TECNOLOGÍA - MICROTUTORIALES: ORDENADORES
ABSTRACT
En este microtutorial se intentan plantear los conceptos básicos de los ordenadores digitales modernos. Se define qué es un ordenador, las partes de que consta y cómo funciona, aclarando conceptos como el de microprocesador, memoria, señal de reloj, etc
TUTORIAL
Ordenadores

Definición
Sin buscar una definición académica, podemos decir que un ordenador es una máquina programable orientada al tratamiento y almacenamiento de información.

Los ordenadores modernos tratan únicamente información digital, aunque históricamente existieron ordenadores analógicos con escaso éxito y aplicación.

Características fundamentales
Una de las características fundamentales de los ordenadores es, precisamente, esa característica de ser programables.

Existen otras máquinas que almacenan y procesan información digital: por ejemplo, cámaras digitales, televisores digitales, reproductores/grabadores de DVD, etc. Algunas de estas máquinas u otras no digitales, también ofrecen una capacidad limitada de programación: se puede programar la hora de grabación de un vídeo, se puede seleccionar el programa de lavado en un lavavajillas o una lavadora, etc.

Sin embargo, los ejemplos anteriores utilizan la información digital en áreas especializadas y con una capacidad de programación muy limitada. Los ordenadores, por el contrario, manejan de manera intensiva información digital de todo tipo y con una capacidad de programación muy amplia.

Elementos de un ordenador
Los elementos constitutivos fundamentales de un ordenador son:
  • El microprocesador
  • La memoria
  • Los buses
  • Los puertos de entrada / salida
  • Los periféricos
El microprocesador y la CPU
El microprocesador es el corazón del ordenador. Es un chip complejo que se encarga del procesamiento de toda la información y de coordinar y controlar al resto de los elementos del ordenador.

La palabra CPU (Central Processing Unit) denomina al núcleo del ordenador. Se aplica a veces para denominar al microprocesador, otras veces para denominar la placa principal donde se encuentra el microprocesador y una serie de elementos auxiliares del mismo y, finalmente, a veces denomina a todo el cuerpo central del ordenador (excluyendo pantalla y teclado).

La memoria
La memoria es la parte del ordenador encargada del almacenamiento de información. Existen, en realidad, muchos tipos de memoria. Una primera clasificación es la siguiente:
  • Memoria de almacenamiento primario: Se trata de un tipo de memoria que se utiliza en la operación normal del ordenador. En general, no se precisan grandes cantidades de la misma pero si un acceso muy rápido. Dentro de esta, hay dos tipos fundamentales:

    • Memoria RAM: RAM significa ‘Random Access Memory’ (memoria de acceso aleatorio) pero, con independencia del nombre, cabe decir que es la memoria más rápida del ordenador y donde se almacenan los programas en ejecución, los datos en procesamiento, etc. Es una memoria NO permanente (por eso si apagamos el ordenador bruscamente se pierden los datos en ella contenidos).
    • Memoria ROM: La memoria ROM (Read-Only Memory) es un tipo de memoria, que se utiliza en pequeñas cantidades y lo que proporciona es un acceso rápido, pero permanente, a pequeños programas o pequeñas cantidades de datos. Es una memoria de sólo lectura (no se puede modificar), aunque esto no es estrictamente cierto. Lo que sí es verdad es que están orientadas a ser leídas, no escritas. En la memoria ROM se almacenan pequeños programitas internos del ordenador o datos como fecha/hora, información del sistema y cosas así.

  • Memoria de almacenamiento secundario: Memoria orientada a almacenamiento permanente de grandes cantidades de información. En este caso prima más la capacidad de almacenamiento que la velocidad de acceso. El caso paradigmático son los discos duros. Otro tipo de memorias secundarias son los disquetes, los CD-ROM, los Memory Sticks, etc
Cuando, hablando de ordenadores, decimos memoria sin detallar más (por ejemplo, en las especificaciones de un ordenador), nos estamos refiriendo a la memoria RAM.

Los buses
El ordenador tiene diversos elementos: microprocesador, memoria, puertos de entrada / salida. Estos elementos se tienen que enviar señales digitales para intercambiar información. Bien, los buses son los medios por los que viajan esas señales. De una forma simplificada, y no del todo exacta, podemos decir que son como ‘los cables’ internos.

Puertos de entrada / salida
El ordenador se comunica con otros ordenadores o equipos a los que envía o de los que recibe información en forma de señales digitales.

Las puntos externos del ordenador donde se conectan otros equipos son los puertos de entrada / salida.

