La Computadora
Arquitectura de Computadores
La arquitectura
de computadoras es el diseño conceptual y la estructura operacional fundamental
de un sistema que conforma una computadora. Es decir, es un modelo y una
descripción funcional de los requerimientos y las implementaciones de diseño
para varias partes de una computadora, con especial interés en la forma en que
la unidad central de proceso (CPU) trabaja internamente y accede a las
direcciones de memoria.
La arquitectura de
una computadora explica la situación de sus componentes y permite
determinar las posibilidades de un sistema informático, con una
determinada configuración, pueda realizar las operaciones para las
que se va a utilizar. La arquitectura básica de cualquier ordenador completo
está formado por solo 5 componentes básicos: procesador, memoria RAM, disco
duro, dispositivos de entrada/salida y software.
Un computador es
un sistema secuencial síncrono complejo que procesa información, esta se trata
de información binaria, utilizando solamente los dígitos de valores lógicos ‘1’
y ‘0’. Estos valores lógicos binarios se corresponden con valores de tensión
eléctrica, de manera que un ‘1’ lógico corresponde a un nivel alto a 5 voltios
y un ‘0’ lógico corresponde a un nivel bajo de tensión cercano a 0 voltios;
estos voltajes dependen de la tecnología que utilicen los dispositivos del
computador.
Es
el cerebro del sistema, encargado de procesar todos los datos e informaciones.
A pesar de que es un dispositivo muy sofisticado no puede llegar a hacer nada
por sí solo. Para hacer funcionar a este necesitamos algunos componentes más
como lo son memorias, unidades de disco, dispositivos de entrada/salida y los
programas. El procesador o núcleo central está formado por millones de
transistores y componentes electrónicos de un tamaño microscópico. El
procesamiento de las tareas o eventos que este realiza va en función de los
nanosegundos, haciendo que los miles de transistores que contiene este trabajen
en el orden de los MHz. La información binaria se introduce mediante
dispositivos periféricos que sirven de interfaz entre el mundo exterior con el
usuario. Estos periféricos lo que van a hacer será traducir la información que
el usuario introduce en señales eléctricas, que serán interpretadas como unos y
ceros, los cuales son interpretados de una manera más rápida por la
computadora, ya que el lenguaje maquina utiliza el código binario para ser
interpretado por el computador.
Un
sistema jerárquico es un conjunto de sistemas interrelacionados, cada uno de
los cuales se organiza de manera jerárquica, uno tras otro, hasta que alcanza
el nivel más bajo de subsistema elemental. Una posible clasificación seria:
1.
Nivel de Componente. Los elementos de este nivel
son difusiones de impurezas tipo Py de tipo N en
silicio, polisilicio cristalino y difusiones de metal que sirven para construir
los transistores.
2.
Nivel Electrónico. Los componentes son
transistores, resistencias, condensadores y diodos construidos con las
difusiones del nivel anterior. Esta tecnología de muy alta escala de
integración o VLSI es la que se utiliza en la fabricación de circuitos
integrados. En este nivel se construyen las puertas lógicas a partir de
transistores.
3.
Nivel Digital. Se describe mediante unos y ceros
son las puertas lógicas, biestables y otros módulos tanto combinacionales como
secuenciales. Este nivel es la aplicación del algebra booleana y las
propiedades de la lógica digital.
4.
Nivel RTL. El nivel de transferencia de registros
RTL será el preferido para la descripción de los computadores. Elementos
típicos en este nivel de abstracción son los registros y módulos
combinacionales aritméticos.
5.
Nivel PMS. Este nivel es el más alto de la
jerarquía. Las siglas PMS provienen del ingles Processor Memory Switch. Con
elementos de jerarquía los buses, memorias, procesadores y otros módulos de
alto nivel.
La
arquitectura Von Neumann tiene sus orígenes en el trabajo del matemático John
Von Neumann desarrollado con John Mauchly y John P. Eckert y divulgado en 1945
en la Moore School de la Universidad de Pensilvania, Estados Unidos, en el que
se presentaba e EDVAC ( Electronic Discrete Variable Automatic Computer). De
aquí surgió la arquitectura del programa almacena en memoria y
búsqueda/ejecución secuencial de instrucciones. En términos generales una
computadora tiene que realizar 3 funciones:
Procesamiento de
Datos
Almacenamiento
de Datos
Transferencia de
Datos
Tal que un PC
(Personal Computer) debe procesar datos, transformando la información recibida,
de igual forma tiene que almacenar datos, como resultado final de estas.
