ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO DE LA COMPUTADORA

COMPUTADORAS DIGITALES

En términos generales, una computadora es una máquina capaz de procesar, transformar gran cantidad de datos muy rápidamente  de acuerdo con un programa de instrucciones. Sin embargo, para entender cómo se efectúa tal procesamiento y por qué es capaz de seguir instrucciones, necesitamos conocer la estructura y el diseño de la computadora digital.

Una computadora digital funciona controlando y efectuando operaciones con señales digitales, esto es, señales que saltan entre un valor bajo y uno alto, sin pasar por valores intermedios.

Una forma de interpretar esta idea consiste en pensar que las computadoras están compuestas por interruptores electrónicos microscópicos y cada uno de éstos sólo puede tener una de dos posiciones: encendido o apagado (que equivale a 1 o 0, respectivamente). Un programa de cómputo manipula estos interruptores para representar datos y efectuar operaciones. Cuando los datos se mueven entre diferentes componentes, la información codificada se transforma en pulsos de energía que serán reinterpretados en el otro extremo.

CLASIFICACIÓN DE LAS COMPUTADORAS

 Una supercomputadora es una máquina sumamete rápida (y costosa, alrededors de 100 millones de dólares en 2010), construida especialmente para hacer miles de billones de operaciones aritméticas por segundo. Se utiliza para resolver problemas científicos de cómputo intensivo, es decir, problemas que involucran una inmensa cantidad de cálculos numéricos; por ejemplo, estudios de aerodinámica, predicción, climatología y simulación astronómica.

Un mainframe (anteriormente llamado microcomputadora) es un sistema de cómputo de gran tamaño con numerosos recursos disponibles como son cientos de gigabytes de memoria principal, miles de terabytes de disco duro, cientos de periféricos y facilidades de telecomunicación, y capacidad para permitir máquinas virtuales. Estas características permiten atender miles de usuarios trabajando simultáneamente.

Una minicomputadora es un sistema de computo de tamaño medio, capaz de atender a cientos de usuarios simultáneamente. Se utiliza para satisfacer las necesidades de cómputo no intensivo de un departamento (dentro de una organización). En la actualidad, ya no se hace distinción entre microcomputadoras y mainframes.

Una estación de trabajo (en ingles workstation) es una computadora de pequeñas dimensiones diseñada específicamente para atender las necesidades de un usuario individual; procesamiento de textos, contabilidad, prestaciones multimedia, correo electrónico, acceso a la Web, etc. Suelen clasificarse según su tamaño: de escritorio (desktop), portátil (laptop o notebook), sin teclado (tabletop) o de acceso a Internet (netbook).

Un asistente personal digital (en inglés personal digital asistant o PDA) es una computadora de ,mano que proporciona servicios personales de cuaderno de notas, calculadora, etc. También maneja archivos personales con facilidad: agenda, directorio telefónico, etc. Suelen tener un teclado diminuto o permiten escribir directamente sobre la pantalla. Actualmente los teléfonos inteligentes incorporan todas las facilidades de un asistente personal digital.

Un sistema inmerso, también llamado sistema integrado (conocido en inglés como embedded computing system) es un sistema de cómputo de pequeñas dimensiones (centímetros cuadrados) que se utiliza para controlar dispositivos específicos, y se encuentra integrado a éste, por lo cual es invisible a los ojos del usuario. Dichos sistemas se usan para controlar el despliegue de datos en las pantallas de los aparatos electrónicos, interpretar las teclas oprimidas con un teclado, controlar el movimiento de la cabeza lectora de un disco duro e interpretar los datos de una memoria USB, entre otras.

ESTRUCTURAS DE LAS COMPUTADORAS

Una computadora se conforma de un conjunto de componentes físicos llamado hardware, y un conjunto de programas de datos llamado software.

El hardware incluye los dispositivos y componentes electrónicos, electromecánicos u ópticos, que se encargan de captar, emitir, almacenar o transformar datos, y suele representarse como cuatro bloques independientes con función específica.

A grandes rasgos, la unidad central de procesamiento es el "cerebro" de la computadora; la memoria es un "gran casillero" donde se encuentran las instrucciones y datos; las unidades de estrada y salida permiten que la computadora interactúe con las personas o con otras máquinas.

El software es un concepto abstracto que se refiere a la información manejada por la computadora y a las instrucciones que indican cómo utilizar el hardware. En general, el software se integra de elementos intangibles como son programas, datos y  procedimientos que el sistema de cómputo necesita para poder funcionar.

