Arquitectura de una Computadora - Capítulo 1

Arquitectura de una Computadora Introducción Tal como explicamos en varias obras anteriores, una computadora es un equipo diseñado para procesar información, de acuerdo a un conjunto de instrucciones llamado programa. Conceptualmente, una computadora puede ser dividida en tres secciones principales: 1) Unidad de sistema - Es el bloque en el que se realiza la mayor parte del trabajo de cómputo. En su interior se localiza la tarjeta principal o tarjeta madre, a la que van conectadas las tarjetas de interface para la comunicación con los dispositivos de almacenamiento (que también van en su interior) y los periféricos. 2) Periféricos de entrada de datos - Son aquellos elementos mediante los que el usuario se comunica con la unidad de sistema e introduce datos e instrucciones. Los más importantes son el teclado y el mouse. 3) Periféricos de salida de datos - Son aquellos dispositivos que permiten al usuario recibir de manera concreta los resultados del proceso informático, como son el monitor y la impresora. A esta organización por bloques o módulos que dependen y se conectan a un bloque principal (la tarjeta madre), se le conoce como arquitectura modular, concepto que toma forma a nivel de estándar con el modelo PC de IBM, según explicaremos más adelante. Howard Aiken, en 1940 (un matemático de la Universidad de Harvard), diseñó el equipo considerado como la primera computadora digital, porque trabajaba con estados lógicos y presentaba un principio de programación; esto es, la máquina podía adaptarse a distintas condiciones operativas por medio de instrucciones externas suministradas por el usuario. Sin embargo, se trataba de un rudimentario modelo construido con partes mecánicas, en el que la secuencia de instrucciones para la resolución de problemas debía ser alimentada a cada paso mediante un rollo de papel perforado. En 1945, el mismo Aiken construyó una computadora de programa almacenado, tomando como base los conceptos de John Von Neumann, uno de los matemáticos más notables del siglo. En este nuevo modelo las instrucciones eran almacenadas en una memoria interna, liberando así a la computadora de las limitaciones de velocidad, resolviendo problemas sin tener que reiniciar la operación de la máquina. El avance de la tecnología, permitió construir la primera computadora electrónica en

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1946, en la Universidad de Pennsylvania. Esta máquina recibió el nombre de ENIAC, por las siglas de Electronic Numerical Integrator And Computer, utilizaba 18.000 válvulas de vacío y era capaz de efectuar varios cientos de multiplicaciones por minuto, lo que representaba una velocidad extraordinaria para la época. El uso del transistor en los años 50, permitió no sólo compactar los diseños de las computadoras, sino también incrementar su versatilidad lógica. En los años 60, con el desarrollo de los circuitos integrados, prosiguió esta tendencia hacia la miniaturización, permitiendo el aumento de la velocidad y capacidad informática. Pero además, esta nueva tecnología permitió incluir en una sola pastilla de silicio, los componentes que constituyen el núcleo de una computadora (la unidad lógica-aritmética, ALU, los registros, los controles de direcciones, el timer, etc., secciones que originalmente se construían de manera independiente con dispositivos discretos), así se dio origen al microprocesador. El primer microprocesador, el 4004, fue introducido en 1971 por Intel y tenía una bus de datos de 4 bits. Posteriormente surgieron otros dispositivos, como el 8008 y el 8080, ambos de 8 bits, lanzados exitosamente al mercado por en 1972 y 1973 respectivamente. Con el microprocesador surgieron las primeras computadoras de tipo personal, con la introducción del procesador 8080, un dispositivo 10 veces más rápido que el 8008 y con capacidad de direccionar 64kB de memoria. MITS introdujo en 1975 un kit que es en la actualidad considerado como la primera computadora personal: el modelo Altair. Esta pequeña computadora incluía una arquitectura abierta (basada en ranuras o slots) que permitía conectar varios aditamentos y periféricos de otras marcas. Hacia 1980 el mundo de las computadoras personales estaba dominado básicamente por dos tipos de sistemas: 1) El Apple II, con un gran número de usuarios y una importante base de software que crecía rápidamente. 2) Un sistema más sencillo que giraba en torno al original MITS Altair, el cual se basaba en la filosofía de la compatibilidad, apoyado en slots de expansión y en el empleo del sistema operativo CP/M. Eran máquinas construidas por varias compañías y se vendían con diversos nombres, aunque en esencia utilizaban el mismo software y el mismo hardware interconectable. En 1981 se presentó la IBM PC (IBM Personal Computer), introduciendo los lenguajes y sistemas operativos; concretamente, llegó a un acuerdo con Microsoft, por entonces una pequeña compañía, para incluir su sistema operativo DOS en sus modelos. La primera IBM PC incluía un microprocesador Intel 8088, con 128kB de RAM (expandibles a 512kB), una unidad de disco flexible de 51/4 pulgadas y 360kB de capacidad. Luego apareció el estándar tomó el nombre de IBM PC-XT (Personal Computer-Exten-

