Evolución de los Ordenadores: Componentes y Funcionamiento

Historia de la Informática

El término informática proviene de la unión de dos palabras: información y automática. Definimos la informática como la ciencia que estudia el tratamiento automático de la información mediante el uso de ordenadores. Incluye además, la teoría, el diseño y la fabricación de éstos.

A lo largo de la historia el hombre ha tratado de idear sistemas y máquinas que le facilitaran la realización de cálculos matemáticos. Uno de los primeros fue el ábaco chino, que se remonta a varios miles de años de antigüedad y que ha perdurado hasta nuestros días.

El matemático Pascal inventó la Pascalina, que lograba realizar sumas y restas.

Más tarde, en 1623, el alemán Wilhelm Schickard creó la primera máquina de calcular que realizaba las cuatro operaciones aritméticas.

En 1670 el alemán Leibniz creó una máquina que además elevaba al cuadrado. Leibniz fue el primero en usar el código binario para desarrollar su invento.

Jacquard, en 1805, fue el primero en automatizar una máquina. Lo hizo mediante unas tarjetas perforadas que, al introducirlas en un telar, hacía que éste trabajase de forma automática.

En 1836 el matemático Charles Babbage visionó las computadoras programables desarrollando su máquina analítica, considerada como la precursora de los ordenadores. Se trataba de un dispositivo mecánico compuesto por ruedas y engranajes, capaz de realizar cualquier cálculo y de almacenar programas mediante tarjetas perforadas.

Ya en el siglo XX, favorecidos por el desarrollo de la tecnología electrónica, se crean los primeros ordenadores. Se diferencian de las calculadoras en que incorporan un programa susceptible de ser modificado para que la máquina pueda realizar diferentes tareas.

El desarrollo de los ordenadores modernos se divide en varias etapas o generaciones:

• Primera generación (1940-1960). Ordenadores construidos básicamente con válvulas de vacío. El ENIAC creado en EE.UU en 1947. Surge el primer lenguaje de programación que sirve para sustituir el lenguaje máquina, (0 y 1), por un lenguaje simbólico algo más cercano al lenguaje humano.
• Segunda generación (1960-1965). Los transistores comienzan a sustituir a las válvulas de vacío. Disminuye el consumo eléctrico y el espacio del equipo, aumenta la potencia de procesamiento y de memoria y aparecen los primeros lenguajes de programación de alto nivel.
• Tercera generación (1965-1975). Aparecen los circuitos integrados o chips, formados por miles de transistores montados en circuitos impresos, como el IBM 360. Aumenta la velocidad de procesamiento y aparecen los primeros sistemas operativos (programas que controlan el funcionamiento del ordenador). A principios de los 70 se consigue incluir en un solo chip todos los elementos de la llamada Unidad Central de Proceso (CPU): nace el primer microprocesador.
• Cuarta generación (1975-1990). Aumenta la capacidad de cálculo y se reduce el tamaño de las máquinas. Aparecen nuevos lenguajes de programación, como Pascal o Basic. Pero el hito más importante es el lanzamiento en 1981 del primer ordenador personal (Personal Computer o PC) comercializado por IBM y junto al sistema operativo MS-DOS. Comenzaba la informática de consumo.
• Quinta generación (a partir de 1990). Se reduce el precio del PC y se generaliza su uso. Surgen los microprocesadores de nueva generación que integran millones de transistores en un solo chip y capaces de trabajar a velocidades superiores a varios GigaHercios (1 GHz equivale a mil millones de operaciones por segundo). Se extienden los sistemas operativos de interface gráfica como Windows y la proliferación de redes informáticas, como Internet.

El Ordenador

Un ordenador es una máquina electrónica que procesa automáticamente la información que le suministramos (datos) mediante unas instrucciones (programas), que le indican qué hacer con esos datos.

