos necesarios con cada característica exigida por el cliente.
SOLUCIÓN
| Característica exigida | Dispositivos o medios necesarios |
| Grabar proyectos de al menos 10 GB. | Instalar una unidad lectora y grabadora de DVD-ROM, y poner a disposición del cliente varios discos DVD-ROM de doble cara. |
| Pasar fotos de la tarjeta de la cámara al ordenador rápidamente. | Instalar un lector de tarjetas SD y MMC. Dejar a disposición del cliente alguna tarjeta MMC o SD según las características de la cámara. |
| Capacidad en el PC para guardar copias de seguridad. | Instalar un disco duro. Actualmente existen discos duros de hasta 14 TB o 14.000 GB. |
| Medio externo para archivos de poca capacidad rápidamente. | Instalar, al menos, tres conectores USB. Dejar al cliente un pendrive de unos 8 GB. |
Aplicación práctica
El mismo cliente de la aplicación práctica anterior, un tiempo después de estar trabajando con su equipo informático y ver que todo está correctamente, ha solicitado complementar y mejorar las funciones del mismo.
Esta vez, los requisitos solicitados están relacionados con las unidades de entrada y salida, y son:
A partir de esta información, indique qué dispositivos son necesarios para cada requisito y si estos son dispositivos de entrada, salida o entrada/salida.
SOLUCIÓN
Las dos arquitecturas principales de los sistemas microinformáticos son la de Von Neumann y la de Harvard. Su principal diferencia es que la de Von Neumann utiliza el mismo dispositivo de almacenamiento para instrucciones y datos, mientras que la de Harvard utiliza dispositivos de almacenamiento físicamente separados para instrucciones y datos.
La CPU se puede considerar la parte central de un sistema microinformático, ya que se ocupa del control y el proceso de datos de un ordenador.
También se han estudiado los diferentes tipos de memoria interna, como las RAM o ROM, y los dispositivos de almacenamiento, como los discos duros.
De los buses, lo más destacado es la diferencia entre el bus paralelo y el bus serie. El primero permite transmitir varios bits simultáneamente, mientras que el segundo solo transmite bit a bit, por lo tanto es más lento, pero permite transmitir a mayores distancias.
Ejercicios de repaso y autoevaluación
1. El bus serie envía los datos…
2. Indique si la siguiente afirmación es verdadera o falsa.
Los DVD-RAM son capaces de leer cualquier disco CD-R o CD-RW, pero no de escribir sobre estos.
3. ¿Qué función realiza el acumulador (AC)?
4. La unidad de control…
5. ¿Cuál de los siguientes dispositivos son de entrada?
6. Un DVD-ROM en una cara tiene una capacidad en torno a…
7. ¿De qué líneas está compuesto el bus paralelo?
8. Los programas de servicio…
9. Los programas de control…
10. La memoria ROM…