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TEMA 2.: HARDWARE
INTRODUCCION
Cuando hablamos de Hardware hablamos del conjunto de elementos físicos que componen un ordenador (dispositivos electrónicos y electromecánicos, circuitos, cables, tarjetas…). Una computadora o un ordenador es un dispositivo electrónico compuesto básicamente, según su estructura funcional, por un procesador, una memoria y dispositivos de entrada/salida (E/S). Figura 13: componentes de un ordenador Las computadoras actuales, en su mayoría, utilizan la arquitectura de Von Neumann, propuesta a principios de los años 40 por John Von Neumann. Esta arquitectura describe un computador en cuatro partes: la unidad aritmético-lógica, la unidad de control, la memoria y los dispositivos de entrada y salida (E/S). La unidad aritmético-lógica y la unidad de control formaran lo que conocemos como CPU, o procesador del ordenador, y se encargará de ejecutar las instrucciones que forman los programas. En la memoria se almacenan los programas y datos con los que deseamos trabajar y los dispositivos de entrada y salida se utilizan para obtener información del mundo exterior y mostrar los resultados de las operaciones que hemos realizado con dicha información.
En las siguientes secciones estudiaremos detenidamente cada uno de ellos. Los ejemplos y las fotos serán en su mayoría de dispositivos utilizados en los PCs. 2.1 PROCESADORES Figura 14: Procesador AMD K7 para PC También denominado CPU (Central Processing Unit) o Unidad de Proceso Central. Es la unidad donde se ejecutan todas las instrucciones de los programas. Es el corazón de todo computador compuesto por un microchip que está formado por millones de transistores. Estos millones de transistores forman una serie de circuitos lógicos que permiten ejecutar una variedad de instrucciones básicas. Dentro de la CPU podemos distinguir dos unidades funcionales diferentes: la Unidad Aritmético-Lógica y La Unidad de Control.
- La unidad aritmético-lógica , o ALU, es un dispositivo diseñado para llevar a cabo operaciones elementales como puedan ser operaciones aritméticas (suma, resta, multiplicaciones, divisiones), operaciones lógicas y operaciones de comparación. En esta unidad es en donde se hace todo el trabajo computacional.
- La unidad de control (UC) es la encargada de leer de la memoria e interpretar las instrucciones que se van a ejecutar. Básicamente lo que hace es leer de la memoria la siguiente instrucción a ejecutar, lee los operandos (datos) y operadores y pasa esta información a la ALU que será la encarga de ejecutar la instrucción. Una vez la ALU haya ejecutado la instrucción, la unidad de control almacenará el resultado en la zona de memoria que corresponda y repetirá todo este proceso con la siguiente instrucción.
En la siguiente tabla podemos ver una lista de los procesadores más
importantes desde 1978 hasta la actualidad: Procesador Marca Longitud de palabra Velocidad de reloj
- 8088 y 8086 Intel 16 bits 4,77 - 10 Mhz Año
- 80286 Intel 16 bits 6 - 20 Mhz
- 80386 Intel 32 bits 16 - 33 Mhz
- 80486 Intel 32 bits 16 - 120 Mhz
- Pentium Intel 32 bits 60 - 233 Mhz
- Pentium Pro Intel 32 bits 150 - 200 Mhz
- K5 AMD 32 bits 75 - 116 Mhz
- Pentium MMX Intel 32 bits 166 - 233 Mhz
- Pentium II Intel 32 bits 233 - 450 Mhz
- K6 AMD 32 bits 166 - 300 Mhz
- Celeron Intel 32 bits 266 - 300 Mhz
- K6- 2 AMD 32 bits 266 - 333 Mhz
- Celeron-A Intel 32 bits 266 - 466 Mhz