El trabajo del ordenador tiene lugar en cuatro etapas:

1. Entrada de datos (dispositivos de entrada)
2. Procesamiento de los datos (CPU: operaciones aritméticas y lógicas)
3. Almacenamiento de la información (memoria)
4. Salida de la información

Un ordenador está formado por múltiples dispositivos y elementos. Para que pueda realizar sus funciones y tareas está compuesto de dos partes claramente diferenciadas: el hardware y el software.

• Hardware: es el conjunto de componentes físicos que forman el ordenador. Son todos los dispositivos, aparatos y circuitos que lo componen como el disco duro, el procesador, la pantalla, el ratón, la tarjeta de video...
• Software: es el conjunto de instrucciones utilizadas por el ordenador que le permite saber qué debe hacer cada uno de sus dispositivos y cómo. Para que un ordenador realice cualquier función necesita instrucciones, que vienen recogidas en programas como el sistema operativo o el procesador de textos.

Componentes Básicos del Ordenador

La Placa Base

Es un circuito impreso que contiene los zócalos donde se insertan los elementos principales del ordenador y los puertos donde se conectan los periféricos. Podemos quitar y poner componentes con el fin de mejorar o ampliar las prestaciones del ordenador. Los componentes principales que alberga la placa base son:

Chipset

El chipset está formado por un conjunto de chips. Los chips están fabricados con una fina lámina de silicio sobre la que se han dispuesto millones de pistas electrónicas formando circuitos. Exteriormente, está recubiertos con una carcasa de plástico, dejando solo al exterior unos pines (patas de alambre) que sirven para conectarlos.

El Chipset es un elemento fundamental en el ordenador. Se encarga de tareas tan importantes como:

1. Gestionar los periféricos a través de los puertos de comunicación.
2. Controlar las ranuras de expansión.
3. Controlar la transferencia de datos entre el microprocesador y la memoria.

La calidad de la placa base depende, en gran medida, del modelo de chipset que lleve integrado. También determina el tipo de procesador que puede pincharse en la placa.

Microprocesador o CPU (Unidad Central de Proceso)

Es el cerebro del ordenador, formado una colección compleja de circuitos electrónicos. Está situado en un zócalo ZIF, (Zero Insertion Force), un tipo de zócalo que permite insertar y quitar componentes sin hacer fuerza y de una forma fácil, ya que lleva una palanca que impulsa todos los pines con la misma presión, por lo que también evita que se dañen.

Las funciones del procesador son: procesar las instrucciones, realizar cálculos, tomar decisiones y manejar el flujo de información.

Estas funciones son realizadas por tres partes bien diferenciadas:

1. Unidad de control (UC): lee, interpreta y ejecuta las instrucciones indicadas en el programa.
2. Unidad aritmético-lógica (ALU): realiza cálculos y toma decisiones lógicas.
3. Registros: memorias muy rápidas donde se guardan temporalmente los datos (unos cuantos bytes) mientras se están ejecutando las instrucciones. Los registros facilitan el movimiento de datos e instrucciones entre la Memoria RAM, la unidad de control y la unidad aritmética y lógica.

Entre los registros podemos diferenciar de acuerdo a su función:

• Registro de Instrucciones (RI): registro que contiene la instrucción que se está ejecutando.
• Registro de Datos (RDA): registro que contiene el dato a operar y la información de salida. Además es la puerta de entrada de las instrucciones a la CPU.
• Registro de Direcciones (RDI): registro que contiene el valor de la dirección de memoria a la que el CPU quiere acceder, tanto para una lectura o una escritura, sobre la Memoria RAM.
• Registro Acumulador (AX): registro donde se guardan resultados (parciales o totales) de las operaciones efectuadas por la unidad aritmética y lógica.
• Puntero de Instrucciones (IP): registro donde se almacena temporalmente el valor de la dirección de memoria de la siguiente instrucción a operar.