MODELO TEÓRICO DE VON NEWMANN

Exceptuando ciertas computadoras muy especiales, las computadoras digitales se construyen basándose en un esquema típico y con un funcionamiento preciso. Este esquema es conocido como modelo de von Newmann y describe una máquina integrada por cinco partes: 

1. Unidad de entrada: es la parte que permite que los datos procesados salgan del computador.
2. Unidad de salida: es la parte que permite que los datos procesados salgan del computador.
3. Unidad de memoria: es un medio de almacenamiento de datos. Ahí se alojan tanto los datos a ser procesados como las instrucciones.
4. Unidad de control: es la sección de la computadora que dirige y coordina los procesos a realizar.
5. Unidad aritmética y lógica: es la parte de modelo con la capacidad de realizar operaciones matemáticas.

La realización práctica de lo anterior mencionado se hace mediante componentes electrónicos, aplicando la lógica booleana y la aritmética binaria. De tal modo, los aparatos que se utilizan para efectuar las actividades de la unidad de entrada con conocidos como dispositivos de entrada.

Por lo que respecta a la unidad aritmética y lógica, y a la unidad de control,  se encuentran reunidas dentro de un mismo dispositivo conocido como procesador o CPU (unidad central de procesamiento).

UNIDAD CENTRAL DE PROCESAMIENTO

El CPU, ( por sus siglas en inglés), es un complejo grupo de circuitos electrónicos que constantemente obtiene instrucciones (de la memoria), indicándole qué operaciones debe de hacer. Cada instrucción involucra la utilización de diferentes partes del procesador.

La función del procesador se reduce a obtener instrucciones de la memoria, interpretarla, efectuar operaciones aritméticas o lógicas, y transferir datos entre la memoria. Estas tareas, se llevan a cabo con gran rapidez y presición dentro de un ciclo que se ejecuta mientras la computadora este encendida.

Un procesador esta integrado por cuatro bloques de circuitos especializados:

1. Unidad de control: Es el circuito que decodifica la instrucción recibida y activa o desactiva los demás bloques del procesador para efectuar la instrucción.
2. Unidad aritmética-lógica (o ALU por sus siglas en inglés): es el circuito encargado de efectuar operaciones aritméticas , comparaciones y operaciones de lógica booleana.
3. Registros: son una colección de circuitos de memoria utilizados para guardar los datos numéricos que requiere la ALU para efectuar operaciones.
4. Contador de programa: es un registro especial que usa la unidad de control para ubicar en qué parte de la memoria se encuentra la siguiente instrucción a ser ejecutada.

Una vez que la instrucción ha sido concluida, el procesador busca en la memoria otra instrucción, utilizando como referencia la posición indicada por el contador de programa; tras haberla obtenido, el valor en este registro se ajusta automáticamente para que en el siguiente ciclo detecte correctamente la siguiente instrucción.

Para sincronizar el trabajo de los diferentes bloques de la CPU (cuándo pedir otra instrucción o cuándo realizar una operación aritmética, por ejemplo) se utiliza un reloj electrónico que emite pulsos a intervalos constantes.

El trabajo del reloj se mide en Hertz. Mientras más rápido sea el reloj (es decir, tenga más Hertz), el procesador trabaja más rápidamente y, por tanto, los programas operan con más velocidad.

Una de las características del procesador es el tamaño de sus registros, es decir, cuántos bits caben en el registro. Esta cantidad es conocida como palabra "word".

Una palabra se define como el grupo de bits que la CPU puede procesar a un mismo tiempo. Se llama "longitud de palabra" al número de bits que contiene una palabra.

Mientras más grande sea la longitud de palabra, más poderosa y rápida es la computadora.

Las primeras microcomputadoras (hacia 1980) tenía procesadores con una longitud de palabra de 8 bits, después aparecieron los procesadores de 16 bits y actuelmente se tienen computadoras con CPU de 32 o 64 bits (son más rápidas).

EQUIPO PERIFÉRICO
Los periféricos con aparatos que trabajan junto con la computadora, pero que no forman parte de su arquitectura básica. En general, le permiten comunicación con el exterior o proporcionan servicios adicionales. Algunos ejemplos son el mouse, joystick, las impresoras, el teclado, los discos duros externos, el módem, etc.

