Arquitectura de las Computadoras (página 2)

Unidad Central del Sistema:

La Unidad Central del Sistema (System Unit en inglés) es el centro de operaciones de cualquier computadora existente en el mercado actual. En la unidad central del sistema se alojan los componentes y circuitería que van a realizar las tareas fundamentales de la computadora.

Al abrir la unidad central del sistema de una computadora se pueden apreciar una serie de componentes:

– Placa principal.

– Microprocesador central o unidad central de proceso (CPU).

– Bus.

– Memoria principal.

– Otros componentes controladores.

– Fuente de alimentación eléctrica.

A continuación se estudiará detenidamente cada uno de ellos.

1. Placa Principal.

Es una placa con un circuito impreso donde se conectan los elementos básicos de la computadora: el microprocesador, el bus y toda o parte de la memoria principal.

En algunos lugares también aparece denominada como placa base o placa madre.

2. Microprocesador Central o Unidad Central de Proceso (CPU).

Es el elemento fundamental de la computadora. El microprocesador va a ocuparse de la ejecución de las órdenes de comandos, los cálculos matemáticos solicitados por las referidas órdenes, el manejo de los datos asociados a los cálculos. Otra función importante del microprocesador va a ser el control de los componentes del sistema informático conectados a él y que le dan apoyo y le permiten realizar todas las operaciones que le son solicitadas por los diferentes programas de aplicación.

El microprocesador se va a ocupar también de controlar y gestionar el tráfico de datos entre la unidad central del sistema y los periféricos optimizando los procesos a realizar por la computadora.

3. Bus.

El bus, quizá fuera mejor decir los buses ya que existen varios con diversas funciones, es un circuito que conecta el procesador central con todo el resto de componentes de la computadora.

El bus sirve para que le llegue al procesador la información y las solicitudes de trabajo, desde el exterior, y envíe hacia afuera los resultados del trabajo realizado.

4. Memoria Principal.

Es la zona de trabajo donde la computadora va a almacenar temporalmente las órdenes a ejecutar y los datos que deberán manipular esas órdenes.

Cuanto mayor sea la cantidad de memoria existente en el sistema informático, mayores serán las posibilidades de trabajo de la computadora, ya que ésta podrá manipular una cantidad superior de datos al mismo tiempo (siempre que el sistema operativo lo permita).

5. Componentes de Control.

Son elementos que sirven como apoyo al funcionamiento del microprocesador central.

Fundamentalmente, son componentes especializados en realizar determinadas operaciones, descargando al microprocesador central de estas actividades y permitiéndole obtener una mayor rapidez y efectividad en el manejo del conjunto del sistema informático.

Los controladores más importantes son el controlador de interrupciones, el generador de reloj y el controlador de acceso directo a memoria.

Las placas de expansión interna más importantes son las de control del subsistema de vídeo, que manejarán las señales que envía la CPU a la pantalla del sistema informático y las del controlador de los discos de la computadora que controlará el flujo de datos entre la memoria principal y el subsistema de almacenamiento.

Estos componentes serán estudiados en el apartado concreto de sus tareas dentro del sistema informático.

6. Fuente de Alimentación Eléctrica.

Las fuentes de alimentación proporcionan la energía eléctrica que necesita por la computadora para funcionar. Esa energía se estabiliza para impedir que la computadora se vea afectada por oscilaciones bruscas en el suministro de las compañías eléctricas.

La fuente de alimentación transforma la corriente alterna de 220 voltios de la red ciudadana en corriente continua y de menor voltaje, que es la que necesitan los diferentes componentes de la computadora.

Los voltajes que proporciona la fuente de alimentación son de 12 y 5 voltios. El primero se utiliza para poner en funcionamiento los componentes mecánicos de la computadora (discos, diskettes, etc.). El segundo se utiliza en los componentes electrónicos (el microprocesador, la memoria, el reloj, etc.).

En caso de que se abra la unidad central del sistema de la computadora es muy importante no manipular la fuente de alimentación; hay que tener en cuenta que, si el sistema informático está enchufado y encendido, la fuente de alimentación es potencialmente peligrosa. Si se está intentando realizar alguna operación dentro de la caja de la unidad, deben manipularse cuidadosamente los cables que entran y salen de la caja de la fuente de alimentación y bajo ningún concepto intentar abrirla.