- Pentium III Intel 32 bits 450Mhz - 1,5Ghz
- Celeron-II Intel 32 bits 533Mhz - 1.1Ghz
- K6-III AMD 32 bits 400 - 450 Mhz
- Atlhon AMD 32 bits 500 - 1.4 Ghz
- Pentium IV Intel 32 bits/64bits* 1.4Ghz - 3.8Ghz 2000/
- Celeron-IIA Intel 32 bits 1 - 1.4 Ghz
- AMD Duron AMD 32 bits 1.4 - 1.8 Ghz
- Athlon XP AMD 32 bits 1.3 Ghz - 2.2 Ghz
- AMD Opteron AMD 64 bits 1.6 Ghz - 1.8 Ghz
- AMD Sempron AMD 32 bits 1.5 Ghz - 2.0 Ghz
- AMD 64 AMD 64 bits 1.8 Ghz - 2.4Ghz
- AMD 64 FX AMD 64 bits 2.4 Ghz - 2.6 Ghz
- AMD 64 X2 AMD 64 bits 2.2 Ghz - 2.4 Ghz
- Celeron-D Intel 32 bits 2.4 Ghz - 2.8 Ghz
- Core 2 Extreme Intel 64 bits 2.93Ghz
- Pentium Extreme Intel 64 bits 3.2 Ghz- 3.7 Ghz
- AMD FX AMD 64 bits 3.2 Ghz- 3.9 Ghz
- Core i5 Intel 64 bits 3.3 Ghz- 3.7 Ghz
- Core i7 Intel 64 bits 3.4 Ghz- 3.8 Ghz
- Solo los últimos modelos de Pentium IV (P4F) pueden trabajar a Tabla 2: los procesadores más relevantes de los últimos años
Una forma más precisa de medir el rendimiento de los procesadores es mediante el uso de Benchmarks. Un Benchmark es un test que realiza distintas tareas para obtener un resultado de la ejecución de un programa o un conjunto de programas en una ordenador, con el objetivo de estimar el rendimiento del mismo o de una parte de él (procesador…). Figura 15: Benchmark 3DMark 2001 SE Un Benchmark produce resultados como los vistos en la Figura 14. Con los resultados del Benchmark podemos estimar el rendimiento de un procesador respecto a otros en un determinado tipo de aplicaciones, dándonos una idea de cómo de mejor se comportará este procesador respecto de otros en ese tipo de aplicaciones. Así por ejemplo, en la figura 14 podemos ver los resultados obtenidos por el Benchmark 3DMark 2001 SE. Con este benchmark el procesador que obtiene el mejor rendimiento es el Pentium IV a 3.06 GHz (3. Gigaherzios). En esta gráfica también podemos observar que la velocidad de reloj no es un buen estimador del rendimiento del ordenador. Así por ejemplo el Athlon XP 2100+, cuya frecuencia de reloj es de 1.73 GHz, obtiene un rendimiento mejor un Pentium IV a 2.2 GHz a pesar de que su velocidad de reloj es bastante menor que la del Pentium IV.
Dependiendo de estos factores la memoria se clasifica en los siguientes tipos:
- Registros: Son elementos de memoria dentro del microprocesador utilizados para almacenar temporalmente los datos que necesita el microprocesador para realizar las operaciones. Así por ejemplo, cuando la ALU realiza una suma, esta se efectúa entre dos datos que la Unidad de Control ha hecho almacenar temporalmente en dos registros, y el resultado de la operación se almacenará a su vez en otro registro.
- Memoria caché: Es un tipo de memoria intermedia, de menor tamaño que la memoria principal, que se utiliza para almacenar los datos que se utilizan frecuentemente. El objetivo de la memoria caché es solventar el problema de que la velocidad con el que el procesador requiere los datos es mucho mayor que la capacidad que tiene la memoria principal para proporcionarlos. La memoria caché funciona a mayor velocidad que la memoria principal y mantiene una copia de los datos más frecuentemente utilizados de la memoria principal. Cuando el procesador necesita obtener algún dato de la memoria principal, si este está en la memoria caché, lo obtendrá de esta, evitando de esta forma tener que acceder a la memoria principal. De esta forma logramos agilizar la transmisión de datos entre la memoria procesador y la memoria principal.