También debe de realizartransferencia de datos entre su entorno y
el mismo. La arquitectura de un computador hace referencia a la organización de
sus elementos en módulos con una funcionabilidad definida y a la iteración
entre ellos. En el esquema de la Figura 1.1 se muestra la estructura básica de
Von Neumann que debe llevar una computadora para su correcta operación.
CPU (por
el acrónimo en inglés de central processing unit): La
unidad central de proceso es el corazón del computador. Controla el flujo de
datos, los procesa, y gobierna el secuenciamiento de las acciones en todo el
sistema. Para ello necesita un oscilador externo o reloj que sincroniza las
operaciones y marca la velocidad de proceso, este va marcando la
evolución del CPU y mide su velocidad de funcionamiento; en forma no afortunada
la frecuencia del reloj del CPU viene limitada por la tecnología del CPU y del
computador completo ya dependiendo de los periféricos, sus tarjetas gráficas,
memorias, etc. Por lo tanto, el uso excesivo de los recursos que tenga la
computadora puede resultar un sobrecalentamiento que deteriore parcial o
totalmente la CPU.
· Memoria: es
la responsable del almacenamiento de datos.
· Entrada/Salida: transfiere
datos entre el entorno exterior y el computador. En él se encuentran los
controladores de periféricos que forman la interfaz entre los periféricos, la
memoria y el procesador.
· Sistema
de interconexión: Buses; es el mecanismo que permite el flujo de datos
entre la CPU, la memoria y los módulos de entrada/salida. Aquí se propagan las
señales eléctricas que son interpretadas como unos y ceros lógicos.
· Periféricos: estos
dispositivos son los que permiten la entrada de datos al computador, y la
salida de información una vez procesada. Un grupo de periféricos puede
entenderse como un conjunto de transductores entre la información física
externa y la información binaria interpretable por el computador. Ejemplos de
estos dispositivos son el teclado, el monitor, el ratón, el disco duro y las
tarjetas de red.
Controla
el funcionamiento de los elementos de un computador. Desde que el sistema es
alimentado por una corriente, este no deja de procesar información hasta que se
corta dicha alimentación. La CPU es la parte más importante del procesador,
debido a que es utilizado para realizar todas las operaciones y cálculos del
computador. La CPU tiene a su vez otra estructura interna que se muestra en la
Figura 1.2.
FIGURA 1.2: ESTRUCTURA DE LA CPU Y SU CONEXIÓN CON LA MEMORIA.
· Unidad
de Control (UC): La unidad de control se encarga de leer de la memoria
las instrucciones que debe de ejecutar y de secuenciar el acceso a los datos y
operaciones a realizar por la unidad de proceso. La UC genera las señales de
control que establecen el flujo de datos en todo el computador e interno en la
CPU. Una instrucción no es más que una combinación de unos y ceros. Consta de
un código de operaciones binarias para ejecutar la instrucción, la UC la
almacena en un registro especial, interpreta su código de operación y ejecuta
la secuencia de acciones adecuada, en pocas palabras decodifica la instrucción.
· Unidad
Aritmética Lógica o ALU (por su acrónimo en ingles Arithmetic Logic
Unit): Es la parte de la CPU encargada de realizar las
transformaciones de los datos. Gobernada por la UC, la ALU consta de
una serie de módulos que realizan operaciones aritméticas y lógicas. La UC se
encarga de seleccionar la operación a realizar habilitando los caminos de datos
entre los diversos operadores de la ALU y entre los registros internos.
· Registros
Internos: el almacenamiento de los resultados a la ejecución de las
instrucciones en la memoria principal podría ser lento y excesivamente tendría
muchos datos en el sistema de interconexión con la memoria, con lo que el
rendimiento bajaría. De la misma manera también se almacenan en registros
internos la configuración interna del CPU o la información durante la última
operación de la ALU. Los principales registros de un CPU son:
1. Contador de programa.- se encarga de
almacenar la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.
