Fundamentos de Arquitectura de Computadores y Evolución de la Informática

BLOQUE 1: HISTORIA DE LA INFORMÁTICA

• Era Premecánica: El Ábaco (Mesopotamia) es el primer objeto construido para calcular. Posteriormente, John Napier desarrolla los logaritmos.

• Era Mecánica:

  • Wilhelm Schickard (1623): Primera calculadora mecánica, conocida como el "Reloj Calculador".

  • Blaise Pascal (1642): Inventa la "Pascalina", basada en un sistema de ruedas y engranajes.

  • Gottfried Leibniz (1673): Crea la Máquina o Rueda de Leibniz.

• Procesamiento Automático:

  • Joseph Jacquard (1804): Diseña un telar controlado por tarjetas perforadas.

  • Charles Babbage: Considerado el Padre del ordenador actual. Diseñó la máquina analítica, que ya incluía conceptos de memoria, procesador y unidades de entrada/salida (E/S).

  • Ada Lovelace: Reconocida como la primera programadora de la historia al crear el primer algoritmo para la máquina de Babbage.

  • Herman Hollerith (1890): Desarrolló un sistema mecánico para el censo de EE.UU. basado en tarjetas perforadas.

  • Alan Turing: Figura clave en la 2ª Guerra Mundial por descifrar los códigos de la máquina ENIGMA.

Generaciones de Ordenadores

1. 1ª Generación (1940-1956): Basada en válvulas de vacío. De uso eminentemente militar y científico, consistía en máquinas de dimensiones enormes.

   • ENIAC: Para reprogramarlo era necesario reconfigurar físicamente la máquina.

   • EDVAC: Primer ordenador con arquitectura de Von Neumann (programa almacenado).

   • UNIVAC I: Primer ordenador de uso comercial y general (utilizado en el Censo de EE.UU.).

2. 2ª Generación (1956-1963): Introducción de los transistores, lo que permitió un menor tamaño y consumo. Aparecen los sistemas batch (procesamiento por lotes).

3. 3ª Generación (1964-1971): Uso de Circuitos Integrados (Chips) con escalas SSI y MSI. Surgen los primeros sistemas operativos y los miniordenadores.

4. 4ª Generación (1971-1981): Aparición de los microprocesadores (escala LSI). Nace el ordenador personal (Apple I, Commodore).

5. 5ª Generación (1982-1991): Escala VLSI. Se estandariza la arquitectura abierta, se cumple la Ley de Moore y se populariza la tecnología multimedia y la interfaz gráfica de usuario (GUI).

6. 6ª Generación (1992-Actualidad): Escalas ULSI/GLSI. Caracterizada por arquitecturas paralelo-vectoriales, procesadores multi-núcleo, dispositivos móviles y computación en la nube.

BLOQUE 2: ARQUITECTURA DE VON NEUMANN Y PLACA BASE

1. Modelo de Von Neumann

Todo ordenador digital moderno se basa en este esquema compuesto por cinco partes fundamentales:

1. Memoria Principal (RAM): Almacena temporalmente tanto las instrucciones como los datos.

2. CPU (Microprocesador): El cerebro del sistema, encargado de interpretar y ejecutar las instrucciones.

3. Buses: Canales (cables o pistas) que interconectan todos los componentes.

4. Unidad de Entrada/Salida: Gestiona la comunicación con el entorno exterior.

5. Periféricos: Aportan capacidades adicionales (teclado, monitor, unidades de disco).

2. La CPU al detalle

La Unidad Central de Procesamiento se divide en componentes sincronizados por un Reloj interno:

• Unidad de Control (UC): Extrae, decodifica y ordena la ejecución de las instrucciones.

• ALU (Unidad Aritmético-Lógica): Realiza operaciones matemáticas y toma decisiones lógicas basadas en el álgebra booleana.

• Registros Internos: Memorias de capacidad reducida pero ultrarrápidas situadas dentro de la CPU.

  • CP (Contador de Programa): Almacena la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.

  • RI (Registro de Instrucción): Contiene la instrucción que se está procesando en el momento actual.

  • RDM / MAR (Registro de Dirección de Memoria): Contiene la dirección de la RAM a la que se desea acceder.

  • RIM / MBR (Registro de Intercambio de Memoria): Recibe o envía el dato físico desde o hacia la memoria RAM.

3. Los Buses

• Bus de Datos: Transporta la información que se lee o se escribe (es de carácter bidireccional).

• Bus de Direcciones: Transporta la posición de memoria a la que se quiere acceder. (Por ejemplo, un bus de 32 bits solo puede direccionar hasta 4 GB de RAM).

• Bus de Control: Envía las señales de sincronización necesarias (lectura, escritura, señal de reloj).

4. Placa Base y Chipset

• Chipset: Actúa como el centro de control de la placa base.