- Memoria principal: También denominada memoria interna. En este dispositivo almacenaremos los programas y los datos necesarios para que el sistema informático ejecute dichos programas. Para que un programa pueda ser ejecutado tiene que estar en esta memoria, así como los datos que necesitan ser procesados en ese momento. Cuando hablamos de memoria principal hacemos referencia a la memoria RAM (Random-Access Memory o memoria de acceso directo): En esta memoria se puede tanto leer como escribir. El adjetivo “directo” significa que los datos leidos o almacenados en esta memoria no tienen porque estar en posiciones consecutivas, la CPU es capaz de acceder a cualquier posición de memoria. Se trata de una memoria volátil, es decir, pierde su contenido al desconectar la energía eléctrica. Estas memorias se utilizan para almacenar los programas que están en ejecución y para almacenar resultados intermedios y datos similares no permanentes. La memoria RAM que se utiliza actualmente en los PCs se clasifican en 2 tipos:
SRAM (RAM Estáticas): Una memoria RAM estática mantiene su contenido inalterado mientras esté alimentada. DRAM (RAM Dinámicas): En la memoria RAM dinámica la información se degrada con el tiempo, llegando esta a desaparecer a pesar de estar alimentada. Para evitar hay que restaurar la información contenida en sus celdas a intervalos regulares de tiempo, operación denominada refresco. Figura 16: módulo de memoria DRAM
- ROM (Read-Only Memory o memoria de sólo lectura): Es un tipo de memoria especial en la que no se puede escribir y que además conserva intacta la información almacenada, incluso en el caso de interrupción de corriente (memoria no volátil). En esta memoria se suele almacenar la configuración del sistema o el programa de arranque del ordenador.
- Memoria masiva: En estos dispositivos se almacena de forma permanente la información. En ellas se pueden guardar (escribir) la información que no se va a utilizar inmediatamente y recuperarla (leerla) cuando sea preciso. La información se almacena organizada en ficheros o archivos y directorios o carpetas. Algunos sistemas operativos, en caso de que les falte memoria principal, pueden utilizar espacios de esta memoria como expansiones de la memoria principal, permitiendo ejecutar más programas o programas más grandes aunque estos no entren en la memoria principal. Estos espacios de memoria dedicados a
Figura 17: Jerarquía de memoria A medida que descendemos por la jerarquía se cumple que:
- Disminuye el coste por bit.
- Aumenta la capacidad de almacenamiento.
- Aumenta el tiempo de acceso.
- Disminuye la frecuencia de acceso a la memoria por parte de la CPU. Figura 18: Gráfico coste-tiempo en una jerarquía de memoria
2.4 PERIFÉRICOS.
Se puede definir periférico como un dispositivo hardware de un ordenador que permite la entrada y/o salida de datos. El periférico tiene por objeto facilitar la comunicación de nuestro ordenador con el mundo exterior, facilitar el uso del sistema informático al usuario y almacenar información que será utilizada posteriormente por nuestro sistema informático. El término periférico suele aplicarse a los dispositivos que no siempre son parte indispensable de un ordenador ya que alguno de ellos son, en cierta forma, opcionales. También se suele utilizar habitualmente con los elementos que se conectan externamente a un conector del ordenador. Los periféricos los clasificaremos en 4 tipos distintos atendiendo al tipo de transferencia de información que realizan:
- Unidades de entrada: También llamadas elementos de entrada. Son los dispositivos que nos permiten introducir los datos y los programas desde el exterior a la computadora central para su ejecución. Estos dispositivos, además de recibir la información del exterior, la preparan para que el ordenador pueda entenderla (codificándola adecuadamente mediante códigos de E/S).
- Unidades de salida: También llamadas elementos de salida. Son dispositivos cuya misión es recoger y proporcionar al exterior los datos de salida o resultados de los procesos que se realicen en el ordenador de una forma entendible por los humanos.