2. Registro de Instrucción.- se almacena la
instrucción capturado en memoria y la que se está ejecutando.
3. Registro de Estado.- compuesto por una serie
de bits que informan el resultado obtenido en la última operación de la ALU.
4. Registro
Acumulador.- algunos CPU se realizan operaciones aritméticas en un registro
llamado acumulador, su función es la de almacenar los resultados de las
operaciones aritméticas y lógicas.
El ciclo para
ejecutar cualquier instrucción se divide en ciclo de
búsqueda y ciclo de instrucción como es ilustrado en el esquema
de la Figura 1.3. El primero hace que el CPU genere señales adecuadas para
acceder a la memoria y leer la instrucción; el segundo es similar; la
diferencia entre los dos es el código de operación de cada instrucción.
FIGURA 1.3: CICLOS DE LA MAQUINA VON NEUMANN
Memoria:
En
la memoria se almacena el programa y los datos que va a ejecutar el CPU. Las
instrucciones son códigos binarios interpretados por la unidad de control, los
datos de igual manera se almacenan de forma binaria.
Las
diversas tecnologías de almacenamiento, dependen del tiempo de acceso a los
datos; por lo tanto se realiza un diseño jerárquico de la memoria del sistema
para que esta pueda acceder rápidamente a los datos. El principio de que sea
más rápida la memoria haciendo que tenga velocidades similares al CPU, sirve
para diseñar el sistema de memoria. La memoria principal de los computadores
tiene una estructura similar a la mostrada en el esquema de la Figura 1.4. Se
considera como una matriz de celdas en la que la memoria puede acceder a los
datos aleatoriamente.
FIGURA 1.4: ESQUEMA DE UNA MEMORIA DE ACCESO ALEATORIO.
Dicha
matriz está organizada en palabras, cada una de las cuales tiene asignada una
dirección que indica su posición. Cada palabra está formada por una serie de
celdas a las que se accede en paralelo; en cada una se almacena un bit y estos
son los que definen las instrucciones.
Como
sabemos una computadora tiene dispositivos de entrada y salida como son los que
contiene el gabinete, disco duro, placa madre, unidades de CD o DVD, etc. El
problema principal que existe entre ellos es su tecnología y que tienen características
diferentes a los del CPU, estos también necesitan una interfaz de cómo se van a
entender con el CPU, al igual que el procesador y el controlador periférico
para intercambiar datos entre la computadora.
En
la Figura 1.5 se muestra como cada control de periférico tiene una dirección
única en el sistema. La interfaz de E/S decodifica el bus de direcciones para
detectar que el CPU se dirige a él. El direccionamiento es muy similar a la de
las memorias. El bus de datos se utiliza para el paso de datos entre el
periférico y la memoria. Las líneas especiales de control sirven para coordinar
y sincronizar la transferencia.
FIGURA 1.5: ESQUEMA DE UNA INTERFAZ DE ENTRADA/SALIDA.
Sistema de
Interconexión: Buses.
La
conexión de los diversos componentes de una computadora, tales como discos
duros, tarjetas madres, unidades de CD, teclados, ratones, etc. se efectúan a
través de los buses. Un bus se define como un enlace de comunicación compartido
que usa múltiples cables para conectar subsistemas. Cada línea es capaz de
transmitir una tensión eléctrica que representa un ‘1’ o un ‘0’. Cuando hay
varios dispositivos en el mismo bus, habrá uno que podrá enviar una señal que
será procesada por los demás módulos. Si se mandan los datos al mismo tiempo
marcara un error o una contención del bus, por lo que el acceso estará
denegado. Según si criterio de funcionabilidad los buses se dividen en:
· Buses
de datos: es el que se utiliza para transmitir datos entre los
diferentes dispositivos del computador.
· Buses
de Direcciones: sirve para indicar la posición del dato que se
requiere acceder.
· Bus
de Control: sirven para seleccionar al emisor y al receptor en una
transacción del bus.
· Bus
de alimentación: sirve para proporcionar a los
dispositivos voltajes distintos.
Se
entenderán todos aquellos dispositivos que son necesarios para suministrar
datos a la computadora o visualizar los resultados. Los periféricos se conectan
mediante un bus especial a su controlador o al módulo de E/S.