Unidad Central de Proceso:

La Unidad Central de Proceso es el lugar donde se realizan las operaciones de cálculo y control de los componentes que forman la totalidad del conjunto del sistema informático.

Las CPU de las actuales computadoras son microprocesadores construidos sobre un cristal de silicio semiconductor donde se crean todos los elementos que forman un circuito electrónico (transistores, etc.) y las conexiones necesarias para formarlo.

El microcircuito se encapsula en una pastilla de plástico con una serie de conexiones hacia el exterior, en forma de patillas metálicas, que forman su nexo de unión al resto del sistema informático. Estas pastillas de plástico, con una multitud de patillas de conexión metálicas, reciben el nombre de chips.

El microprocesador central de una computadora se divide en:

• Unidad de Control (Control Unit o CU en inglés).

• Unidad Aritmético-Lógica (Aritmethic Control Unit o ALU en inglés).

• Registros.

La Unidad de Control maneja y coordina todas las operaciones del sistema informático, dando prioridades y solicitando los servicios de los diferentes componentes para dar soporte a la unidad aritmético-lógica en sus operaciones elementales.

La Unidad Aritmético-Lógica realiza los diferentes cálculos matemáticos y lógicos que van a ser necesarios para la operatividad de la computadora; debe recordarse que todo el funcionamiento del sistema de una computadora se realiza sobre la base de una serie de operaciones matemáticas en código binario.

Los Registros son una pequeña memoria interna existente en la CPU que permiten a la ALU el manejo de las instrucciones y los datos precisos para realizar las diferentes operaciones elementales.

De la misma forma que la placa principal tiene un bus para conectar la CPU con los diferentes dispositivos del sistema informático, la unidad de control tiene un bus interno para conectar sus componentesName=g12; HotwordStyle=BookDefault; .

Unidad de Control (CU):

Es la parte de la unidad central de proceso que actúa como coordinadora de todas las tareas que ha de realizar la computadora. Asimismo, se encarga de manejar todas las órdenes que la computadora necesita para realizar la ejecución de las operaciones requeridas por los programas de aplicación.

Sus funciones Básicas son:

1. Manejar todas las operaciones de acceso, lectura y escritura a cada una de las posiciones de la memoria principal donde se almacenan las instrucciones necesarias para realizar un proceso.

2. Interpretar la instrucción en proceso.

3. Realizar las tareas que se indican en la instrucción.

Esta unidad también se ocupa de controlar y coordinar a las unidades implicadas en las operaciones anteriormente mencionadas, de manera que se eviten problemas internos que se puedan producir entre los componentes de la computadora.

La unidad de control, finalmente, comunica entre sí y dirige las entradas y salidas desde y hasta los periféricos, dando el oportuno tratamiento a la información en proceso.

Para realizar su cometido, la unidad de control necesita manejar la siguiente información:

• El registro de estado.

• El registro puntero de instrucciones.

• La instrucción a ejecutar.

• Las señales de entrada/salida.

La salida que proporcionará la unidad de control será el conjunto de órdenes elementales que servirán para ejecutar la orden solicitada.

Los pasos en que se divide este proceso son:

1. Extraer de la memoria principal la instrucción a ejecutar.

2. Tras reconocer la instrucción, la unidad de control establece la configuración de las puertas lógicas (las interconexiones de los diferentes componentes del circuito lógico) que se van a ver involucradas en la operación de cálculo solicitada por la instrucción, estableciendo el circuito que va a resolverla.

3. Busca y extrae de la memoria principal los datos necesarios para ejecutar la instrucción indicada en el paso número 1.

4. Ordena a la unidad involucrada en la resolución de la instrucción en proceso que realice las oportunas operaciones elementales.

5. Si la operación elemental realizada ha proporcionado nuevos datos, éstos se almacenan en la memoria principal.

6. Se incrementa el contenido del registro puntero de instrucciones.

Unidad Aritmética y Lógica (ALU):

Su misión es realizar las operaciones con los datos que recibe, siguiendo las indicaciones dadas por la unidad de control.

El nombre de unidad aritmética y lógica se debe a que puede realizar operaciones tanto aritméticas como lógicas con los datos transferidos por la unidad de control.

La unidad de control maneja las instrucciones y la aritmética y lógica procesa los datos.

Para que la unidad de control sepa si la información que recibe es una instrucción o dato, es obligatorio que la primera palabra que reciba sea una instrucción, indicando la naturaleza del resto de la información a tratar.