La comunicación puede realizarse de dos maneras básicas:
  • En serie: Los bits van, por decirlo de una manera gráfico, en fila india, uno detrás de otro.
  • En paralelo: Los bits se envían a la vez en grupos.
Los puertos más utilizados son los de tipo serie. En concreto, hoy día, predominan los USB, que significa ‘Universal Serial Bus’ (bus serie universal). De todas formas, tienen mucho uso los puertos paralelos para comunicar con impresoras.

Los periféricos
Los periféricos son equipos auxiliares que se conectan al ordenador. La propia pantalla y teclado se consideran periféricos (hay ordenadores que no tienen que interactuar con personas y, por tanto, no tiene pantalla ni teclado). Otros equipos que se consideran periféricos son:
  • Impresoras
  • Escáneres
  • Discos externos
  • Módems
  • etc
El funcionamiento básico de un ordenador

Funcionamiento del microprocesador
El microprocesador funciona, en el fondo, de una manera muy sencilla. Suponemos ya cargado en memoria un programa. Pues bien, el microprocesador típicamente, hace lo siguiente:
  • Accede a la siguiente instrucción del programa
  • Carga en sus registros (pequeñísimas memorias internas del microprocesador) los datos de entrada necesarios
  • Realiza la operación que le indica la instrucción del programa.
  • Actualiza la información de los registros si es necesario
  • Si esa operación genera datos de salida, los escribe en memoria, bus o puerto que corresponda
  • Y vuelve a por la siguiente instrucción
La señal de reloj
Hemos dicho que los ordenadores modernos utilizan información digital.

Dicha información digital, es un tipo de información digital binaria, en que cada bit puede tomar sólo uno de dos valores, que se designan como 1 o 0 (ver microtutorial sobre tecnología digital para más detalles). Sin embargo, existe una problemática que se ilustra en la siguiente figura:

Una señal digital teórica, tiene un perfil como el que se indica en la zona alta de la figura: es decir, se trata de una señal cuadrada perfecta. La señal está en el valor alto (1) o bajo (0) y no hay más. La transición entre niveles se denomina flanco y, en el modelo teórico, los flancos son completamente verticales. Sin embargo, la realidad es menos perfecta que eso y las señales (de tipo eléctrico) son más bien como se indica en la parte inferior de la figura: la señal no es una señal cuadrada perfecta y los flancos no son verticales.

Para solventar ese problema es para lo que se introduce la señal de reloj. El reloj indica cuándo la señal ya tiene su valor esperado (es decir, da tiempo a que alcancemos el uno o el cero y no que estemos todavía en el flanco).

El reloj marca una cadencia o frecuencia en la cual las señales se consideran ya válidas y, por tanto, cuándo el microprocesador puede utilizarlas y hacer lo siguiente.

Precisamente porque el reloj marca una cadencia o frecuencia, se mide en unidades de frecuencia. La unidad de frecuencia es el Herzio (un ciclo por segundo). Los ordenadores actuales tienen frecuencias del orden de los Gigaherzios (es decir, miles de millones de ciclos por segundo).

Cuando en la especificación de un ordenador nos dicen que tiene un procesador X a Y GHz se están refiriendo ala frecuencia de la señal de reloj. Mientras más alta sea la frecuencia, más rápido está operando el microprocesador. Esto es una indicación (aunque no definitiva ni mucho menos) de lo rápido que será el ordenador

Funcionamiento global del ordenador
El ordenador en su conjunto funciona de manera similar a como se ha descrito para el microprocesador.

Básicamente, dispone de una serie de programas, normalmente almacenados en el disco duro. A la hora de ejecutarlos, éstos se cargan en memoria y el microprocesador va ejecutando las instrucciones del programa. En un programa normal una parte de las operaciones implicarán tomar entradas de datos externas (del teclado, el ratón, módem, un escáner, etc) y generar salidas: en pantalla, a impresora, módem, etc. Además, pueden implicar lecturas/escrituras a disco duro.

Sólo una indicación más. Los microprocesadores actuales (en muchos casos asistidos por el sistema operativo), son capaces de ejecutar en paralelo varios programas, ya sea en un multiproceso puro (el microprocesador lo permite o el ordenador tiene varios microprocesadores) o simulado (lo gestiona el sistema operativo pero el ordenador tiene un único microprocesador que no permite multiproceso real).

Conclusiones
En resumen, los ordenadores son máquinas que almacenan y procesas información, que se trata internamente como información digital binaria.

El microprocesador es el corazón del ordenador, que procesa los programas al ritmo que le marca el reloj. Para almacenar transitoriamente información se utiliza la memoria RAM y para almacenamiento masivo y permanente la memoria secundaria, típicamente el disco duro.

Los ordenadores disponen además de puertos de entrada / salida a los que se conectan diversos periféricos como pantalla, teclado o impresoras.

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