ARQUITECTURA DE LA COMPUTADORAS
A pesar de que las
tecnologías empleadas en las computadoras digitales han cambiado mucho desde
que aparecieron los primeros modelos en los años 40, la mayoría todavía utiliza la Arquitectura de von Neumann,
publicada a principios de los años 1940 por John von Neumann, que otros autores atribuyen a John Presper
Eckert y John William
Mauchly.
La arquitectura de
Von Neumann describe una computadora con 4 secciones principales: la unidad aritmético lógica (ALU por sus siglas
del inglés: Arithmetic Logic Unit), la unidad de control, la memoria
central, y los dispositivos de entrada y salida
(E/S). Estas partes están interconectadas por canales de
conductores denominados buses:
- La memoria es una secuencia de celdas de almacenamiento numeradas, donde cada una es un bit o unidad de información. La instrucción es la información necesaria para realizar lo que se desea con el computador. Las «celdas» contienen datos que se necesitan para llevar a cabo las instrucciones, con el computador. El número de celdas varían mucho de computador a computador, y las tecnologías empleadas para la memoria han cambiado bastante; van desde los relés electromecánicos, tubos llenos de mercurio en los que se formaban los pulsos acústicos, matrices de imanes permanentes, transistores individuales a circuitos integrados con millones de celdas en un solo chip. En general, la memoria puede ser reescrita varios millones de veces (memoria RAM); se parece más a una pizarra que a una lápida (memoria ROM) que sólo puede ser escrita una vez.
- El procesador (también llamado Unidad central de procesamiento o CPU) consta de manera básica de los siguientes elementos:
Un típico símbolo esquemático
para una ALU: A y B son operandos; R es la salida; F es la entrada de la unidad de
control; D es un estado de la salida.
·
La unidad aritmético lógica o
ALU es el dispositivo diseñado y construido para llevar a
cabo las operaciones elementales como las operaciones aritméticas (suma, resta, ...), operaciones lógicas (Y, O, NO), y operaciones de comparación o relacionales. En esta unidad es en donde se hace todo el trabajo
computacional.
·
La unidad de
control sigue la dirección de las
posiciones en memoria que contienen la instrucción que el computador va a
realizar en ese momento; recupera la información poniéndola en la ALU para la
operación que debe desarrollar. Transfiere luego el resultado a ubicaciones
apropiadas en la memoria. Una vez que ocurre lo anterior, la unidad de control
va a la siguiente instrucción (normalmente situada en la siguiente posición, a
menos que la instrucción sea una instrucción de salto, informando al ordenador
de que la próxima instrucción estará ubicada en otra posición de la memoria).
Los procesadores pueden constar de además de las
anteriormente citadas, de otras unidades adicionales como la unidad de Coma Flotante
- Los dispositivos de Entrada/Salida sirven a la computadora para obtener información del mundo exterior y/o comunicar los resultados generados por el computador al exterior. Hay una gama muy extensa de dispositivos E/S como teclados, monitores, unidades de disco flexible o cámaras web.
Computadora de Escritorio.
Periféricos
y dispositivos auxiliares
Monitor
El monitor o pantalla
de computadora, es un dispositivo de salida que, mediante una interfaz,
muestra los resultados, o los gráficos del procesamiento de una computadora.
Existen varios tipos de monitores: los de tubo de rayos
catódicos (o CRT), los de pantalla de
plasma (PDP), los de pantalla de cristal líquido (o
LCD), de paneles de diodos orgánicos de emisión de luz (OLED), o Láser-TV, entre otros.
Teclado
Un teclado de
computadora es un periférico, físico o virtual (por ejemplo teclados en pantalla o
teclados táctiles), utilizado para la introducción de órdenes y datos en una
computadora. Tiene su origen en los teletipos y las máquinas de
escribir eléctricas, que se utilizaron
como los teclados de los primeros ordenadores y dispositivos de almacenamiento
(grabadoras de cinta de papel y tarjetas perforadas). Aunque físicamente hay
una miríada de formas, se suelen clasificar principalmente por la distribución
de teclado de su zona alfanumérica, pues
salvo casos muy especiales es común a todos los dispositivos y fabricantes
(incluso para teclados árabes y japoneses).