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Arquitectura de una Computadora - Capítulo 1 ded Technology); sin embargo, también aprovechaba los microprocesadores de 16 bits y cumplía con la principal virtud de la plataforma: su arquitectura abierta. La plataforma PC no es la única, pero sí es la predominante por su amplia gama de aplicaciones, a diferencia de otros formatos como Macintosh, Sun, Amiga, Silicon Graphics, etc.

Descripción de una Computadora Damos a continuación una explicación sencilla de las distintas partes principales que conforman una computadora, las cuales iremos desarrollando a lo largo de este libro.

Placa madre, Placa Base o Tarjeta Madre También se la llama placa principal y es el circuito impreso que permite la unión de todos los componentes. Por ella circula toda la información procesada por la CPU. En la placa, entre otras cosas, se encuentran las siguientes partes: • Compartimiento para el microprocesador, que es el lugar donde se instala el microprocesador, dependiendo del tipo de chip tendrá una forma u otra. Las dos técnicas básicas de anclaje son zócalo y slot o ranura. • Chipset y/o Controlador de discos. Algunos modelos cuentan con este circuito que le permite la instalación de discos IDE o SCSI, dependiendo del circuito que vengan con su placa base. Normalmente cuenta con tres conectores, dos de los cuales son de 40 pines en los cuales se conectan las unidades de disco duro y CD-ROM. Sólo es posible instalar dos unidades por cada conector. Hay otro conector de similares características pero un poco más pequeño, de 32 pines, en el que va conectada la unidad de disquete. • Ranura AGP (las viejas no la tienen). Es una ranura, normal-

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mente de color marrón, en la cual se inserta la tarjeta gráfica arquitectura AGP. • Ranuras de expansión. Son de formato parecido a la ranura AGP, las hay de dos tipos, ISA y PCI. Las ISA son más grandes y las placas actuales sólo cuentan con una o dos. Suelen ser de color negro. Las PCI son algo más pequeñas y habitualmente de color blanco. En ellas se colocan las tarjetas de expansión (tarjetas de video o de sonido, placas de red, etc.). La diferencia funcional entre ISA y PCI es que estas últimas trabajan con 64 bits, mientras que las primeras lo hacen con 16, además, las ranuras PCI son autoconfigurables (plug and play) y las ISA necesitan configuración manual. • Zócalos de memoria. Sobre estas ranuras se instalan los módulos de memoria RAM. Dependiendo de la velocidad de la placa, 100, 133MHz, etc. se podrá instalar memoria de un tipo u otro. Las memorias de 133MHz funcionan en las placas de 100MHz, pero no al contrario. • Otros componentes: En la placa madre existe gran cantidad de componentes que iremos describiendo en el capítulo escrito para tal fin, pero no podemos dejar de mencionar a la memoria BIOS que es la encargada de hacer “arrancar” al microprocesador para que la computadora cargue el sistema operativo que le permita funcionar.