De acuerdo con sus funciones principales, el equipo periférico se clasifica en dispositivos de enttrada, dispositivos de salida y dispositivos de memoria.

DISPOSITIVOS DE ENTRADA
Los periféricos de entrada permiten al usuario, u a otro sistema de cómputo, enviar información hacia la computadora.

Existe una amplia gama de equipo para entrada de datos, tales como: teclados, mouse o dispositivos apuntadores, joystick, micrófonos, cámaras digitales, fotográficas o de video, digitalizadores o escáners, lectores de código de barras, entre otros.

DISPOSITIVOS DE SALIDA
Los resultados que se obtienen durante los procesos efectuados por la CPU con enviados al usuario, o a otros sistemas de cómputo, por medio de los periféricos de salida.

Algunos dispositivos de salida con: monitores de video, impresoras, graficadores, sintetizadores de voz, grabadores o quemadores de CD-ROM, y grabadores de disco duro.

DISPOSITIVOS DE MEMORIA
La memoria es la parte de una computadora que permite el almacenamiento de los datos e instrucciones para su uso posterior. Puede estar constituida por elementos electrónicos, mecánicos o magnéticos.
Dependiendo de su utilización, los dispositivos de memoria se clasifican en dos grandes categorías: memoria primaria y memoria secundaria.

Unidades de medición de memoria
Como los datos que almacenan las computadoras son binarios, se han creado unidades especiales para cuantificar la cantidad de datos que puede almacenarse en los dispositivos de memoria.

Los unos y ceros que manejan las computadoras digitales son llamados bits (Binary Digit). Sin embargo, un bit aislado no ofrece mucha información, por lo cual se les agrupa, formándose así el byte, que se integra por ocho bits consecutivos y suele representar un carácter (una letra, un número, un símbolo).

Para cuantificar grandes volúmenes de datos se utilizan múltiplos del byte:

Una memoria de 1 terabyte podría almacenar más  de un billón de letras (un millón de millones). Actualmente la memoria primaria de una computadora personal está entre 2 y 8 gigabytes, mientras que el disco duro está entre (100 y 900 gigabytes).


Memoria primaria
La memoria primaria (también llamada principal interna) se utiliza para guardar los datos e instrucciones que la computadora requiere de manera inmediata para poder trabajar. Consiste de componentes electrónicos conectados directamente al procesador. La transferencia de datos requiere de unos cuantos nanosegundos.

Esta memoria es similar a un gran casillero, donde puede guardarse un dato (un byte) en cada celda. Las celdas están numeradas en forma individual, lo que permite acceder directamente a cualquier dato alojado en al memoria. El número asociado a cada casilla es llamado dirección de memoria y es único para cada celda. El tamaño de la memoria se mide según el número de bytes que puede guardar.

Según sus características electrónicas, la memoria primaria se clasifica en RAM y ROM:

Memoria RAM
la memoria RAM (Random Acces Memory, memoria de acceso aleatorio) es utilizada por la CPU para ejecutar programas y almacenar datos temporalmente. Consiste de una colección de circuitos electrónicos que pueden guardar datos y devolverlos; sin embargo, requiere de energía eléctrica para mantener la información, si ésta falta los datos se pierden irremediablemente, motivo por el que se dice que es memoria volátil.

Memoria ROM
La memoria ROM (Ready Only Memory, memoria exclusiva para lectura) viene grabada de fábrica y contiene instrucciones indispensables para el funcionamiento de la máquina, como son las rutinas de autodiagnóstico, el control básico de pantalla y teclado, las rutinas para recuperar el sistema operativo desde el disco duro, principalmente. Este tipo de memoria no permite guardar nuevos datos y su contenido no requiere suministro eléctrico para ser preservado.

Memoria secundaria

La memoria secundaria o de almacenamiento masivo, consiste en dispositivos externos de la computadora (aunque no pueden estar alojados dentro del mismo gabinete) y se utilizan para almacenar grandes cantidades de datos por tiempos prolongados, como son los programas, utelerías del sistema operativo, archivos de datos, imágenes, grabaciones de audio, etc. Como esta memoria es externa, la comunicación con la CPU se efectúa a través de la unidad de entrada y de la salida. La transferencia de datos entre el procesador y la memoria secundaria puede tardar varios milisegundos.