Ratón
El mouse
(del inglés, pronunciado [ˈmaʊs]) o ratón es un periférico de computadora de uso manual, utilizado como entrada
o control de datos. Se utiliza con una de las dos manos del usuario y
detecta su movimiento relativo en dos dimensiones por la superficie horizontal en la que se apoya,
reflejándose habitualmente a través de un puntero o flecha en el monitor. Anteriormente, la información del desplazamiento era
transmitida gracias al movimiento de una bola debajo del ratón, la cual
accionaba dos rodillos que correspondían a los ejes X e Y. Hoy, el puntero
reacciona a los movimientos debido a un rayo de luz que se refleja entre el
ratón y la superficie en la que se encuentra. Cabe aclarar que un ratón óptico
apoyado en un espejo o sobre un barnizado por ejemplo es inutilizable, ya que
la luz láser no desempeña su función correcta. La superficie a apoyar el ratón
debe ser opaca, una superficie que no genere un reflejo, es recomendable el uso
de alfombrillas.
Impresora
Una impresora
es un periférico de computadora que permite producir una copia
permanente de textos o gráficos de documentos almacenados en formato
electrónico, imprimiendo en papel de lustre los datos en medios físicos,
normalmente en papel o transparencias, utilizando cartuchos de tinta o
tecnología láser.
Muchas impresoras son usadas como periféricos, y están permanentemente unidas a
la computadora por un cable. Otras impresoras, llamadas impresoras de red,
tienen una interfaz de red interna (típicamente wireless o Ethernet), y que
puede servir como un dispositivo para imprimir en papel algún documento para
cualquier usuario de la red. Hoy en día se comercializan impresoras
multifuncionales que aparte de sus funciones de impresora funcionan
simultáneamente como fotocopiadora y escáner, siendo éste tipo de impresoras
las más recurrentes en el mercado.
Escáner
En informática, un escáner (del idioma inglés: scanner) es un periférico que se utiliza para convertir, mediante el uso de la
luz, imágenes o cualquier otro impreso a formato digital. Actualmente vienen
unificadas con las impresoras formando multifunciones
Impresora
multifunción
Impresora multifuncional.
Una impresora
multifunción o dispositivo multifuncional es un periférico que se conecta a
la computadora y que posee las siguientes funciones dentro de un único bloque
físico: Impresora, escáner, fotocopiadora, ampliando o reduciendo el original, fax
(opcionalmente). Lector de memoria para la impresión directa de fotografías de cámaras
digitales Disco duro (las unidades más grandes utilizadas en oficinas)
para almacenar documentos e imágenes En ocasiones, aunque el fax no
esté incorporado, la impresora multifunción es capaz de controlarlo si se le
conecta a un puerto USB.
Almacenamiento
Secundario
El disco duro es un sistema de grabación magnética digital,
es donde en la mayoría de los casos reside el Sistema operativo de la computadora. En los discos duros se almacenan
los datos del usuario. En él encontramos dentro de la carcasa una serie de
platos metálicos apilados girando a gran velocidad. Sobre estos platos se
sitúan los cabezales encargados de leer o escribir los impulsos magnéticos.
Una unidad de
estado sólido es un sistema de
memoria no volátil. Están formados por varios chips de memoria NAND Flash en su interior
unidos a una controladora que gestiona todos los datos que se transfieren.
Tienen una gran tendencia a suceder definitivamente a los discos duros
mecánicos por su gran velocidad y tenacidad. Al no estar formadas por discos en
ninguna de sus maneras, no se pueden categorizar como tal, aunque erróneamente
se tienda a ello.
Altavoces
Los altavoces se utilizan para escuchar los sonidos emitidos por el
computador, tales como música, sonidos de errores, conferencias, etc.
- Altavoces de las placas base: Las placas base suelen llevar un dispositivo que emite pitidos para indicar posibles errores o procesos.
Otros
conceptos y curiosidades
En la actualidad se
puede tener la impresión de que los computadores están ejecutando varios
programas al mismo tiempo. Esto se conoce como multitarea, y es más común que se utilice el segundo término. En
realidad, la CPU ejecuta instrucciones de un programa y después tras un breve
periodo de tiempo, cambian a un segundo programa y ejecuta algunas de sus
instrucciones. Esto crea la ilusión de que se están ejecutando varios programas
simultáneamente, repartiendo el tiempo de la CPU entre los programas. Esto es
similar a la película que está formada por una sucesión rápida de fotogramas.
El sistema operativo es el programa que generalmente controla el reparto del
tiempo. El procesamiento simultáneo viene con computadoras de más de un CPU, lo
que da origen al multiprocesamiento.