  • Northbridge (Puente Norte): Controla los componentes más rápidos: CPU, RAM y tarjeta gráfica.

  • Southbridge (Puente Sur): Gestiona los periféricos y componentes más lentos, como puertos USB y discos duros.

• BIOS: Sistema Básico de Entrada/Salida. Es una memoria FLASH no volátil que inicializa el hardware durante el arranque.

• CMOS: Memoria RAM de bajo consumo, alimentada por una pila, que guarda la configuración de la BIOS (fecha, hora y secuencia de arranque).

BLOQUE 3: CAJAS Y FACTORES DE FORMA

1. Factor de Forma (Form Factor)

Es el estándar que define las dimensiones, los puntos de anclaje y la distribución de la placa base, la fuente de alimentación y la caja.

• ATX: El estándar más extendido (dimensiones típicas de 150 x 157 x 86 mm en fuentes).

• Micro-ATX (mATX) / SFX: Formatos más compactos para equipos de menor tamaño.

• TFX / Flex ATX: Formatos alargados o extremadamente reducidos, ideales para equipos tipo "Slim" o Barebones.

2. Cajas de Ordenador (Nivel Usuario)

• Torre / Gran Torre: Ofrecen la máxima capacidad de expansión y una ventilación óptima.

• Semitorre: El formato más común en entornos de oficina y hogares.

• Barebone / HTPC: Equipos muy pequeños enfocados al uso multimedia en el salón; suelen tener una ventilación limitada.

• AIO (All In One): Todo el hardware está integrado detrás de la pantalla (ejemplo: iMac).

3. Cajas de Servidor (Nivel Empresa)

• Torre Servidor: De gran tamaño y alta fiabilidad, incluyen fuentes redundantes y tecnología Hot Swap (cambio de componentes en caliente).

• Rack: Chasis estandarizados para ser instalados en armarios de 19 pulgadas. Su altura se mide en "U" (donde 1U equivale aproximadamente a 4,5 cm).

• Blade: Servidores compactos en forma de tarjeta que se insertan en un chasis común, compartiendo fuente de alimentación, red y ventilación para optimizar espacio y consumo.

BLOQUE 4: ELECTRICIDAD Y FUENTES DE ALIMENTACIÓN

1. Fases de Transformación

La fuente de alimentación convierte la Corriente Alterna (CA - 230V) en Corriente Continua (CC - 3.3V, 5V, 12V) mediante cuatro etapas:

1. Transformación: Reduce el voltaje mediante un Transformador. (Gráfica: Onda senoidal de menor amplitud).

2. Rectificación: Convierte la CA en CC pulsante, dejando solo los picos positivos mediante un Puente de diodos. (Gráfica: Sucesión de semiciclos positivos).

3. Filtrado: Suaviza la onda para hacerla más constante utilizando un Condensador. (Gráfica: Forma de diente de sierra suave).

4. Regulación/Estabilización: Fija el voltaje final evitando caídas mediante un Regulador de voltaje. (Gráfica: Línea recta continua).

2. Tipos de Fuentes

• Lineales: Sencillas y pesadas debido a su gran transformador. Son poco eficientes, generan mucho calor y funcionan en un solo sentido.

• Conmutadas: Ligeras y complejas, pero muy eficientes (68-90%). Operan a altas frecuencias.

• PFC (Corrección del Factor de Potencia):

  • Pasivo: Utiliza bobinas (hasta un 85% de eficiencia).

  • Activo: Utiliza circuitos integrados y MOSFETS (es obligatorio en la Unión Europea).

• Certificación 80 PLUS: Garantiza una eficiencia mínima del 80% en la conversión de energía, lo que supone un ahorro eléctrico y menor generación de calor. Niveles: White, Bronze, Silver, Gold, Platinum y Titanium.

3. Conectores de la Fuente

• ATX 24 pines: Proporciona energía a la placa base.

• ATX 12V / EPS (4 u 8 pines): Alimentación específica para la CPU.

• PCIe (6 u 8 pines): Alimentación para tarjetas gráficas de alto rendimiento.

• SATA: Conector para discos duros modernos y unidades ópticas.

• Molex: Conector obsoleto, utilizado antiguamente para discos IDE y ventiladores.

4. SAI (Sistemas de Alimentación Ininterrumpida)

Dispositivos con baterías que protegen al equipo frente a cortes de suministro y picos de tensión.

• OffLine (Standby): La corriente pasa directamente. Si hay un corte, un relé activa la batería en pocos milisegundos. No realiza filtrado de señal.

• InLine (Line Interactive): El más habitual. Incluye un transformador que estabiliza la tensión sin recurrir constantemente a la batería. Filtra picos de tensión.

• OnLine: Ofrece la máxima protección. La energía siempre proviene de la batería, generando una onda perfecta sin tiempos de conmutación. Las baterías suelen degradarse antes.