Existen varias tecnologías para fabricar dispositivos de almacenamiento masivo. Por ejemplo, los discos duros almacenan datos mediante variaciones de un campo magnético, mientras que el CD-ROM los almacena mediante hendiduras microscópicas que son detectadas por la reflexión de un rayo láser. Las memorias USB o flash drives y las tarjetas de memoria son dispositivos de estado sólido, es decir, sin parte móviles.

Los datos en la memoria secundaria se organizan en unidades llamadas archivos. éstos son grupos de datos con alguna característica que los relaciona, y a cada grupo se le asigna un nombre que permite su rápida identificación y hace posible el acceso a la información contenida en ellos.

Algunos dispositivos de memoria secundaria son:

• Discos duros (hard disk, hard drive, o HDU): son discos de aluminio recubiertos con una sustancia ferromagnética (magnetizable), que se encuentran protegidos dentro de un contenedor que asegura estabilidad y atmósfera limpia. Se utilizan para almacenar grandes cantidades de datos que se usan de manera habitual.

• CD-ROM y DVD-ROM: son discos de aluminio recubiertos con una sustancia plástica para su protección. Los datos binarios son representados como hendiduras en la superficie metálica y se utiliza la reflexión de un rayo láser para detectarlas. Una vez grabados, los datos ya no pueden borrarse (por eso se agregó el sufijo ROM). Suele emplearse para distribuir grandes cantidades de datos o paquetes de software.

• Memorias USB y tarjetas de memoria: so memorias de estado sólido cuyos circuitos de memoria no requieren electricidad para mantener los datos. Resultan muy prácticos por su diminuto tamaño y alta velocidad de transmisión de datos.

                                

• Discos flexibles (diskettes): son discos de plástico suave cubiertos con una sustancia magnetizables. Suelen utilizarse en las computadoras personales para trasladar información de una máquina a otra o para respaldarla.

      

• Cintas magnéticas: son cintas de plástico suave cubiertas con una sustancia magnetizable. Suelen usarse en sistemas de cómputo para respaldar información.

UN PROCESO COMPLETO

A continuación se presenta como actuaría la computadora al hacer una suma de dos números: 6+5.

1. Apretamos el número 6 del teclado.

2. El teclado envía una señal digital (un tren de pulsos) hacia la CPU, indicándoles que se ha pulsado una tecla.

3. En la CPU se determina qué tecla fue oprimida (el 6) y se envía este valor a la memoria.

4. Apretamos el digno + del teclado.

5. El teclado envía nuevamente una señal hacia la CPU, indicándola que se ha pulsado una tecla.

6. En la CPU se determina qué tecla fue oprimida (el +) como se indica una operación, se esperará que se introduzca un nuevo número.

7. Apretamos ahora el número 5.

8. Se envía la señal a la CPU, indicándole que se ha pulsado otra tecla.

9. Se determina qué tecla fue oprimida (el 5) y se envía este valor a la memoria.

10. Para efectuar la operación se trasladan los sumandos desde la memoria hasta los registros internos de la CPU.

11. Se esuma el contenido de los registros y se coloca el resultado en un registro, posteriormente se regresa a la memoria (la operación aritmética se realiza por medio de la ALU).

12. Como deseamos que nos muestre el resultado, la CPU busca nuevamente en la memoria, es decir, extrae el resultado y lo coloca en un registro.

13. Del registro se envía un tren de pulsos hacia el monitor, donde éstos son despegados en forma de número 11.

El esquema teórico que sustenta las computadoras personales es conocido como arquitectura von Newmann; sin embargo existen otros modelos que sirven de base para construir otro tipo de computadoras. A continuación, se mencionan algunos:

1. Arquitectura RISC: utiliza un mínimo de instrucciones básicas que trabajan a gran velocidad. Esta arquitectura es usada por las estaciones de trabajo.

2. Arquitectura de Procesamiento Paralelo: según este modelo se pueden efectuar operaciones matemáticas con grandes grupos de datos a un mismo tiempo. Esta arquitectura es empleada por las supercomputadoras.

3. Arquitectura de Procesamiento Vectorial:según este modelo se pueden efctuar operaciones matemáticas con grandes grupos de datos aun mismo tiempo. Esta arquitectura es empleada por las supercomputadoras.

4. Núcleo múltiple (Multicore): este tipo de arquitectura incorpora varias unidades de procesamiento dentro de un mismo circuito central, dando pauta a un sistema de procesamiento paralelo, de pequeñas dimensiones y alto rendimiento. Las computadoras personales más recientes utilizan este tipo de arquitecturas.