Memoria Ram Es la encargada de almacenar los datos y programas que se están utilizando en cada momento mientras la computadora está encendida. El usuario no tiene control real sobre la memoria ya que su administración es función del sistema operativo. La memoria es un espacio de almacenamiento temporal gestionado por el microprocesador. Los datos contenidos en ella desaparecen cada vez que se apaga el equipo, a diferencia de lo que ocurre con el disco rígido en el cual la información almacenada es gestionada por el usuario y permanece por más que se quite la alimentación a la computadora. Las memorias se disponen en “barras” o módulos que contiene una serie de chips y van encajados perpendicularmente en los zócalos o bases de la placa madre. Hay varios tipos de memoria y no todos son compatibles con todas las placas.

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Arquitectura de una Computadora - Capítulo 1 Fuente de Poder Es la encargada de suministrar las diferentes tensiones para el funcionamiento de los elementos conectados a la placa madre (2,8V, 3V, 12V, 15V, etc.). La fuente de alimentación tiene un conector en la cara que asoma por la parte posterior del PC para enchufar el cable de alimentación y un interruptor que permite encender o apagar totalmente el equipo. El cable que sale de la fuente que tiene el conector más grande, con dos hileras de 10 pines cada una, se conecta a la placa base. Los otros conectores alimentan a las diferentes unidades de disco: disco duro, CD, DVD, disquetera, etc. Una computadora debe protegerse de la corriente eléctrica externa, surtiéndose de una fuente de alimentación estable y constante y protegiéndose con aparatos que ejerzan la función de barrera tales como los reguladores de voltaje y supresores de picos de voltaje. La instalación de un polo a tierra, atenúa el daño de una sobrecarga o cortocircuito, derivando el exceso de corriente hacia el exterior del sistema, y protegiendo al operador. El circuito eléctrico de alimentación de una computadora (alimentación de la fuente) necesita normalmente tres líneas de alimentación: la fase, el neutro y la tierra. En la secuencia de instalación se conecta primero el regulador de voltaje o acondicionador, quien se encarga de mantener un voltaje promedio (110-115 voltios o 210-220V, según la tensión de la red). Un buen regulador interrumpe el circuito de alimentación cuando las variaciones de tensión exceden los rangos en un 20%. En ciertos casos, es necesario instalar a continuación una fuente de energía ininterrumpida o UPS, esto es cuando trabajamos con datos valiosos o delicados en el PC. Después del regulador o UPS se conecta la computadora.

Disco Rígido Es la unidad fija de almacenamiento. Aquí se guardan los programas, los datos y el sistema operativo. La capacidad del disco duro se mide en gigabytes (antes eran megabytes) y cualquier programa que instale ocupa parte de estos gigabytes. Dentro de una computadora puede haber varios discos duros. En la parte posterior del disco

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se encuentran todos los conectores y puentes para su configuración. El conector de suministro de corriente es rectangular, de unos dos centímetros de largo y con dos vértices oblicuos (con chanfle). Cualquiera de los grupos de cables que salen de la fuente con un conector que encaje en dicho enchufe sirve para alimentar al disco. El conector de datos también es rectangular y tiene dos hileras de pines con un total de 40 (IDE). Se utiliza un cable plano para unir el disco duro desde este conector con uno similar que hay en la placa base o tarjeta controladora. Por último, hay un grupo de puentes (jumpers) que permiten la configuración del disco, es decir, su nivel de prioridad dentro del controlador. Algunas combinaciones posibles para la configuración son: Ma: Master. Establece que es el único disco del cable o bien el definido como principal. SL: Slave. Segundo disco del cable. CS: Cable Select (Selección por cable). En función del conector del cable en el que está el disco, puede ser maestro o esclavo.

Unidades de CD/DVD/CDRW En principio son las unidades definidas como multimedia que poseen en la parte posterior conectores similares a los descriptos para el disco duro, agregándole un conector más, que a su vez es más pequeño con una sola hilera de pines para la salida de audio, desde la cual parte un cable que va a la entrada de CD situada en la tarjeta de sonido.

