Fundamentos de Hardware: Componentes Esenciales y Arquitectura de Computadoras

Definición de Computadora

Una computadora es un sistema, una combinación interrelacionada de componentes que realizan las funciones básicas de entrada, procesamiento, salida, almacenamiento y control. De esta forma, proporciona a los usuarios finales una herramienta de procesamiento de información.

Componentes Fundamentales de un Sistema de Computadora

1. Unidad Central de Procesamiento (CPU)

La CPU (Unidad Central de Procesamiento) es la parte del sistema que manipula símbolos, números y letras, y controla las demás partes del sistema de la computadora. El microprocesador recibe el nombre de CPU y es el responsable de todas las operaciones que se efectúan con los datos, llevando el control de los demás dispositivos de la computadora.

Subcomponentes y Características de la CPU:

• Unidad de Control (UC): Es el centro nervioso de la computadora. Controla y gobierna todas las operaciones: toma instrucciones de la memoria, las decodifica o interpreta y las ejecuta.
• Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Realiza los cálculos matemáticos y las comparaciones lógicas.
• Rapidez del Procesador: Se mide por el número de bits internos (cantidad de bits que la CPU puede procesar a la vez).
• Bus de Datos: Es la autopista por la que se transporta la información a través de las placas de circuito impreso de las computadoras, entre la CPU y el resto de los dispositivos.
• Frecuencia de Trabajo: Dentro de la computadora hay un reloj que marca el ritmo de trabajo. Es la longitud de tiempo de un ciclo de máquina, lo que se demora para realizar el conjunto de operaciones requeridas (leer, decodificar y ejecutar).
• Arquitectura: Es importante cómo está diseñado el microprocesador, puesto que es un factor fundamental que influye en su rendimiento. Dos arquitecturas típicas de computadoras son la CISC (Complex Instruction Set Computer, generalmente más lenta en ciclos por instrucción) y la RISC (Reduced Instruction Set Computer, generalmente más rápida en ciclos por instrucción). Una diferencia importante es que, en el mismo ciclo de reloj, los procesadores RISC pueden empezar a ejecutar una instrucción antes de que la anterior se complete.
• Memoria Caché: Es una memoria de acceso rápido que almacena temporalmente datos e instrucciones de uso frecuente para que la CPU pueda acceder a ellos más rápidamente que desde la RAM principal.

2. Almacenamiento Primario

El almacenamiento primario es el lugar donde se guardan temporalmente los datos y las instrucciones de programas durante el procesamiento.

• RAM (Random Access Memory): Es volátil, su contenido se pierde si se interrumpe la electricidad.
• ROM (Read-Only Memory): Es memoria de solo lectura. La información se escribe en su fabricación y consiste en programas e instrucciones de control para la puesta en marcha de la computadora. Su principal función es reconocer dispositivos. (Para una descripción más detallada de la ROM, consulte la sección "Memoria ROM (Read-Only Memory)" más adelante.)

3. Dispositivos de Almacenamiento Secundario

El almacenamiento secundario es el almacenamiento de datos relativamente a largo plazo, fuera de la CPU y del almacenamiento primario. Los sistemas de información necesitan almacenar información en estado no volátil (que no requiera alimentación eléctrica), conservando los datos incluso cuando se apaga la computadora. Es un método seguro y eficiente para la gestión de datos, constituyendo un aspecto crítico para el éxito de una organización.

Ejemplos de Almacenamiento Secundario:

• Discos duros (HDD)
• Discos flexibles
• Discos ópticos (CD, DVD, Blu-ray)
• Cinta magnética
• Memoria Flash (SSD, USB): Son de tipo no volátil, de gran resistencia a los golpes y muy silenciosos, ya que no contienen partes móviles. Su pequeño tamaño es un factor determinante a la hora de escogerlos para un dispositivo portátil.

