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Arquitectura de Ordenadores
ÍNDICE
1. Introducción .................................................................................................................. 2
2. Sistemas Informáticos ................................................................................................... 2
3. Arquitectura de Ordenadores ....................................................................................... 3
3. 1. El procesador ......................................................................................................... 4
3.2. La memoria. ............................................................................................................ 6
3.3. Buses. ..................................................................................................................... 7
4. Hardware ...................................................................................................................... 8
4.1 Imprescindible ...................................................................................................... 8
4.2. Periféricos............................................................................................................. 12
5. Software ...................................................................................................................... 14
1. Introducción
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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.
3. Arquitectura de Ordenadores
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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.
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3. 1. 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:
CPU Memoria E / S
Buses
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• 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
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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.
3.2. 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.
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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).
3.3. 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.
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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:
4. Hardware
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• 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.
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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.
4. Hardware
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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.
4. Hardware
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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 1024x768.
4. Hardware
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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.
5. Software
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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 aplicaciones de usuario más variadas.
El conjunto de programas necesarios para que el usuario pueda controlar todos los
dispositivos del ordenador recibe el nombre de Sistema Operativo (SO). El SO contiene los
programas necesarios para manipular los dispositivos que componen el ordenador. A cada
uno de estos programas se le denomina controlador o driver. Estos programas son
proporcionados por los fabricantes para cada SO.