Las características que diferencian a un microprocesador de otro son:

• La velocidad de proceso, es decir el número de operaciones que es capaz de realizar en un segundo. ¿Cómo se consigue ésto? El ordenador dispone de un reloj interno que genera impulsos eléctricos de modo continuo a una determinada frecuencia. Cada vez que el microprocesador recibe un impulso, realiza una operación: lee un dato en memoria, procesa datos, etc. La unidad básica para medir la frecuencia es el Hercio (Hz). En el mercado encontramos procesadores de más de 3 GigaHercios (GHz =10⁹ Hz).
• Otra característica es el número de bits que pueden utilizar en sus operaciones. Así se ha pasado de 16, 32 a los 64 bits actuales.
• Número de núcleos que tenga. Un núcleo, no es más que el bloque encargado de ejecutar las instrucciones. Si tiene dos o tres, pasamos de poder ejecutar una sola tarea a trabajar con varias al mismo tiempo. Procesadores como el Core i7 del fabricante Intel y el FX-9590 del fabricante AMD disponen de más de 4 núcleos.

En funcionamiento, el microprocesador puede alcanzar temperaturas muy elevadas, por lo que lleva acoplado un ventilador u otro sistema de refrigeración para disipar el calor.

La Memoria

La misión de la memoria es almacenar las instrucciones de los programas y los datos y tenerlos disponibles para que la CPU pueda ejecutarlos o procesarlos.

Físicamente la memoria se asemeja a un tablero de ajedrez, pero mucho más largo. Cada cuadro o celda está formado por un componente electrónico llamado biestable, capaz de almacenar un bit. Cada fila está formada por 8 biestables, es decir, es un byte de memoria. Para que el procesador encuentre una información guardada, cada fila está numerada y ese número se llama dirección de memoria.

La memoria principal es la unidad encargada de almacenar internamente los datos y las instrucciones que está ejecutando el procesador. Los componentes que forman parte de la memoria principal son:

• Memoria RAM (Random Access Memory o Memoria de Acceso Aleatorio): Esta memoria permite almacenar y leer información que la CPU necesita mientras está ejecutando un programa y también guarda los resultados de las operaciones realizadas.

Este almacenamiento es solo temporal ya que la información se borra al apagar el ordenador. Es una memoria volátil.

El rendimiento del ordenador mejora mucho al aumentar la cantidad de memoria RAM. El valor mínimo recomendable es de 1 GB que se puede ampliar hasta los 4 GB o más insertando módulos de memoria en unos zócalos de la placa base. Puede ser de tipo SIMM, de 72 contactos, o DIMM, de 168 contactos, más actual.

• Memoria ROM BIOS (Random Only Memory o Memoria de Solo Lectura): contiene información grabada por el fabricante, que no desaparece al desconectar el ordenador. La BIOS es imprescindible para la puesta en funcionamiento del ordenador, ya que contiene las instrucciones para realizar el chequeo inicial del ordenador, además de los datos técnicos de los componentes elementales del sistema. Cuando arranca el ordenador, la BIOS chequea en este orden: CPU, bus de sistema para comprobar que todos los periféricos funcionan correctamente, el reloj del sistema, la memoria RAM, el teclado y las unidades de disco. Esta información se compara con la almacenada en la memoria CMOS, detectando cualquier cambio de los componentes o configuración del sistema. Si el chequeo es correcto, comienza a cargarse el sistema operativo, en caso contrario emitirá un pitido informando del problema.
• Memoria CMOS RAM: almacena parte de la configuración del sistema: la hora y fecha y datos de configuración de periféricos no chequeados por la BIOS, como número y tipos de disco duro, características de la memoria, etc. Puesto que contiene información que no debe eliminarse al apagar el ordenador, la memoria CMOS está alimentada por una pila.
• Memoria caché: Es una memoria muy rápida que se utiliza de puente entre el microprocesador y la memoria RAM, de tal forma que los datos más utilizados puedan encontrarse antes, acelerando el rendimiento del ordenador.