Unidad de Disquete Es la encargada de leer y grabar disquetes. Al igual que los otros tipos de unidades, tiene un conector de datos con 32 pines en lugar de 40 y uno de alimentación que es un poco más pequeño. Las conexiones son similares a lo visto recién. El cable de la disquetera lleva un cruce entre los dos juegos de conectores, que identifica la unidad A y la B. Si la disquetera está conectada después del cruce, será la unidad A; de lo contrario será la B. (En algunos sistemas se puede asignar la letra de la unidad a través del BIOS de la máquina, como veremos más adelante).

Tarjeta Gráfica Es la comúnmente llamada placa de video y puede estar instalada en la ranura AGP o en uno de los conectores PCI, dependiendo de la arquitectura de la tarjeta. Es la encargada de transmitir los datos al monitor para su visualización. Por la parte exterior de la caja de la computadora sale el cable de datos que va al monitor.

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Arquitectura de una Computadora - Capítulo 1 Tarjeta de Sonido Se la conecta en una ranura PCI o ISA. En la parte exterior del gabinete de la computadora estarán presentes una serie de conectores que varían en función de las marcas y modelos de estas tarjetas. Sin embargo, todas tienen un conector para parlantes (altavoces o bocinas) o auriculares, otro para micrófono y un tercero de entrada de línea para grabar sonido procedente de cualquier equipo de música. En la placa hay lugar para un conector que la une con la unidad de CD, que se utiliza para reproducir discos compactos. En él se conecta un cable que viene desde la salida de audio de la unidad de CD/DVD/CD-RW.

Hardware y Software Una computadora se integra por dos conjuntos de componentes inseparables: uno físico y otro lógico (virtual si se quiere); es decir, por un grupo de elementos materiales como la tarjeta madre, el monitor, el teclado, etc., y por un grupo de elementos intangibles como los programas de arranque y las aplicaciones. Una computadora sin programas no tiene aplicación concreta alguna, así se trate de la máquina más poderosa y veloz; equivale a una persona en vida vegetal o como un fino equipo de sonido que no es alimentado por algún tipo de señal, sea del sintonizador, del reproductor de CD, de la grabadora, etc. Precisamente, al conjunto de elementos físicos que conforman una computadora se le llama hardware, mientras que al conjunto de elementos lógicos con que trabaja se le llama software. De esta manera, cuando escuchamos hablar de una computadora con un procesador 486, con determinado tipo de monitor, cierta cantidad de memoria RAM y capacidad de disco duro, etc., únicamente se está describiendo el hardware del sistema. Mientras que cuando se menciona que la máquina también incluye al sistema operativo MS-DOS y varios programas para procesamiento de textos, bases de datos, hoja de cálculo, comunicaciones, etc., se está describiendo el software del sistema. Hardware y software son elementos inseparables, por lo que uno carece de sentido sin el otro, así como para nada sirve un equipo de audio Hi-Fi si no se capta la señal de alguna fuente de sonido (radio, CD, casette, etc.). El software son los programas que convierten a la computadora en una herramienta útil para determinadas actividades, puesto que son como "inteligencia". Pero la ventaja de esta "inteligencia" es que es intercambiable, gracias a lo cual puede asignársele a la máquina una función diferente en uno u otro momento. El software se divide en tres categorías básicas:

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Sistema operativo, Software de aplicaciones y Software de utilitarios. Adicionalmente, llegan a considerarse como software a los datos de trabajo que en la actividad cotidiana se van generando y grabando en discos u otro medio de almacenamiento. Y de hecho, se consideran como software en una definición amplia porque a diferencia del hardware, resulta imposible "tocar" un pedazo de información o cambiarlo físicamente de posición o acercarlo o alejarlo; la información tan sólo se almacena, se maneja, se procesa y es posible visualizarla con ayuda de algunos elementos como el monitor y la impresora; incluso se puede modificar directamente recurriendo a utilitarios especiales de programación o edición, pero en todo caso, se realiza la modificación sin que físicamente se haya manejado un bit o un byte, ya que este trabajo queda a cargo del microprocesador, auxiliado por el software de edición correspondiente. El sistema operativo es el programa de control maestro que define la forma en que se va a comunicar el usuario con la computadora. A través de información almacenada en una memoria llamada BIOS, el sistema operativo hace que la computadora se auto-reconozca con todos sus elementos (unidad central de procesos, periféricos, etc.), a la vez que brinda al usuario el medio de comunicación y sirve de plataforma para la ejecución del software de aplicaciones. Cuando la computadora se enciende, automáticamente se ejecutan dos rutinas para checar la fiabilidad del sistema: la rutina POST (Power-On Self Test o autoprueba de encendido) y la verificación de paridad de memoria. Ambas pruebas corresponden a pequeños programas (llamados BIOS), que se incluyen en chips de memoria ROM alojados en la tarjeta madre y permiten comprobar si el equipo está listo para trabajar. Una vez que concluyen dichas pruebas, la máquina debe buscar un sistema operativo para comenzar a funcionar por sí misma. Cuando se pone en marcha el sistema operativo, por lo menos una parte de él queda cargada en memoria durante todo el tiempo en que la máquina esté encendida, desempeñando las siguientes funciones básicas: 1) Proporciona una interface para que el usuario se comunique con la máquina. 2) Administra los dispositivos del hardware (teclado, unidades de disco, monitor, etc.) 3) Administra los sistemas de archivos en disco. 4) Apoya en diversas funciones a los programas de aplicación. Por lo que corresponde al primer punto, el sistema operativo puede ofrecer una pantalla de interface con línea de comando o una interface gráfica de usuario. De hecho, un sistema operativo tiene una estructura de "cebolla", compuesta por dos par-

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Arquitectura de una Computadora - Capítulo 1 tes fundamentales: un núcleo o kernel que controla las funciones principales y que contiene un código de bajo nivel que se comunica con el hardware y un entorno o Shell que es justamente el medio de comunicación entre el usuario y la máquina y el cual toma el control de la pantalla. En los sistemas operativos de la familia DOS (Disk Operating System o sistema operativo de disco), al entorno (Shell) también se lo llama "intérprete de comandos", ya que toma el control de la pantalla, traduce las instrucciones escritas del usuario, interpreta la orden dada por el teclado y la ejecuta. De hecho, ésta es la función más visible del sistema operativo, pues sería imposible que el usuario se comunicara con la computadora en su propio lenguaje, el ensamblador o lenguaje de máquina, el cual está compuesto por una serie de instrucciones binarias de 8, 16 ó 32 bits de extensión, por lo que las instrucciones deben ser introducidas en codificación hexadecimal, al igual que las llamadas del sistema, las interrupciones, el manejo de registros y direcciones de memoria, etc. El sistema operativo actúa como traductor entre el usuario y la máquina, empleando comandos simples para que se ejecuten programas complejos, los cuales pueden corresponder tanto a los propios programas del sistema operativo como a las aplicaciones. De hecho, éste es uno de los factores en los que ha descansado el éxito y la amplia aceptación de las computadoras personales. Por lo que respecta a la administración de los dispositivos del hardware, independientemente de la interface ofrecida por el sistema operativo, los programas hacen uso de la memoria, las unidades de disco, el monitor y ocasionalmente los puertos de entrada-salida. Justamente, el “núcleo” o kernel es el componente del sistema operativo que sirve de intermediario entre ambos. Por otra parte, el sistema operativo organiza la información en grupo de datos para almacenarlos en el disco, los cuales reciben el nombre de "archivos", pudiendo contener instrucciones de programas o información creada o utilizada por determinado programa. A su vez, los archivos se organizan en subdirectorios, partiendo de un directorio principal en cada unidad de disco, llamado "directorio raíz”. El sistema operativo también permite la lectura del disco, el acceso a la memoria, guarda archivos en el disco, lista archivos, ubica posiciones de memoria para almacenar información de un programa, lee la captura en el teclado, despliega caracteres o gráficos en la pantalla, etc. Existen diversos fabricantes de sistemas operativos DOS, aunque el más utilizado mundialmente era el MS-DOS (Microsoft DOS), por ser el que originalmente se integró en la IBM PC, aunque con el nombre de PC-DOS. Sin embargo, existía otros sistemas operativos de esta familia, como el Compaq-DOS, el Novell DOS y el DR-DOS; inclusive, existe uno del tipo shareware, denominado 4DOS. La ventaja de estos sistemas operativos era que unos y otros son compatibles; esto es, la mayor parte de las órdenes y principios de operación son muy similares, por lo que es posible ejecutar en cualquiera de los mismos programas de aplicación con las especificaciones DOS. Recuerde que DOS es un concepto de compatibilidad que se populariza con la plata-