El sistema
operativo es una especie de caja de
herramientas lleno de utilerías que sirve para decidir, por ejemplo, qué
programas se ejecutan, y cuándo, y qué fuentes (memoria o dispositivos E/S) se
utilizan. El sistema operativo tiene otras funciones que ofrecer a otros
programas, como los códigos que sirven a los programadores, escribir programas
para una máquina sin necesidad de conocer los detalles internos de todos los
dispositivos electrónicos conectados.
En la actualidad se
están empezando a incluir en las distribuciones donde se incluye el sistema
operativo, algunos programas muy usados, debido a que es ésta una manera
económica de distribuirlos. No es extraño que un sistema operativo incluya
navegadores de Internet, procesadores
de texto, programas de correo
electrónico, interfaces de red,
reproductores de películas y otros programas que antes se tenían que conseguir
e instalar separadamente.
Los primeros computadores
digitales, de gran tamaño y coste, se utilizaban principalmente para hacer
cálculos científicos. ENIAC, uno de los primeros
computadores, calculaba densidades de neutrón transversales para ver si
explotaría la bomba de hidrógeno. El CSIR Mk I, el primer ordenador
australiano, evaluó patrones de precipitaciones para un gran proyecto de
generación hidroeléctrica. Los primeros visionarios vaticinaron que la
programación permitiría jugar al ajedrez, ver películas y otros usos.
La gente que
trabajaba para los gobiernos y las grandes empresas también usó los
computadores para automatizar muchas de las tareas de recolección y
procesamiento de datos, que antes eran hechas por humanos; por ejemplo,
mantener y actualizar la contabilidad y los inventarios. En el mundo académico,
los científicos de todos los campos empezaron a utilizar los computadores para
hacer sus propios análisis. El descenso continuo de los precios de los
computadores permitió su uso por empresas cada vez más pequeñas. Las empresas,
las organizaciones y los gobiernos empezaron a emplear un gran número de pequeños
computadores para realizar tareas que antes eran hechas por computadores
centrales grandes y costosos. La reunión de varios pequeños computadores en un
solo lugar se llamaba torre de
servidores[cita requerida].
Con la invención del microprocesador en 1970, fue posible
fabricar computadores muy baratos. Nacen los computadores personales (PC), los que se hicieron famosos para llevar a cabo
diferentes tareas como guardar libros, escribir e imprimir documentos, calcular
probabilidades y otras tareas matemáticas repetitivas con hojas de cálculo, comunicarse mediante correo
electrónico e Internet. Sin embargo, la gran disponibilidad de computadores
y su fácil adaptación a las necesidades de cada persona, han hecho que se
utilicen para varios propósitos.
Al mismo tiempo, los
pequeños computadores son casi siempre con una programación fija, empezaron a
hacerse camino entre las aplicaciones del hogar, los coches, los aviones y la
maquinaria industrial. Estos procesadores integrados controlaban el
comportamiento de los aparatos más fácilmente, permitiendo el desarrollo de
funciones de control más complejas como los sistemas de freno antibloqueo en
los coches. A principios del siglo 21, la mayoría de los aparatos eléctricos,
casi todos los tipos de transporte eléctrico y la mayoría de las líneas de
producción de las fábricas funcionan con un computador. La mayoría de los
ingenieros piensa que esta tendencia va a continuar.
Actualmente, los
computadores personales son usados tanto para la investigación como para el
entretenimiento (videojuegos), pero los grandes computadores aún sirven para
cálculos matemáticos complejos y para otros usos de la ciencia, tecnología,
astronomía, medicina, etc.
Tal vez el más
interesante "descendiente" del cruce entre el concepto de la PC o
computadora personal y los llamados supercomputadores sea la Workstation
o estación de trabajo. Este término, originalmente utilizado para equipos y
máquinas de registro, grabación y tratamiento digital de sonido, y ahora
utilizado precisamente en referencia a estaciones de trabajo (traducido
literalmente del inglés), se usa para dar nombre a equipos que, debido sobre
todo a su utilidad dedicada especialmente a labores de cálculo científico,
eficiencia contra reloj y accesibilidad del usuario bajo programas y software
profesional y especial, permiten desempeñar trabajos de gran cantidad de
cálculos y "fuerza" operativa. Una Workstation es, en esencia, un
equipo orientado a trabajos personales, con capacidad elevada de cálculo y
rendimiento superior a los equipos PC convencionales, que aún tienen
componentes de elevado coste, debido a su diseño orientado en cuanto a la
elección y conjunción sinérgica de sus componentes. En estos casos, el software
es el fundamento del diseño del equipo, el que reclama, junto con las
exigencias del usuario, el diseño final de la Workstation.[cita requerida]
son las partes de las computadoras
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