- Unidades de Entrada/Salida: dispositivos capaces de introducir y extraer información del ordenador. En este tipo de dispositivos podremos tanto introducir datos y programas para su ejecución en la computadora central, como ver los resultados de las operaciones que se estén ejecutando en la computadora central. Un ejemplo de dispositivo de entrada/salida sería la pantalla táctil. Un una pantalla táctil podemos ver en la pantalla los datos que nos quiere proporcionar el ordenador, y podemos introducir datos u ordenes pulsando en la zona adecuada
- Unidades de Memoria Masiva: son memorias permanentes (no volátiles) que actúan como un almacén auxiliar de la memoria del ordenador. En ellas se pueden guardar la información que no se va a utilizar inmediatamente y recuperarla cuando sea preciso. Atendiendo a las necesidades empresariales y teniendo en cuenta la evolución de los dispositivos o periféricos, destacaremos un tipo de
Figura 19: Funcionamiento de un controlador
- El firmware: es un programa grabado en una memoria no volátil dentro del periférico que controla los circuitos electrónicos del periférico. 2.4.1 Operaciones de entrada/salida Para que una computadora pueda transmitir/recibir datos de/a un dispositivo necesita establecer una comunicación con él. Esta comunicación se realizará utilizando un conjunto de operaciones de Entrada/Salida dependientes del periférico con el que estemos tratando. Definiremos una operación de Entrada/Salida como el conjunto de acciones necesarias para la transferencia de un conjunto de datos. Para la realización de una operación de Entrada/Salida se deben efectuar las siguientes operaciones:
- Recuento de las unidades de información transferidas (normalmente bytes) para reconocer el fin de la operación.
- Sincronización de velocidad entre la CPU y el periférico para poder intercambiar información.
- Detección de errores, e incluso corrección, mediante la utilización de los códigos necesarios (bits de paridad, códigos de redundancia cíclica, etc.).
- Almacenamiento temporal de la información. Es más eficiente utilizar un buffer o memoria temporal específica para las
operaciones de Entrada/Salida que utilizan el área de datos del programa.
- Conversión de códigos, conversión serie/paralelo, etc. Hay fundamentalmente tres métodos para establecer y supervisar las operaciones de transferencia de datos de Entrada/Salida: E/S programada, E/S controlada por interrupciones y E/S con controlador de acceso directo a memoria o DMA.
- E/S programada: En la E/S programada el inicio de la operación se efectúa a iniciativa del procesador. Existen dos variantes: (1) E/S Programada sin consulta de estado o incondicional: El procesador decide el momento en que se realiza la transferencia, por lo que el dispositivo de E/S debe estar siempre dispuesto a recibir datos, en el caso de una salida, o debe tener siempre datos disponibles, en caso de una entrada. (2) E/S programada con consulta de estado: Antes de realizar una operación de E/S de datos, el ordenador comprueba el estado del dispositivo para ver si está listo o no para realizar la transferencia.
- E/S controlada por interrupciones: El periférico toma la iniciativa y solicita ser atendido, activando una línea de petición de interrupción. Cuando el procesador reconoce la interrupción suspende el programa en curso y ejecuta un programa de gestión de interrupción que se encargará de transmitir o recibir la información del periférico.
- E/S controlada por DMA: Todas las técnicas anteriormente nombradas requieren de una participación activa del procesador (el procesador se encarga de realizar las operaciones de E/S). Además debemos de tener en cuenta que la velocidad con la que el procesador procesa un conjunto de datos es mucho mayor que la de cualquier dispositivo de E/S. Todo esto conlleva que, cuando realicemos una operación de E/S con las técnicas anteriormente dichas, el procesador deba reducir su velocidad hasta sincronizarse con el periférico, y solo continuará con su ejecución normal cuando termine de operar con dicho periférico. Esta pérdida de rendimiento del procesador se puede evitar mediante la técnica de acceso directo a memoria (DMA o Direct Memory Access). En esta técnica es el propio dispositivo de E/S el que accede a la
o El USB 1.1, con tasas de transferencia entre 1.5 Mbit/s y 12 Mbits/s. o El USB 2.0, con tasas de transferencia entre 125 Mbit/s y 480 Mbits/s. o El USB 3.0, con tasas de transferencia hasta 4.8 Gbit/s. Figura 21: tarjeta de PC con conectores USB.