Puede estar integrada en el procesador (niveles 1 y 2) o en la placa base (nivel 3). Esta es más lenta que las anteriores.

• Memoria virtual: A veces la memoria RAM no es suficiente para la ejecución de un programa. En estos casos el programa hace uso de una memoria virtual, que solo es una porción del disco duro, cuyo tamaño puede asignarse previamente.

Los Buses

Los buses son los canales por los que circula toda la información del ordenador, por lo que se encuentran tanto en la placa base, como en los dispositivos conectados al ordenador.

Un bus está constituído por un elevado número de líneas metálicas, cada una de las cuales transmite diferente información. Hay tres tipos de buses:

• Buses de datos: Por ellos circulan las instrucciones y los datos en el ordenador.
• Buses de control: Transmiten las instrucciones dadas por la CPU a los distintos dispositivos.
• Buses de dirección: Transportan las direcciones de la posición de memoria donde están guardados los datos.

Del bus depende del número de bits que pueden fluir al mismo tiempo y de la velocidad con que lo hacen. Cuanto mayor sea el número de líneas de bus de datos, mayor será la cantidad de información que puede circular de una vez (ancho de bus). Si disponemos de buses de 8 hilos, circulará un byte; si tiene 16, dos bytes, así hasta 64 hilos, que circularán 8 bytes.

Ranuras de Expansión o Slots

Permiten añadir o quitar componentes al ordenador (tarjetas de expansión) con el fin de mejorar las prestaciones del mismo. Existen tres tipos:

• PCI: el estándar actual. En ellas se conectan las tarjetas de sonido, video, controladores de dispositivos, etc. Generalmente son de color blanco.
• AGP: Se utiliza exclusivamente para conectar la tarjeta de video de 3D.
• ISA: Son las más antiguas.

Tarjetas de Expansión

Se utilizan para poder conectar algunos dispositivos al ordenador. Se acoplan en las ranuras de expansión y precisan para funcionar de un software específico llamado driver, que proporciona el fabricante. Las más utilizadas son:

• Tarjeta gráfica: Se encarga de enviar la información al monitor. Se conecta a un slot tipo AGP. Lleva una memoria más rápida que la RAM y existen desde 128 Mb hasta más de 1 GB para visualizar gráficos en movimiento.
• Tarjeta de sonido: Se utiliza cuando se precisa mayor calidad de sonido que la que viene integrada en la placa base. Se acopla en un slot tipo PCI. Incorpora conectores para altavoces, micrófono, entrada de línea y joystick para juegos.
• Capturadora de vídeo: Es un conversor de imágenes. Se conecta a un slot PCI. Tiene conexiones para acoplar una cámara de vídeo y sintonizador de TV.
• Tarjeta de red: Permiten conectar varios ordenadores entre sí formando una red de área local o conectarla a un router para el acceso a Internet.

Los Puertos

Permiten la conexión de los periféricos a la placa base. Hay varios tipos:

• Puertos PS2: Especiales para el teclado y el ratón.
• Puertos serie (COM): Solo transfieren un dato a la vez, por lo que son lentos. Suelen ser de 9 pines.
• Puertos paralelo (LPT1): Son más rápidos que los serie y tienen 25 pines.
• Puerto de juegos: Puerto para joystick o teclado midi. Tamaño algo mayor que el de serie, con 15 pines.
• Puertos USB: Aparecieron con el Pentium II. Su velocidad de transmisión es muy superior a los anteriores.
• Puertos de audio: Para salida y entrada de línea (auriculares, altavoces) y micrófono.

Sistemas de Almacenamiento

Son dispositivos que almacenan la información de forma permanente para evitar su pérdida.

