Fundamentos de Electricidad, Electrónica y Arquitectura de Computadores

1. Conceptos de Energía y Corriente Eléctrica

• Energía: Es la capacidad de realizar un trabajo.
• Corriente eléctrica o intensidad: Se define como el transporte de cargas eléctricas a través de un material conductor; su unidad de medida es el Culombio/segundo (Amperio).
• Potencia: Representa la cantidad de energía por segundo que transporta la carga en movimiento. Se mide en Vatios (Watts).
• Voltaje: Es la cantidad de energía potencial entre dos puntos. Se expresa como Vatio/Amperio, lo que equivale al Voltio.
• Corriente continua (CC/DC): Es aquella en la que el flujo de electrones siempre mantiene el mismo signo (ejemplos: baterías y pilas).
• Corriente alterna (CA/AC): Es la corriente que oscila de polaridad positiva a negativa periódicamente (ejemplo: corriente doméstica).
• Electricidad estática: Es la acumulación de cargas de un mismo signo, lo que puede generar descargas dañinas para los circuitos electrónicos.

2. Circuito Electrónico Digital

Definiciones Fundamentales

• Circuito: Conjunto de dispositivos por los que circula la electricidad. Esta circulación genera calor.
• TDP (Potencia Térmica de Diseño): Es la cantidad de calor máxima que admite un circuito sin presentar fallos o deteriorarse.
• Conmutador: Dispositivo que regula el paso de la corriente con dos valores posibles: abierto y cerrado.
• Transistor: Dispositivo conmutador que controla el paso de corriente sin partes móviles; es un componente de estado sólido.
• Tiempo de conmutación: Es el tiempo que tarda un conmutador en abrirse o cerrarse. Este parámetro determina la velocidad máxima de un circuito.
• Frecuencia de funcionamiento (Velocidad de reloj): Es la velocidad a la que funcionan los conmutadores del circuito.
• MIPS: Millones de instrucciones por segundo.
• FLOPS: Operaciones de cálculo con números decimales (coma flotante) por segundo.
• Potencia disipada por un circuito: Se calcula en función de la Velocidad de reloj · V² · Capacitancia (la capacitancia es proporcional al área de los transistores).

3. Seguridad: Magnetotérmico y Diferencial

• Derivación: Ocurre cuando la corriente que entra en el circuito es mayor a la que sale.
• Interruptor magnetotérmico: Dispositivo que evita automáticamente que entre más corriente de la máxima permitida para proteger la instalación.
• Interruptor diferencial: Salta automáticamente cuando detecta que la corriente que entra por un circuito es mayor a la que sale (indicando una derivación). Nota: Se utiliza habitualmente un magnetotérmico seguido de un diferencial.

4. Fuentes de Alimentación

La fuente de alimentación es el circuito encargado de suministrar electricidad a un equipo. Sus funciones principales son:

1. Conversor de voltaje: Convierte la corriente alterna en corriente continua (normalmente en salidas de 12V, 5V y 3.3V).
2. Regulador de voltajes: Suministra potencia dentro de unos parámetros de calidad, asegurando que las oscilaciones de voltaje sean mínimas.
3. Suministro de potencia: Se mide en vatios y debe contar con un margen de un 30% sobre la potencia prevista.
4. Suministro en espera (Stand By): El sistema nunca está totalmente inactivo.

5. Refrigeración de los Sistemas

• Temperatura máxima de operación: Todo circuito tiene una temperatura de funcionamiento óptimo. Una vez superada esta temperatura, el componente se puede averiar.

6. Baterías

Una batería es un sistema que sirve para acumular energía eléctrica mediante un proceso químico. En este proceso, un material cambia su composición y absorbe electrones; la energía absorbida se convierte posteriormente en corriente eléctrica.

• Medida de la energía: Se expresa en Vatios por hora (Wh).
• Límite de operaciones de recarga: Los materiales de una batería se deterioran con los ciclos de carga, particularmente el cátodo, al que cada vez le resulta más difícil absorber los átomos disueltos de nuevo.

7. Tiempo Medio Entre Fallos y Fiabilidad (Curva de la Bañera)

• Tiempo medio de fallo (MTBF): Es el tiempo en el que un determinado dispositivo tiene una probabilidad del 50% de experimentar una avería.
• Vida útil: Durabilidad supuesta de un equipo sin fallos. Se mide en horas de funcionamiento y número de operaciones de encendido.

Fases de la Curva de la Bañera

1. Fallos prematuros: Equipos con defectos de fabricación o fallos en el control de calidad.
2. Tiempo de operación normal: Periodo de estabilidad que suele coincidir con la vida útil del equipo.
3. Desgaste: El equipo supera su vida útil y la probabilidad de fallo aumenta rápidamente.

8. Información y Representación

• Información: Elección de una serie de opciones entre un conjunto dado.
• Código: Conjunto de símbolos empleados para representar una información.
• Codificar: Representar una información a través de un código.

Propiedades de una codificación

• No puede ser ambigua: una información no se puede representar de dos formas distintas.
• Debe ser reversible (decodificable).
• Es arbitraria: depende de la elección de los símbolos.
• Puertas lógicas: Dispositivos encargados de procesar la información en los sistemas digitales.

9. Computadores

• Datos: Conjunto de símbolos utilizados para expresar o representar un valor numérico para ser objeto de tratamiento.
• Instrucciones: Conjunto de símbolos que representan una acción a realizar por parte de la computadora.
• Algoritmo o programa: Un proceso se realiza mediante una serie de pasos. Un algoritmo es el conjunto de pasos para efectuar una operación dada.
• Computadora: Es una máquina capaz de aceptar unos datos de entrada, efectuar con ellos operaciones lógicas y aritméticas de forma automática y proporcionar la información resultante (salida).
• Proceso: Conjunto de acciones que realiza una computadora sobre los datos de entrada. Existe proceso si los datos de entrada no son iguales a los de salida.
• Ordenador o computadora electrónica: Máquina universal electrónica de procesamiento de la información en forma digital, sin propósito específico o programable.

10. Estructura del Ordenador

• El Procesador (CPU): Es la parte fundamental donde se manipula la información.
• La Memoria Central: Lugar donde se almacenan de forma interna los datos y programas, ya sea de manera definitiva o temporal.
• El Bus: Es una vía de comunicación en la que la información viaja linealmente; los dispositivos conectados tienen acceso a ella en todo momento.
• Los Periféricos: Dispositivos que controlan la entrada y la salida de información.

11. Funcionamiento Esquemático de un Computador

El funcionamiento de la CPU está sincronizado por el reloj interno y sigue estos pasos:

1. La Unidad de Control (UC) decodifica la instrucción a ejecutar e incrementa el contador de programa.
2. La UC carga los datos necesarios de la memoria y los almacena en los registros de entrada.
3. La UC pasa los datos de entrada a la ALU (Unidad Aritmético-Lógica) y selecciona la operación a realizar.
4. La ALU devuelve los resultados y la UC los introduce en los registros de salida.
5. La UC devuelve los resultados a la memoria principal.
6. La UC carga la siguiente instrucción a ejecutar desde la dirección que marca el contador de programa.