- IEEE 1394 o FireWire: es un estándar de entrada/salida de datos en serie (bit a bit) a gran velocidad. Es menos común que el USB y suele utilizarse para conectar dispositivos como cámaras digitales y videocámaras. Alcanzan velocidades de hasta 400 Mbits/s. Figura 22: Conector FireWire También se han diseñado una serie de conectores específicos para un tipo de dispositivo los más usuales son:
- Puerto de impresora: es un puerto paralelo (la información se transmiten en grupos de más de un bit), que se usa fundamentalmente para conectar una impresora e imprimir con ella. Actualmente está en desuso y se emplea el USB.
Figura 23: Puerto de impresora
- PS/2: Se utiliza para conectar un teclado o un ratón. Figura 24: puertos PS/S para teclado (el morado) y el ratón (el verde)
- Ethernet/LAN: Tarjeta de red para conectar el ordenador a una red local o internet. Figura 24: Conector Ethernet/LAN
- VGA (Video Graphics Array): salida analógica de video diseñada inicialmente para poder conectar el ordenador a un monitor. Figura 25: Salida VGA.
- DVI (o Digital Visual Interface): salida digital de video. Algunos TFTs ofrecen la posibilidad de conectar la pantalla utilizando este tipo de salida. Ofrece mayor calidad que la anterior. Este conector también está siendo desplazado por los conectores de alta definición HDMI.
Figura 26: Teclado
- Ratón (Serie, PS/2, USB): es un periférico de ordenador que sirve para introducir información gráfica o seleccionar coordenadas (x,y) de una pantalla. Las coordenadas seleccionadas por el movimiento del ratón se visualizan en la pantalla por medio de un puntero. Así, si movemos el ratón a la derecha, el puntero que está en la pantalla también se moverá a la derecha reproduciendo el moviendo que hemos hecho con el ratón. Los ratones suelen estar dotados de dos o tres botones de pulsación que permiten activar distintas acciones dependiendo del botón pulsado (izquierdo, central o derecho) y del área en el que se encuentra el puntero. Actualmente la mayoría de ratones cuenta con una rueda central que sustituye al tercer botón permitiendo mayor comodidad en el uso de algunas aplicaciones (como por ejemplo, los procesadores de texto o las ventanas de los navegadores de Internet). Figura 29: Ratón
- Escáner (Paralelo, USB): es un periférico de digitalización de documentos basado en la exploración de documentos mediante procedimientos optoelectrónicos. Se utiliza para convertir, mediante el uso de la luz, documentos originales (principalmente
en papel) a formato digital (por ejemplo ficheros de texto, imágenes fijas...). Por defecto, si no se le indica lo contrario, lo que hace un escáner es convertir el documento de entrada en una imagen digital, independientemente de si contiene texto o no, es decir en un documento no editable. Sin embargo, muchos escáneres disponen de software para realizar la función OCR (Optical Character Recognition), que les permite comportarse como un lector de caracteres ópticos. De esta forma, al digitalizar un documento, si este contiene texto, este texto será reconocido y almacenado en un fichero editable que podrá ser modificado posteriormente con un procesador de textos. Figura 31: Escáner
- Tableta digitalizadota (USB): consiste en una tabla especial que reconoce el desplazamiento de un lápiz magnético por su superficie. El grafismo que trazamos aparece en la pantalla y se introduce en la memoria del ordenador. Se utilizan mucho en trabajos de delineación, diseño gráfico... Figura 32: Tableta digitalizadora
- Cámaras digitales (de fotos o video): Existen cámaras dedicadas a:
