unidad didáctica 2.arquitectura de ordenadores apuntes

Tecnologías de la información y la Comunicación – 1º Bachillerato

Unidad Didáctica.- Arquitectura de ordenadores Página: 1

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1.- El ordenador personal

En 1981 IBM lanzó al mercado el IBM PC, el primer ordenador personal. Las siglas PC, correspondientes a Personal Computer, es decir, ordenador personal, se convirtieron en un estándar informático que, con más de veinte años a sus espaldas, goza de plena vigencia. Gracias a su arquitectura abierta, el PC ha podido evolucionar a un ritmo vertiginoso que parece no tener fin. El ordenador personal o PC también se conoce como ordenador compatible o clónico. Otro tipo de ordenadores de uso personal, como los Macintosh de Apple, son máquinas de menor difusión que, básicamente, satisfacen las necesidades de algunos sectores profesionales muy especializados, como el diseño y la autoedición.

El éxito del PC radica, principalmente, en su arquitectura abierta. La principal aportación del primero de los PCs de IBM fue su construcción modular, es decir, el ordenador estaba formado por un conjunto de componentes electrónicos conectados entre sí de forma que se facilitaba tanto el mantenimiento como la posterior ampliación del hardware.

1.1.- Funcionamiento interno Básicamente, el funcionamiento de un PC se divide en cuatro grupos de tareas:

La CPU procesa los datos que recibe.

La memoria almacena la información tanto por procesar como ya procesada.

Los puertos de entrada reciben la información para procesarla o almacenarla.

Los puertos de salida extraen la información del ordenador después de su procesamiento.



Para que esta estructura funcione, todos los elementos que componen un ordenador deben comunicarse entre sí, de forma que la información pueda circular entre los distintos grupos de tareas. De esta comunicación se encarga el bus del sistema que interconecta los componentes básicos del PC. Placa base

La placa base es el circuito electrónico más importante del ordenador. A ella se conectan, de una u otra forma todos los demás componentes del ordenador. Está formada por una placa de circuito impreso rectangular.



La placa base también se caracteriza por tener una gran cantidad de conectores:

• Zócalo para conectar el microprocesador. • Ranuras para conectar los módulos de memoria RAM. • Un conector para el cable de datos de la disquetera. • Conectores EIDE (primario y secundario) donde pueden conectarse discos duros y unidades ópticas, hasta

dos por conector. • Ranuras de expansión, donde podemos conectar diferentes tarjetas de expansión, como: tarjeta de sonido,

tarjeta capturadora, tarjeta de red, tarjeta sintonizadora de TV, tarjeta de modem interno, etc. • Ranura AGP o PCI express para conectar la tarjeta gráfica. • Puertos de E/S (Entrada/Salida), que nos permiten conectar a la placa base todo tipo de periféricos externos,

como el ratón, el teclado, el monitor, la impresora, el escáner, etc. • Conector de alimentación, donde se conecta el manojo de cables de corriente procedentes de la fuente de

alimentación.



La BIOS

Se trata de una memoria ROM (de solo lectura, que no se borra al apagar el ordenador) que contiene las instrucciones necesarias para arrancar el ordenador y cargar el sistema operativo (por ejemplo, Windows). Durante el arranque la BIOS lee los datos que contiene la memoria CMOS y realiza un chequeo de los dispositivos de hardware. Si todo va bien, busca el sistema operativo y lo carga. A partir de ese momento es el sistema operativo el que toma el control del ordenador. La memoria CMOS. Se trata de una memoria RAM que contiene la fecha y la hora, así como otros datos básicos de la configuración del hardware del ordenador. Para evitar que estos datos se borren al apagar el ordenador, existe una pila que le suministra corriente. Los datos de la memoria CMOS se pueden modificar mediante el programa Setup, al que suele accederse pulsando la tecla Supr o F2 al iniciarse el arranque del ordenador. El microprocesador

Cuando el PC está en marcha, el microprocesador es el elemento encargado de manipular la información que circula por el ordenador y de controlar gran parte de las tareas restantes llevadas a cabo por otros componentes. Debido a la importancia de su trabajo, se le suele comparar con el cerebro aunque, como éste, no podría gobernar las funciones del organismo sin el apoyo del resto de los órganos. El funcionamiento del PC consiste en la ejecución de programas, lo que significa que se basa en la interpretación de series de instrucciones que el microprocesador recibe. Obviamente, estas instrucciones no salen de la nada, sino que le son facilitadas por la memoria. La intercomunicación entre la memoria y el microprocesador es una transmisión de información que se efectúa a través de buses de datos, que podrían definirse como una red de autopistas y carreteras que une los distintos componentes del PC. El microprocesador es un circuito integrado formado por millones de transistores, cuya función es procesar los datos y las instrucciones que recibe de la memoria RAM. El área ocupada por dicho circuito viene a ser un cuadrado de 1 cm de lado, pero la gran cantidad de patillas de conexión que necesita para conectarse a la placa base, hace que su tamaño total sea mayor. Durante su trabajo el microprocesador genera una gran cantidad de calor que es necesario evacuar mediante un disipador térmico y un ventilador. Algunas de las características que determinan el rendimiento de un microprocesador son las siguientes:

• La frecuencia de reloj, que determina el ritmo de trabajo del procesador. Se mide en hercios (Hz). Un hercio equivale a un ciclo de reloj por segundo. Los procesadores actuales trabajan a frecuencias de reloj del orden de millones de hercios (megahercios, MHz) o incluso de miles de millones de hercios (gigahercios, GHz). El procesador Pentium 4 570 trabaja a 3,8 GHz.

• El número de transistores que contiene. Cuanto mayor sea este número, mayor será la capacidad de trabajo

del procesador. El procesador Pentium 4 que trabaja a 3,2 GHz contiene 55 millones de transistores. • La tecnología de proceso, que determina la anchura de las pistas que unen los diferentes transistores.

Algunos procesadores actuales tienen pistas de 0,13 micras (una micra es la milésima parte de un milímetro).



Es necesario reducir el ancho de las pistas para conseguir procesadores de mayor número de transistores y una frecuencia de reloj más alta.

• El número de bits que puede utilizar en sus operaciones. El primer procesador para PC, el 8088 (de 1979)

trabajaba con 16 bits. Actualmente existen procesadores de Intel y AMD que trabajan con 64 bits, aunque la mayoría son de 32 bits.

• La memoria caché. Se trata de una pequeña memoria incluida en el propio procesador. Su función es actuar

como memoria intermedia entre la memoria RAM y el núcleo del procesador, almacenando los datos y las instrucciones con los que va a trabajar el procesador de forma más inmediata. Su tamaño es pequeño, pero su velocidad de trabajo es muy alta. Se divide en dos niveles: nivel 1 (L1) y nivel 2 (L2). A veces la memoria caché L1 se divide en dos secciones: una para datos y otra para instrucciones.

• La frecuencia del bus frontal (FSB). El FSB (Front Side Bus) es el canal de datos que comunica al procesador con la memoria RAM a través del puente norte. Cuanto mayor sea la frecuencia de trabajo (expresada en MHz) mayor cantidad de datos por segundo se podrán transferir entre la memoria y el procesador.

A continuación se muestra una tabla con las características de varios procesadores, desde el primero que se utilizó en un ordenador personal (el 8088) hasta el Pentium 4.

MIPS

Nombre

Fecha Número de Tecnología Frecuencia Número Millones de

transistores (micras) de reloj de bits instrucciones

por segundo

8088 1979 29.000 3 5 MHz 16 0,33

80286 1982 134.000 1,5 6 MHz 16 1

80386 1985 275.000 1,5 16 MHz 32 5

80486 1989 1.200.000 1 25 MHz 32 20

Pentium 1993 3.100.000 0,8 60 mHz 32 100

Pentium II 1997 7.500.000 0,35 233 MHz 32 ~ 300

Pentium III 1999 9.500.000 0,25 450 MHz 32 ~ 500

Pentium 4 2000 42.000.000 0,18 1,5 GHz 32 ~ 1700



El bus del sistema

Los primeros IBM PC contaban con un bus que interconectaba todos los componentes del PC de igual a igual: la memoria, el microprocesador, etc. Con el tiempo esta estructura inicial demostró no ser capaz de absorber los caudales de datos que requerían todos los componentes; el bus del sistema empezó a fraccionarse y especializarse propiciando la aparición de nuevos buses de datos. Repasamos a continuación de forma breve la historia de los buses del sistema:

El bus ISA.- El primer IBM PC incorporaba un bus ISA de 8 bits, que posteriormente se amplió a 16 bits dando el bus ISA que puede encontrarse en la actualidad, en la mayoría de los PCs.

El bus MCA.- En breve el bus ISA empezó a demostrar su debilidad ante la avalancha de información que debía manejar un PC, surgieron por tanto varias alternativas. La propuesta de IBM recibió el nombre de MCA Micro Channel Arquitecture, arquitectura de microcanal, que ofrecía un bus de 32 bits pero tenía en su contra el uso exclusivo en PCs IBM y su total incompatibilidad con los buses ISA existentes.

El bus EISA.- Por otro lado el bus EISA (Extended ISA, ISA extendido) permitía usar en la misma ranura cualquier tipo de tarjeta ISA, aportando un ancho de banda de 32 bits en modo EISA. Por desgracia, su elevado coste dificultó su implantación.

El Vesa Local Bus y el bus PCI.- En época más reciente dos buses de 32 bits, el Vesa Local Bus y el PCI (Peripheral Component Interconnect), compitieron durante un corto periodo de tiempo. Las escasas mejoras en cuanto a las prestaciones que se obtenían con la instalación del Vesa Local Bus acabaron favoreciendo el despegue del bus PCI, que se ha afianzado como estándar.

El bus AGP.- Es un bus dedicado a la conexión exclusiva de tarjetas gráficas (Accelerated Graphics Port, puerto de gráficos acelerado). Aquellas tarjetas gráficas que usan este bus dedicado esquivan la información que fluye por el bus PCI, al conectarse directamente el chipset y conseguir de esta forma un acceso más rápido, tanto a procesador como a la memoria RAM.



El Chipset

En la actualidad los ordenadores se estructuran internamente en función del microprocesador y del chipset. Éste último se encarga de enlazar y gestionar los distintos buses de datos que coexisten en la placa base. Normalmente está formado por dos chips de gran tamaño, que reciben los nombres de Puente norte y Puente sur, y cuya función es regular el flujo de datos entre los diferentes componentes conectados a la placa base (procesador, memoria RAM, tarjeta gráfica, disco duro, etc). Actualmente el chipset puede incluir también circuitos con funciones de sonido, de tarjeta gráfica, de red y de MODEM, si bien las prestaciones en cuanto al sonido y a los gráficos son muy inferiores a las que se consiguen con tarjetas específicas. Los PCs que cuentan con microprocesadores de la familia Pentium tiene un bus del sistema que conecta la RAM, el microprocesador y la memoria caché de segundo nivel a una frecuencia de 66, 100 o 133 MHz. Para que el bus del sistema pueda comunicarse con el resto de dispositivos del PC, el chipset le pone en contacto con los siguientes buses:

PCI (Peripheral Component Interconnect, conexión de componentes periféricos). Para conectar los periféricos al PC, el bus PCI incorpora a la placa base ranuras de expansión por las que los periféricos pueden contactar con el bus.

ISA (Industrial Standard Architecture, arquitectura estándar industrial). Para mantener la compatibilidad con las

tarjetas ISA los chipsets facilitan una pasarela de conexión entre el bus PCI y el ISA. Junto a las ranuras de expansión PCI suelen haber ranuras ISA, que permiten conectar periféricos que requieren una capacidad de transferencia muy pequeña, como la que demandan un módem interno o una tarjeta de sonido.

AGP (Accelerated Graphics Port, puerto de gráficos acelerado). Gracias al bus AGP, la tarjeta de vídeo pasa

de conectarse del bus PCI a estar conectada directamente al bus del sistema, acelerando enormemente los procesos gráficos que los ordenadores actuales utilizan en campo como el diseño en 3D o las tecnologías multimedia.

La memoria

Igual que existen distintos tipos de buses, también existen varias clases de memorias. Básicamente, en un ordenador podemos encontrar los siguientes tipos de memorias:



RAM (Random Access Memory, memoria de acceso aleatorio). El microprocesador puede almacenar y

recuperar datos en la memoria RAM de forma ágil y rápida, pero la información almacenada en la memoria RAM se pierde al desconectar la máquina.

ROM (Read Only Memory, memoria de sólo lectura). El microprocesador no puede almacenar información en este tipo de memoria, sólo puede leerla, pero, al contrario de los que sucede con la memoria RAM, su contenido no se pierde cuando se desconecta el ordenador. Gracias a esta característica cuando arrancando el ordenador, el microprocesador puede recuperar, desde ella, el programa que va a permitirle empezar a funcionar. Este programa de arranque forma parte del BIOS.

1.2.- ¿Cómo arranca el PC?

Desde que se pulsa el botón de encendido del ordenador hasta que el usuario puede empezar a trabajar, el PC se encarga de llevar a cabo un gran número de tareas. En primer lugar se activa el hardware para, una vez concluido este proceso, arrancar el sistema operativo (SO).

Al pulsar el botón de arranque del PC, la corriente eléctrica llega a al placa base, desde la caja de alimentación de la unidad central de proceso.

El microprocesador se activa al recibir la primera señal eléctrica; en este proceso borra y pone a cero todos sus registros y contadores para evitar que almacenen datos residuales de sesiones anteriores. Una vez terminada la fase de puesta en marcha, el microprocesador está ya listo para ejecutar el programa de

arranque que está almacenado de forma permanente en la memoria del BIOS, que contiene código dependiente del procesador que inicia el equipo sin importar el sistema que esté instalado.

Tras iniciar el programa de arranque que contiene el BIOS, el microprocesador lo interpreta ejecutando una serie de pruebas del sistema conocidas como POST (Power On Self Test, comprobación automática del encendido).

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Aspecto del chip que contiene el BIOS.

El microprocesador envía señales de arranque, a través del bus del sistema, para detectar la presencia y el correcto funcionamiento de los dispositivos conectados al PC. Los dispositivos plug & play (PnP) se activan y solicitan al procesador los recursos que necesitan para funcionar. Llegados a este punto del proceso de

arranque, la tarjeta de video se inicializa y permite que aparezcan en pantalla los primeros mensajes informativos.

Zócalos de expansión para dispositivos con la tarjeta

de video conectada.

El POST ejecuta una serie de pruebas con la memoria RAM que consisten en almacenar y recuperar los datos comprobando así su correcto funcionamiento.

Módulo de memoria en su emplazamiento en la placa

base, cerca del procesador.

Si el inicio falla antes o durante la POST, el equipo sufre un fallo de hard. Normalmente la BIOS muestra en pantalla un mensaje de error que indica la naturaleza del fallo. Suele además efectuar cierto número de 'beep' dependiendo del dispositivo que provoca el error, una lectura del manual de la placa madre nos dará dicha

información. Y toda la que podremos necesitar si hay que sustituir algún elemento, si es posible. .

Superadas todas las pruebas el programa de arranque almacenado en el BIOS, éste comprueba las unidades de almacenamiento disponibles para determinar la unidad de inicio, en la que encontrará el sector de arranque con el programa de puesta en marcha del SO, que cargará en memoria y ejecutará para poder cederle el

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control del PC.

Conectores para los dispositivos de almacenamiento

como el disco duro y la disquetera.

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