Introducción a la Informática: Arquitectura y Funcionamiento de los Ordenadores

Informática e Información

La informática se ocupa del tratamiento automático de la información. La transmisión de datos se realiza entre un emisor y un receptor a través de un canal. Las maneras de llevar a cabo esta transmisión son:

• Caracteres alfanuméricos: letras, números y todo lo introducido en el ordenador mediante el teclado.
• Sonidos: introducidos en el ordenador mediante un micrófono o que salen de él mediante altavoces.
• Vídeos: imágenes obtenidas mediante una cámara de vídeo.
• Gráficos e imágenes: imágenes introducidas mediante un escáner.
• Datos: enviados por un periférico capaz de tomar datos y enviarlos al ordenador, o viceversa.

El ordenador, o sistema informático, es una de las máquinas más complejas jamás construidas, cuya misión es procesar y manipular la información recibida, ya sea aritmética o lógicamente, y una vez transformada, transmitirla. El sistema informático consta del conjunto de máquinas (hardware) y los programas (software) que las hacen funcionar, permitiendo el tratamiento de la información.

Hardware

El hardware incluye:

• Unidad Central de Proceso (CPU): transfiere y procesa la información. Se asienta en la placa base, que es un circuito impreso donde se conectan los demás componentes, destacando el microprocesador. Los buses son los encargados de la circulación de los datos de entrada o salida en o del micro.
• Memoria: contiene la información con la que está trabajando el ordenador, ya que el procesador sólo trabaja con los datos y los programas presentes en la memoria.
• Dispositivos periféricos: aparatos externos conectados a la unidad central. Según su función, se clasifican en:
  • De entrada: teclado, ratón, cámara, micrófono, etc.
  • De salida: pantalla, impresora, altavoces, auriculares.
  • De almacenamiento: disco duro, CD-ROM, DVD, etc.
  • De comunicación: teléfono, fax, interfaz de red, etc.
• Conectores: cables de conexión y puertos.

Software

El software incluye las instrucciones, utilidades, procedimientos y aplicaciones que hacen posible que el hardware cumpla su tarea. Según su función, existen dos grupos:

• Software del sistema: los programas indispensables para que el ordenador funcione. Controlan su arranque, el movimiento del ratón por la pantalla, el funcionamiento de la impresora y, en especial, los sistemas operativos, los lenguajes de programación, drivers, etc.
• Software de aplicación: son los destinados al procesamiento de datos, como tratamientos de textos, de bases de datos, de hojas de cálculo, etc.

Arquitectura y Funcionamiento del Ordenador

1. Tipos de Ordenadores

Hay dos tipos de ordenadores:

• De marca:
  • El fabricante incorpora parte de la tecnología existente en el ordenador.
  • Son los más fiables debido a su exigente control de calidad.
  • Mayor calidad, pues sus componentes están adaptados específicamente para dichos ordenadores.
  • Mejor servicio de asistencia y garantía.
• Clónicos:
  • Montados y ensamblados a partir de componentes y piezas de terceros fabricantes.
  • Los ensambladores no aportan ninguna tecnología.
  • Más baratos.
  • Permiten configurar ordenadores a medida y futuras ampliaciones, sustituciones o adaptaciones.

2. El Modelo de Von Neumann

Se basa en almacenar en una misma memoria las instrucciones lógicas de los programas y los datos que se van a procesar. Antes, para programarlo, era necesario cambiar la configuración interna de sus circuitos electrónicos. A partir del modelo de Von Neumann, los programas reciben el mismo tratamiento que los datos (pueden crearse, almacenarse y borrarse), permitiendo el vertiginoso desarrollo de la programación. Esta arquitectura consta de tres módulos básicos: Unidad Central de Proceso (CPU), Unidad de Memoria y Unidad de E/S, comunicados entre sí mediante buses (de Datos, de Direcciones y de Control).

3. Unidad Central de Proceso (CPU)

• Controla y gobierna todo el sistema.
• Interpreta y ejecuta las instrucciones de los programas almacenados en la memoria.
• Recoge datos de las unidades de entrada, los procesa y los envía a las unidades de salida o periféricos.
• Encargada de controlar y procesar los datos.
• La potencia del ordenador depende de ella.

A su vez, esta unidad está formada por:

3.1. Unidad de Control (UC)

• Interpreta y ejecuta las instrucciones almacenadas en la memoria principal para que los demás componentes de la CPU materialicen correctamente.
• Genera señales de control necesarias para que se puedan ejecutar dichas instrucciones.
• Controla el flujo de información a través del micro.
• Alimenta las instrucciones y las decodifica.
• Controla la ejecución de las instrucciones.
• Almacena resultados.

Y todo ello lo hace así:

1. Extrae de la memoria principal la instrucción a ejecutar, almacenando en el "contador de programa" (CP) la dirección de la celda que contiene la próxima instrucción a ejecutar, al tiempo que deposita en el "registro de instrucción" (RI) el código de la instrucción actual a ejecutar (dividido a su vez en dos zonas: código de operación y dirección de memoria donde se halla el operando).
2. Conocido el código de operación, efectúa las conexiones con los circuitos de la "unidad aritmético-lógica" (UAL) que van a participar en la operación.
3. Saca de la memoria principal los datos que se van a necesitar para ejecutar la instrucción, o sea, ordena la lectura de la celda cuya dirección está en el RI (dirección del operando).
4. Ordena a la UAL que efectúe las correspondientes operaciones, cuyo resultado se deposita en un registro especial de la UAL llamado registro acumulador.
5. Por último, se incrementa en uno el CP, coincidiendo con la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.