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forma PC, una de cuyas características es que el sistema operativo se suministra en disco para ser cargado durante las rutinas de arranque. Hoy en día el sistema operativo por excelencia es Windows de Microsoft, el cual nació emulando al DOS pero que hoy, en las versiones, Milenium, XP, etc, ha alcanzado entidad propia . Es un sistema muy poderoso que reemplazando la interface DOS, ofrece un entorno de trabajo consistente y predecible para todas las aplicaciones basadas en éste, con las ventajas de una interface gráfica que se apoya en ventanas, menús, iconos y cuadros de diálogo para un manejo intuitivo de las operaciones informáticas. Windows representa un paso más en la cadena entre la aplicación y el microprocesador, por lo que los programas para este subsistema son más lentos y complejos desde el punto de vista de la programación, aunque su sencillez de uso, su aspecto atractivo y fácil aprendizaje sumado a las nuevas técnicas que brindan rapidez y sencillez a las diferentes tareas, son factores que han ido inclinando la balanza a su favor, en contra de los clásicos programas para DOS. Otros sistemas operativos han nacido a partir del Windows NT, el OS/2 de IBM, el UNIX (Solaris o QNX), etc. Como tales, estos programas son más ventajosos que la combinación DOS-Windows, ya que por sí mismos ofrecen las ventajas de consistencia, predictibilidad y manejo intuitivo. En cuanto al software de aplicaciones, hay una amplia gama de herramientas como son los programas para tareas específicas, por ejemplo: el WordPerfect es un procesador de textos, el Lotus 1-2-3 es una hoja de cálculo, dBase es una base de datos, el Power Point es un programa de presentación, el Corel es para diseño gráfico, etc. Este software representa la “profesión” que encara el usuario (un matemático empleará programas de cálculo, un diseñador usará el Corel, Photoshop, Quark Xpress, etc.). Las aplicaciones son los programas que hacen tan versátiles a las computadoras. Por último, los utilitarios son programas especiales para revisar ciertos aspectos del funcionamiento del sistema, tanto a nivel de hardware como a nivel de software. También se consideran como utilitarios, a aquellos programas que facilitan la ejecución de determinadas tareas al usuario, como las interfaces sustitutas de la línea de comandos que facilitan la navegación entre directorios y el manejo de archivos (como el Norton Commander y el QuarterDesk), los programas residentes para captura de pantallas y otros recursos informáticos que no encuadran en una categoría claramente definida. En cuanto al hardware de la PC, hemos dicho que es el conjunto de herramientas que hacen que se puedan llevar a cabo las diferentes tareas. Así, al comienzo de este capítulo hemos comentado cuáles son las partes que forman una computadora; en dicho caso hemos hecho referencia al hardware de cuyo estudio, mantenimiento y actualización nos encargaremos en los capítulos siguientes.

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