Entre
los periféricos de entrada tenemos al teclado, ratones, pantallas,
digitalizadoras y más. Otros dispositivos periféricos fundamentales para la
interacción del hombre con la computadora son las terminales de video y las
tarjetas gráficas.
Tecnología de
los computadores.
Las
tendencias tecnológicas van avanzando con el paso del tiempo, así mismo en
términos informáticos y de electrónica van saliendo circuitos integrados digitales
más veloces, lo cual también va ligado en términos monetarios altos, las
actualizaciones de un sistema de computo sale relativamente costoso dependiendo
de las características de la tecnología que se le este implementando. Los
circuitos integrados como sabemos hoy en día estos se van haciendo aun más
pequeños ya que existen muchos avances en la tecnología en las ciencias de la
miniaturización como son la micro y nanotecnología que estos ocupan, ya que los
dispositivos que antes eran enormes y ocupaban el tamaño de una habitación
ahora son tan pequeños que pueden caber en la palma de nuestras manos. Lo que
implica que los sistemas avancen son los siguientes términos:
· Tecnología: los
transistores utilizados por los dispositivos de un computador son los llamados
transistores de unión bipolar o BJT que estos a su vez generaron familias
tecnológicas como lo son los TTL. Esta tecnología ha tenido como ventajas su
facilidad para suministrar corriente y su rapidez, apareciendo como desventaja
su alto consumo de energía en comparación con los CMOS; esta segunda tecnología
se basa en la utilización de transistores de efecto de campo, es elegida
actualmente para fabricar la mayoría de los CPU’s. otra tecnología como la
BiCMOS combina en un solo proceso tecnológico de transistores BJT y CMOS
tratando de combinar las ventajas de ambos.
· Velocidad: hace
referencia al tiempo de respuesta y los retrasos inevitables que aparecen en su
funcionamiento. Esto hace que los CI más sencillos dependan de la tecnología
utilizada. El problema de la velocidad estribara en que la ejecución paralela
requerirá más circuitería y el circuito seria mayor.
· Escala
de Integración: los CIs (Circuitos Integrados) CMOS se construyen a
partir de la litografía que se aplican mascaras que proyectan las siluetas de
los polígonos que forman a los transistores. Se trata la oblea químicamente y
en las diferentes fusiones se hacen los transistores; estos se dividen en
segmentos que pueden alcanzar a las micras de tamaño. Cuanto mejor y preciso
sea el proceso de la creación de las difusiones, los tamaños serán menores, y
por tanto en una misma superficie de silicio se podría incluir más lógica.
· Tamaño: depende
de la fabricación del CI ya sea sencillo o que tan complejo pueda ser este para
las operaciones para la cual fue programado.
El
almacenamiento de la información se hace a través de dispositivos de memoria
que almacenan la información de forma binaria para después tener la posibilidad
de recuperar dichos datos. Estos contribuyen una jerarquía en la que están más
cerca de la CPU los dispositivos más rápidos y en niveles más
alejados los dispositivos más lentos. Los parámetros más importantes para medir
los circuitos de memoria son:
· Tiempo
de Acceso: es el tiempo necesario para poder recuperar la información
de los dispositivos de memoria.
· Densidad
de información: depende de la tecnología utilizada ya que ocupan un
espacio distinto por cada bit de información.
· Volatilidad: se
refiere a la pérdida de información si no se mantiene en alimentación al
circuito, esta información debe de recuperarse de forma automática cuando se
conecte de nuevo la alimentación y comience el funcionamiento de la
computadora.
a) RAM
estática asíncrona.
Es
una memoria volátil, de acceso rápido que puede almacenar y leer información su
característica es que la hace ideal para ser memoria principal en los ordenadores,
la celda de almacenamiento de la SRAM contiene 4 transistores MOS que almacenan
1 y 0 mientras se mantenga la alimentación del circuito.
b) RAM estática
síncrona
Utiliza
la misma tecnología que las SRAM, con lo que son volátiles y de rápido acceso.
La diferencia es que existe una señal de reloj que sincroniza el proceso de
lectura y escritura. Las memorias cache externas de algunos microprocesadores
son de este tipo para facilitar el acceso de datos en modo ráfaga y acelerar el
proceso de acceso a bloques de memoria.
c) RAM Dinámica.