En resumen, el CP le pasa al RDM la dirección de memoria de la próxima instrucción a ejecutar, y este la busca y la carga en el RIM, que a su vez pasa al RI, tras lo cual un decodificador de instrucciones interpreta el contenido del RI, generándose las órdenes adecuadas para su ejecución. El CP se incrementa en 1, preparando el recorrido para la siguiente instrucción.

Aparte del CP y del RI, registros que luego se comentarán, en la UC también se encuentran los siguientes elementos:

• Decodificador de instrucción (DI): extrae y analiza el código de operación de la instrucción contenida en el RI y genera las señales de control necesarias para ejecutar dicha instrucción adecuadamente.
• Reloj:
  • Cristal de cuarzo que oscila a un gran ritmo o frecuencia, marcando los tiempos de ejecución de los pasos a realizar para cada instrucción y el ritmo de trabajo del DI.
  • La velocidad del reloj se mide en MHz y ahora en GHz.
  • La frecuencia del bus del sistema se llama FSB (Front Side Bus).
  • Un parámetro que define mejor la velocidad y eficacia de una CPU es el MIPS (Millones de Instrucciones Por Segundo).
• Secuenciador: dispositivo que genera órdenes o microórdenes elementales y que, sincronizadas con los impulsos de reloj, consiguen que la instrucción cargada en él se haga paso a paso y ordenada.

3.2. Unidad Aritmético-Lógica (UAL)

• Encargada de realizar las operaciones aritméticas y lógicas.
• La potencia del ordenador depende bastante de la UAL.

3.3. Registros

Almacenan la información temporal con la que trabajan la UAL y la UC. Es el almacenamiento interno de la CPU y es de acceso muy rápido. Los tres elementos constituyen el microprocesador central del sistema, controlando y ejecutando todas las operaciones del mismo. Los registros internos son celdas de memoria de alta velocidad donde se almacenan datos temporalmente mientras la CPU realiza alguna operación; son la memoria interna del procesador. Están formados por un conjunto de bits manipulados en bloque que varía según la CPU (8, 16, 32, etc.) y sin ellos no funcionaría. El tamaño del registro es el número de bits que puede manejar al mismo tiempo el procesador, por tanto, de él dependerá la potencia del micro. Las primeras CPU eran de 8 bits, las de los primeros PC de 16 bits (admitiendo sólo software de 16 bits: DOS y Windows 3.x), y con 32 bits se aprovecha más cantidad de memoria, y las instrucciones de 32 bits posibilitan algunas adicionales para la gestión de la memoria (en los micros de 16 bits, las adicionales las hacían chips suplementarios; el primer modelo de CPU con registros de 32 bits fue Intel 80386).

Hay dos tipos de registros:

3.3.1. Registros Visibles al Usuario

• Registros de dirección.
• Registros de datos.
• Registros de condición (flags).

3.3.2. Registros de Control y de Estado

Participan en la ejecución de las instrucciones y son los siguientes:

• Contador de programa (CP).
• Registro de dirección de memoria (RDM).
• Registro de intercambio de memoria (RIM) o memory buffer register (MBR).
• Registro de instrucción (RI).

4. Tipos de CPU

El objetivo de los fabricantes de CPU es conseguir la mayor velocidad posible y ejecutar todas las instrucciones que se pueda a la vez (multitarea). Hay dos tecnologías para conseguirlo:

• Microprocesadores con tecnología CISC (Complex Instruction Set Computer): conjunto completo de instrucciones. A partir de los años 60, las empresas electrónicas crearon CPU muy completas, pormenorizadas y amplias, para que el software fuese más sencillo (varias zonas de la CPU interpretan y ejecutan una instrucción diferente cada una). Se procesan códigos completos, aunque la ejecución de las instrucciones es más lenta, usando varios ciclos de reloj para acabar de ejecutar cada instrucción. Empezó con el "8088" para el primer PC de IBM. Luego, los Duron, Athlon de AMD, etc.
• Microprocesadores con tecnología RISC (Reduced Instruction Set Computer): conjunto de instrucciones reducido. Se simplifican las instrucciones (muchas se realizan en un solo ciclo de reloj), aunque los programas tienen más instrucciones. Son más fáciles de procesar, más eficientes, usan menos lógica, hardware más sencillo y potente, pero se usan compiladores (programas traductores) complicados (más caro), y esto implica que esta tecnología sea más cara. Esta tecnología la utilizan: Macintosh (Apple), mainframes de IBM, máquinas de juego y computadores de mano de gama alta.

5. Buses de Comunicación

Son líneas eléctricas (u ópticas) con las que se comunican las distintas unidades del ordenador. Son cables por los que circula la información en forma de bits. Cuando en un conductor hay señal eléctrica, se está transmitiendo un 1, y cuando no, un 0. El número de conductores de un bus nos indica cuánta información puede transmitir simultáneamente (ancho de bus). Según su función, se dividen en:

• Bus de datos: establece la conexión entre la CPU y el resto de componentes. Las CPU de los primeros PC tenían 8 cables (representando 8 bits). Actualmente son 64 bits o más. La velocidad de transmisión de un bus de datos se mide en Kb/s, Mb/s, Gb/s, bps. Teniendo en cuenta la velocidad o frecuencia con que trabaja el bus (medida en Hz), la velocidad de transmisión (ancho de banda) se calcula multiplicando el ancho de bus por la frecuencia.
• Bus de direcciones: envía impulsos que son direcciones de RAM en binario, y la cantidad de bits de dicho bus indica la cantidad de RAM direccionable. 2³² = 4 GB, 2¹⁶ = 64 MB.
• Bus de control: transmite señales de control desde la CPU al resto de componentes y señales de estado desde dichos componentes a la CPU. Se controlan las transferencias (señales de sincronismo, indicadores de lectura/escritura, etc.).