Para que la unidad aritmética y lógica sea capaz de realizar una operación aritmética, se le deben proporcionar, de alguna manera, los siguientes datos:

1. El código que indique la operación a efectuar.

2. La dirección de la celda donde está almacenado el primer sumando.

3. La dirección del segundo sumando implicado en la operación.

4. La dirección de la celda de memoria donde se almacenará el resultado.

Registros:

Los Registros son un medio de ayuda a las operaciones realizadas por la unidad de control y la unidad aritmética y lógica. Permiten almacenar información, temporalmente, para facilitar la manipulación de los datos por parte de la CPU.

Realizando una similitud con el resto del sistema informático, los registros son a la CPU como la memoria principal es a la computadora.

Los registros se dividen en tres grupos principales:

• Registros de Propósito General.

• Registros de Segmento de Memoria.

• Registros de Instrucciones.

Seguidamente se presenta una relación completa de los tres grupos de registros que contiene un microprocesador típico como puede ser el Intel 80386:

Registros de Propósito General:

(AX) Registro de Datos

(DX) Registro de Datos

(CX) Registro de Datos

(BX) Registro de Datos

(BP) Registro Puntero Base

(SI) Registro Índice Fuente

(DI) Registro Índice Destino

(SP) Registro Puntero de la Pila

Registros de Segmento de Memoria:

(CS) Registro Segmento de Código

(SS) Registro Segmento de la Pila

(DS) Registro Segmento de Datos

(ES) Registro Segmento de Datos Extra

(DS) Registro Segmento de Datos Extra

(ES) Registro Segmento de Datos Extra

Registros de Instrucciones

(FL) Registro de «Flags» o también denominado registro de estado

(IP) Registro Puntero de Instrucción o también denominado registro Contador de Programa (PC)

De esta relación de registros los cuatro más importantes son:

• El Registro Puntero de Instrucciones.

El registro puntero de instrucciones o contador de programa indica el flujo de las instrucciones del proceso en realización, apuntando a la dirección de memoria en que se encuentra la instrucción a ejecutar.

Dado que las instrucciones de un programa se ejecutan de forma secuencial, el procesador incrementará en una unidad este registro cada vez que ejecute una instrucción, para que apunte a la siguiente.

La información que almacena este registro se puede modificar cuando una interrupción externa, o la propia ejecución del proceso en curso, provoque una alteración en la secuencia de operaciones. Esta alteración transferirá el control del sistema informático a otro proceso diferente al que está en ejecución.

• El Registro Acumulador.

Es el Registro donde se almacenan los resultados obtenidos en las operaciones realizadas por la unidad aritmética y lógica.

Su importancia radica en las características de la información que almacena, ya que con su contenido se realizan todas las operaciones de cálculo que ha de ejecutar la unidad aritmética y lógica.

• El registro de Estado.

El Registro de Estado o registro de «flags» no es un solo registro propiamente dicho, ya que se compone de varios registros de menor tamaño; este tamaño puede ser incluso de un solo bit.

El registro de estado se utiliza para indicar cambios de estados y condiciones en los otros registros existentes en el sistema informático. Estos cambios en la situación de los demás registros se producen debido a las modificaciones del entorno a lo largo de la ejecución de los procesos realizados por el sistema informático.

• El Registro Puntero de la Pila.

Este Registro almacena la dirección de la zona de la memoria donde está situada la parte superior de la pila.

La Pila es una zona de los registros de segmento de memoria que la unidad aritmética y lógica utiliza para almacenar temporalmente los datos que está manipulando. Cuando la cantidad de datos a manejar es demasiado grande u otras necesidades del proceso impiden que estos datos puedan almacenarse en los registros creados para ello se envían a la pila, donde se almacenan hasta que la unidad de control recupera la información para que la procese la unidad aritmética y lógica.

La ventaja de manejar una pila como almacén de información es que la información que se guarda en ella tiene que entrar y salir, obligatoriamente, por una sola dirección de memoria. Esto permite que la unidad de control no necesite conocer más que esa dirección para poder manejar los datos almacenados en la pila.

Memoria Principal

La Memoria Principal es la zona de la unidad central de sistema que almacena la información, en forma de programas y datos, que se va a procesar seguidamente o va a servir de apoyo a las diferentes operaciones que se van a efectuar por la computadora.