La
DRAM tiene capacidades que accede con un solo transistor, en vez de celdas con
varios transistores. El problema es que las capacidades se descargan mediante
la corriente de pérdidas de transistores y aparte son lentas comparadas con la
SRAM; tienen una estructura de forma de matriz, estando multiplexadas las
direcciones en forma de filas y columnas, tienen modos de acceso más rápido en
lo que suministra la parte alta de dirección; este modo de acceso se denomina
modo pagina y acelera el acceso al no tener que suministrar para cada acceso la
dirección de página completa.
d) Memorias ROM
Las
memorias de solo lectura una vez que han sido escritas o programadas solo se
puede leer el contenido de las celdas, se suelen utilizar para almacenar el código
que permite arrancar a los sistemas; estas se fabrican para aplicaciones
masivas con mascaras de silicio. Hay 3 tips de memorias ROM que pueden ser
programadas en el laboratorio, algunas pueden ser borradas.
· Memoria
PROM: son memorias ROM programables eléctricamente mediante un
programador especial que genera picos de alta tensión, que funden físicamente
unos fusibles grabando en el dispositivo de forma permanente. Tienen el
inconveniente que no pueden ser borradas y para su lectura requieren una tarjeta
especial.
· Memoria
EPROM: se programan también con un dispositivo de programación
conectado al ordenador la diferencia con la PROM es que estas si se pueden
borrar; se realiza mediante rayos UV, para que suceda esto las EPROM tienen una
ventana de cuarzo pequeña transparente en la cual se hace la exposición de la
matriz de celdas como se muestra en la figura 1.6. Una vez programadas se tiene
que etiquetar esta ventana para evitar que sea borrada accidentalmente.
FIGURA 1.6 MEMORIA EPROM
· Memoria
EEPROM: son memorias programables y borrables mediante un dispositivo
especial que se conectara al ordenador.
e) Memoria FLASH
Son
memorias que tienen un comportamiento igual a una SRAM, pero en su escritura es
diferente, deben ser primero borradas y después escritas; este tipo de memorias
tienen internamente un registro de instrucción y una maquina de estados que
genera las señales necesarias para borrar/escribir en un bloque o en toda la
memoria.
La memoria se divide en varias
capas o niveles con una estructura cuya forma puede recordarnos a una estructura
piramidal. La tabla 1.1 que se muestra a continuación nos muestra el tamaño
máximo y mínimo que pueden presentarnos las memorias flash, así como el tiempo
que tardan al accesar a la información.
Nombre
|
Tamaño Máximo
|
Tiempo de
Acceso
|
Registros
|
Hasta 200
Bytes
|
Menos de 10
Nanosegundos
|
Memoria Caché
|
Hasta 512
Bytes
|
Entre 10 y 30 Nanosegundos
|
Memoria
Principal
|
Más de 1
Gigabyte
|
Entre 30 y 100
Nanosegundos
|
La Mejor
Configuración.
Lo
primero que debemos de tomar en cuenta para la configuración de nuestro equipo
es para que va a ser destinado, es decir, que programas serán utilizados en el.
Por ejemplo un PC utilizado en una oficina ocupa Word, Excel e Internet, no necesita
tener un procesador poderoso, pero es indispensable proporcionarlo de una buena
memoria RAM y un disco duro rápido en cuanto a lectura y escritura de datos. En
cambio cuando una computadora es destinada para aplicaciones pesadas o para
juegos con gráficos tridimensionales, lo principal es tener un procesador
rápido combinado con una buena y rápida tarjeta de gráficos.
Es
el componente principal, por lo tanto este se tiene que escoger con el más sumo
cuidado para que el ordenador tenga una calidad excelente al igual que su
rendimiento en la ejecución de tareas. Al comprar la placa base
debemos ver qué tipo de procesador soporta, si posee slots de
expansión suficientes para los periféricos que deseemos instalar. Una placa se
confecciona usando una técnica llamada MPCB( Multiple Layer Contact Board), que
consiste en varias placas apiladas como si fueran una; este tipo de placas
deben ser fabricadas de forma minuciosa, pues un mínimo error en la posición de
las pistas, haría que sufriese interferencias y convertirán a la placa en
inestable. La calidad de las placas no depende precisamente de la marca pero si
nos debemos cerciorar de la marca que estamos adquiriendo, ya que, para
encontrar controladores de los dispositivos de dicha placa será más fácil
entrando a la página del fabricante.