• Discos magnéticos: Están formados por una o varios discos metálicos a los que se ha aplicado una película magnética que permite guardar la información, orientando millones de pequeños imanes en dos posiciones, que representan el 0 y el 1 digitales. Para grabar y leer la información dispone de unas cabezas que se mueven por el disco mediante unos brazos mientras este gira a gran velocidad.
• Discos flexibles o de 3 1/2: Ya en desuso, tenían una lámina magnética protegida por un plástico. La capacidad de almacenamiento era de 1.44 Mb. Su mayor ventaja es que permitía ser transportado con facilidad.
• Discos duros: Suelen ir fijos dentro del ordenador o bien externos, conectados mediante un puerto USB. Pueden almacenar gran cantidad de información. Su capacidad oscila entre 300 GB y un Tb.
• Discos ópticos: Son dispositivos de gran capacidad que se pueden transportar y que utilizan la tecnología láser para el almacenamiento y lectura de la información.
• CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory): Es un disco del tamaño de un compact disc musical, cuya información ya viene grabada; por tanto solo puede ser leída, es decir, no se puede borrar, ni modificar. La capacidad de memoria es de 700 Mb.
• CD-WORM (Write-Once, Read-Many): Se compran sin grabar (vírgenes). Una vez grabada la información solo se podrá leer, no admite nuevas grabaciones.
• CD-REGRABABLE: Permite grabar y borrar la información varias veces.
• DVD: Mayor capacidad de almacenamiento. Los hay de 4,7 GB y de 17 GB.

¿Cuál es el funcionamiento de un lector de CD´s o de DVD´s?

Un lector de CD consta de:

• Un motor que hace girar el disco.
• Un rayo láser de poca potencia que recorre la pista del disco, mientras éste gira a gran velocidad.

La información de un CD o DVD está almacenada en pequeñas hendiduras creadas en la superficie del disco, siguiendo una pista circular. Cada hendidura representa el número binario 1, y su ausencia representa el 0.

El rayo de luz, al llegar a una hendidura, se dispersa, pero si choca con la superficie del disco es reflejado por ella y detectado por un sensor de luz que provoca una señal eléctrica. De este modo, la información es convertida en impulsos eléctricos que la CPU es capaz de interpretar.

Un DVD tiene mayor capacidad que un CD porque se graba en ambas caras del disco y las hendiduras que realiza el láser son mucho más pequeñas que las de un CD.

¿Cuál es el funcionamiento de una regrabadora de CD´s o de DVD´s?

Las unidades regrabadoras, además de poder leer, son capaces de modificar la información grabada en un disco óptico. Para que esto sea posible es necesario que el disco sea regrabable.

El funcionamiento de este tipo de unidades está basado en un láser triple: el más potente es el de escritura, el de intensidad media es el del borrado y el menos potente es el de lectura. Estas tres funciones (grabar, regrabar y leer) se caracterizan por las velocidades con las que efectúa estas operaciones. Las más usuales son 16x, 8x, 48x, respectivamente.

Para poder trabajar es necesario disponer del controlador del dispositivo, que proporciona el fabricante y de un programa como: Nero, CD Creador, Crear CD de Windows, etc.

• Memoria flash: Este tipo de memoria se comercializa para uso en dispositivos portátiles, como cámaras digitales, agendas electrónicas o pendrive. El aparato se conecta al ordenador a través del puerto USB. Su capacidad de memoria ronda llega a los 32 GB.

Fuente de Alimentación

Se encarga de transformar la tensión que llega de la red eléctrica, que es de 220 V y reducirla a 3.3, 5 o 12 V. Además transforma la corriente de alterna a continua, que es la que se utiliza en los componentes electrónicos. Lleva acoplado un ventilador para evacuar el calor acumulado.

Periféricos

Son elementos que permiten intercambiar información entre el ordenador y el exterior. Tres tipos:

• Periféricos de entrada: introducen datos al ordenador, como ratón, teclado, joystick, pantalla táctil, escáner, etc.
• Periféricos de salida: sacan o muestran datos que produce el ordenador, como monitor, altavoces, impresora, etc.
• Periféricos de entrada-salida: tienen la posibilidad de introducir y de mostrar datos, como el router