BLOQUE 5: ALMACENAMIENTO (DISCOS DUROS Y SSD)

1. Discos Magnéticos (HDD)

• Partes físicas: Platos, Caras (2 por plato), Cabezales de lectura/escritura (que levitan a micras de la superficie) y el Eje/Motor.

• Estructura Lógica:

  • Pistas: Círculos concéntricos en la superficie del plato.

  • Sectores: Divisiones de cada pista. Es la unidad mínima de lectura/escritura. Tamaño estándar: 512 Bytes.

  • Cilindro: Conjunto de pistas con el mismo número en todos los platos.

• Fórmula de Capacidad: Capacidad = Caras x Pistas x Sectores x Tamaño del Sector.

• Parámetros de Rendimiento:

  • Tiempo de búsqueda: Tiempo que tarda el cabezal en situarse en la pista correcta.

  • Latencia: Tiempo que tarda el sector en girar hasta quedar bajo el cabezal.

  • Tiempo de acceso: Suma del Tiempo de búsqueda y la Latencia.

2. Discos de Estado Sólido (SSD)

Almacenamiento no volátil basado en chips NAND Flash, sin partes mecánicas móviles.

• Ventajas: Velocidad superior, ausencia de latencia mecánica, bajo consumo, silenciosos y resistentes a impactos.

• Desventajas: Vida útil limitada por el número de escrituras, medida en TBW (TeraBytes Written).

• Tipos de Celdas:

  • SLC: 1 bit por celda. Máxima fiabilidad y precio elevado.

  • MLC / TLC: 2 y 3 bits por celda respectivamente. Son los más comunes por su equilibrio precio/rendimiento.

  • QLC: 4 bits por celda. Económicos y de alta capacidad, pero con menor durabilidad.

• Formatos SSD: 2.5" (estándar de portátil), M.2 (formato compacto, SATA o NVMe PCIe) y U.2 (específico para servidores).

3. Interfaces de Conexión

• SATA: Estándar para uso doméstico. SATA III alcanza hasta 600 MB/s.

• SAS: Evolución de SCSI para entornos profesionales. Alta fiabilidad, 15.000 rpm y soporte para cables largos. Velocidades de hasta 12Gb/s o 24Gb/s (SAS-4). Las controladoras SAS son compatibles con discos SATA, pero no a la inversa.

• PCIe (NVMe): Conexión directa al bus de la placa base, alcanzando velocidades extremas (hasta 14 GB/s en PCIe 5.0).

4. Sistemas de Almacenamiento en Red

• NAS (Network Attached Storage): Servidor dedicado a compartir archivos en red local (LAN) vía TCP/IP. Es una solución económica y sencilla.

• SAN (Storage Area Network): Red de alta velocidad (Fibra Óptica) dedicada exclusivamente al almacenamiento. Los servidores acceden a los discos de la SAN como si fueran locales. Requiere switches de fibra y tarjetas HBA. Es de alto rendimiento pero costosa.

• Cintas Magnéticas (LTO): Almacenamiento de acceso secuencial para copias de seguridad masivas y de larga duración. Muy económicas por GB. Se gestionan mediante librerías robóticas.

BLOQUE 6: ALTA DISPONIBILIDAD (RAID Y CLUSTER)

1. Niveles de RAID (Redundant Array of Independent Disks)

Técnica de agrupación de discos para mejorar el rendimiento o la tolerancia a fallos:

• RAID 0 (Striping): Suma las capacidades y mejora la velocidad al escribir en paralelo. No tiene tolerancia a fallos: si falla un disco, se pierde toda la información.

• RAID 1 (Espejo / Mirroring): Réplica exacta en dos discos. Ofrece máxima seguridad. La capacidad útil es del 50%. Lectura rápida y escritura estándar.

• RAID 5 (Paridad distribuida): Los datos y la paridad se reparten entre los discos. Tolera el fallo de 1 disco. Requiere un mínimo de 3 discos. Capacidad útil = Total - 1 disco.

• RAID 6 (Doble Paridad): Similar al RAID 5 pero con doble cálculo de paridad. Tolera el fallo de hasta 2 discos. Requiere un mínimo de 4 discos.

• RAID 10 (1+0): Una combinación de espejo y striping. Ofrece altísimo rendimiento y fiabilidad. Mínimo 4 discos y capacidad útil del 50%. Ideal para bases de datos.

2. Clusters (Agrupación de servidores)

• Cluster de Proceso: Combina la potencia de varias CPU para cálculos científicos complejos (Supercomputación).

• Cluster de Balanceo de Carga: Distribuye las peticiones de los usuarios entre varios nodos para evitar la saturación de un único servidor.

• Cluster de Tolerancia a Fallos: Si el nodo principal falla, otro asume el servicio en milisegundos. Utiliza un sistema de Heartbeat para monitorizar el estado de los nodos y un almacenamiento compartido externo denominado Quórum.