Si
la computadora tiene poca memoria RAM, nuestro sistema deberá utilizar nuestro
disco duro para almacenar aquellos programas que no caben en RAM esta es la llamada
Memoria Virtual; la cual por sobrecarga puede llegar a volver muy lento nuestro
sistema. Por otro lado, al instalar más memoria RAM será un desperdicio pues no
hará al sistema más rápido se notara que se debe instalar más cuando el sistema
se encuentre lento. Por ejemplo si se trabaja con aplicaciones sencillas de
oficina la mínima de RAM a ocupar seria de 64MB, pero lo ideal sería 128MB; si
se mantienen programas al mismo tiempo con 256MB es suficiente ya que en si el
uso de memoria RAM en la actualidad también depende de nuestro Sistema
Operativo ya que al pasar los años estos van evolucionando de forma creciente
ocupando aplicaciones más complejas por lo cual se necesita más RAM. Cuanta más
memoria RAM el PC se mantendrá más rápido por más tiempo ya que con el paso del
tiempo hay aplicaciones más complejas y estas hacen que el sistema sea más
sofisticado.
Depende
para que se va a utilizar la computadora por ejemplo si esta será utilizada
para juegos valdría la pena invertir en un procesador como un Athlon o
Pentium 4. Si es para aplicaciones pequeñas con que tenga suficiente RAM es más
que suficiente un procesador Duron.
Es
importante saber el tiempo de acceso, la velocidad de rotación y la densidad
del disco duro. El tiempo de acceso determina cuanto tiempo tarda el cabezal de
lectura en encontrar el dato que debe leerse. La velocidad de rotación se mide
en rpm, revoluciones por minuto. La densidad o cantidad de datos que caben en
cada disco duro, también determina su rendimiento, pues los datos estarán más
expuestos entre sí, serán localizados más rápidamente.
Existen
tarjetas de 2D y 3D. También existen tarjetas aceleradoras de 3D que deben
usarse con una tarjeta de 2D común. También existen las tarjetas graficas
“combo”, que realizan funciones de 2D y 3D. Al día de hoy, incluso las tarjetas
graficas on board (se refiere a dispositivos que vienen integrados en la placa
madre) vienen con recursos 3D, aunque su rendimiento no se compara en lo
absoluto con el de una tarjeta grafica de calidad.
No
tiene ninguna influencia con el rendimiento del equipo, solamente determina la
calidad de audio. Para uso normal, se utilizan las Sound Blaster generalmente
con chipsets Yamaha. Las tarjetas de sonido más caras marcan la diferencia si
pretendemos trabajar en la edición musical, o queremos oír música MIDI en
máxima calidad. También existen las tarjetas de sonido 3D, como la Sound
Blaster Live, que generan sonidos que parecen venir de todas direcciones. Este
efecto es muy utilizado en teatros en casa, para escuchar el sonido de forma
más real.
Realizar
una ampliación significa cambiar algunos componentes de un equipo ya viejo a
fin de mejorar su rendimiento. Sin embargo, muchas veces, el equipo es tan
viejo que sería necesario cambiar casi todos los componentes para
conseguir un rendimiento aceptable; en este caso sería mejor comprar un equipo
nuevo con las actualizaciones más recientes para un rendimiento óptimo. El
secreto de realizar una buena actualización es detectar los “puntos débiles” de
la configuración, los componentes para conseguir alcanzar un rendimiento
aceptable con el conjunto de los demás. Aparte hay que saber escoger los
componentes en relación a la calidad. Cabe mencionar que no es necesario
comprar un equipo anticuado para hacer una actualización que bien valga la pena
porque si el equipo está muy anticuado lo mejor es comprar uno nuevo con las
actualizaciones que satisfagan las necesidades que requiere en ese momento el
usuario y así poder tener un equipo de vanguardia y bien actualizado.
No hay comentarios:
Publicar un comentario