4. Dispositivos de Entrada (Input)

Los dispositivos de entrada son aquellos que nos permiten ingresar datos a la computadora. Convierten los datos a una forma electrónica para su entrada directa, o mediante una red de telecomunicaciones, a un sistema informático.

5. Dispositivos de Salida (Output)

Las computadoras nos proporcionan información de diferentes formas, a través de dispositivos como monitores, impresoras y parlantes.

6. Dispositivos de Comunicación

Los dispositivos de comunicación son los que envían y reciben archivos de una computadora a otra.

Ejemplos de Dispositivos de Comunicación:

• Módem: Es un dispositivo que convierte las señales digitales (0 y 1) en señales analógicas y viceversa, que pueden transmitirse a través del canal telefónico o de otros medios.
• Bluetooth: Tecnología inalámbrica de corto alcance para el intercambio de datos.
• Tarjetas de Red (NIC): Son una interfaz entre el sistema informático y el medio de transmisión físico por el que se transporta la información de un lugar a otro. Llevan datos desde la RAM, fuera de la computadora y viceversa, controlando el flujo de datos de entrada y salida del cableado de red.

7. Bus del Sistema

Un bus es un conjunto de líneas metálicas o físicas utilizadas para la transmisión de datos entre los componentes de un sistema informático.

Categorías de Computadoras

Las computadoras se pueden clasificar en diversas categorías según su tamaño, capacidad y propósito:

• Computadoras de mano (Handheld)
• Portátiles (Laptops)
• De escritorio (Desktops)
• Estaciones de trabajo (Workstations)
• Servidores
• Mainframes
• Supercomputadoras

Mainframes

Los mainframes son computadoras de gran tamaño y potencia, conocidas por:

• Estabilidad de sus procesos: Estos sistemas son extremadamente fiables.
• Integridad de los datos: Mantener los datos en un mainframe hace que sea casi imposible que se presente un problema de integridad de datos.
• Seguridad: Proporcionan niveles máximos de seguridad y auditoría.
• Disponibilidad continua de los servicios: Tienen la capacidad de hacer frente a paradas (tanto planificadas como por algún fallo) manteniendo la continuidad del servicio.

Supercomputadoras vs. Mainframes

La distinción entre supercomputadoras y mainframes (computadoras centrales) radica en su enfoque principal:

• Las supercomputadoras se centran en problemas limitados por la velocidad de cálculo, realizando operaciones complejas a una velocidad extrema.
• Los mainframes se centran en problemas limitados por los dispositivos de Entrada/Salida (I/O) y la fiabilidad, gestionando grandes volúmenes de transacciones y garantizando la integridad y disponibilidad de los datos.

Conceptos Adicionales en Informática

Computación en la Nube (Cloud Computing)

La Nube se refiere a un modelo de cómputo que provee acceso a una reserva compartida de recursos computacionales (computadoras, almacenamiento, aplicaciones y servicios) a través de una red. Se puede acceder a estos recursos según sea necesario, desde cualquier dispositivo conectado y cualquier ubicación.

Memoria ROM (Read-Only Memory)

La ROM, o memoria de solo lectura, es un tipo de memoria que solo se puede leer. Por lo tanto, la información que contiene debe ser escrita en el momento de su fabricación. Su contenido no se borra nunca y consiste en programas e instrucciones de control que son necesarios para la puesta en marcha de las computadoras. También se usa en procesadores de uso específico para almacenar programas importantes o de uso frecuente, como rutinas de cómputo para calcular la raíz cuadrada de un número.

Placa Madre (Motherboard)

La placa madre es donde se encuentran las conexiones básicas para todos los componentes de la computadora, los cuales giran en torno al microprocesador. Es el componente que integra a todos los demás.

Ranuras de Expansión

Las ranuras de expansión permiten ampliar las posibilidades de conexión a la placa madre, colocando en ellas tarjetas adicionales.

Puertos de Conexión

La conexión de la computadora a los periféricos se realiza a través de puertos, que son las bocas externas de las conexiones a la placa madre.