La posibilidad del proceso inmediato de la información que almacena la memoria principal es su característica fundamental, ya que, mientras que los datos existentes en la memoria principal pueden ser procesados de inmediato por la unidad central de proceso, la información contenida en la memoria auxiliar (discos, cintas, etc.) no puede ser procesada directamente por la unidad central de proceso.

La memoria principal está conectada directamente a los buses, que son su medio de comunicación con la unidad central de proceso del sistema informático. La cantidad de memoria existente en una computadora se verá limitada por la capacidad de direccionamiento del bus; esto forma el Mapa de Memoria.

La memoria principal está compuesta lógicamente por una serie de celdas de bits que permiten almacenar en cada una de ellas un bit de información en código binario (0, 1) que será parte de un dato o una instrucción.

Para poder identificar cada una de las celdas de la memoria, éstas se numeran; a este número se le llama dirección y es el medio a través del cual la unidad de control puede manejar la información.

Las direcciones de la memoria se localizan a través del mapa de memoria. La dirección de cada celda de la memoria se establece por una matriz en la que los parámetros son el número total de direcciones y la longitud de palabra que maneja el sistema informático. Esto supone una limitación, ya que la computadora sólo puede manejar un número limitado de bits de dirección en sus operaciones de direccionamiento.

La Palabra representa la cantidad de bits de información manejada en paralelo por la computadora. Tamaños típicos de palabras son 8 bits, 16 bits, 32 bits, etc.

Una vez localizada la dirección de la celda de memoria se podrán realizar dos operaciones: leer la información existente en ella o bien escribir nueva información para poder ser almacenada y posteriormente procesada.

Para poder determinar si el sistema informático va a leer o escribir se utiliza el registro de datos. El registro de datos es un bit que, según el valor de la información que contenga (0,1) indica a la unidad de control si se va a leer o escribir en el acceso a la memoria que se esté realizando en ese momento. En ambos casos, esta operación se realiza a través del bus de datos.

Cuando la unidad de control lee de la celda de memoria, necesita que se le proporcione una dirección a la cual ir a leer. La información existente en la celda no se destruye.

Cuando la unidad de control escribe en la celda de memoria, debe recibir dos informaciones: la dirección de la memoria donde escribir y la información que se debe escribir propiamente dicha. La información existente en la celda de memoria previamente se destruye, ya que lo que había escrito se sustituye por una nueva información.

La memoria principal se divide fundamentalmente en dos partes: Volátil y No Volátil.

La Memoria Volátil pierde la información almacenada en su interior si el sistema informático que la soporta es apagado. Esta parte de la memoria principal se conoce como RAM (Memoria de Acceso Aleatorio o Random Access Memory).

La parte de la Memoria principal que No es Volátil es la ROM (Memoria de Sólo Lectura o Read Only Memory). Esta memoria es de sólo lectura y la computadora no puede escribir sobre ella. Su función principal es el arranque del sistema informático.

Las Memorias Volátiles pueden ser estáticas, también llamadas RAM (Memorias de Acceso Aleatorio o Random Access Memory), o dinámicas, denominadas en este caso DRAM (Memorias Dinámicas de Acceso Aleatorio o Dinamic Random Access Memory). Más adelante se verán más detenidamente.

Las Memorias No Volátiles se dividen en memorias de Sólo Lectura (ROM) y en otras que permiten la Manipulación de la Información que contienen por diversos medios especiales que se verán más adelante.

Existen dos modos distintos de Acceso a la Memoria:

• Acceso por Palabras.

• Acceso por Bloques.

1. Acceso por Palabras.

También se le denomina acceso aleatorio. La operación de acceso se realiza sobre una sola palabra de información. Recuérdese que palabra es la cantidad de bits que maneja el sistema informático al mismo tiempo.

Este tipo de acceso únicamente se utiliza con memorias estáticas (RAM) ya que el tiempo de acceso empleado es siempre el mismo.

2. Acceso por Bloques.

Es el modo de acceso utilizado en las memorias dinámicas. Consiste en empaquetar en un bloque un conjunto de datos al que se añade una cabecera para identificarlo. El acceso se realizará a la cabecera del bloque y una vez en ella se accederá a la información que contiene.

El acceso en las memorias dinámicas se realiza por bloques, debido a que tardan más tiempo que las estáticas en acceder a una zona de la memoria. La ventaja es que una vez que acceden a la zona donde se sitúa el bloque son muy rápidas en acceder a la información existente.

Generalmente, la memoria que posee una computadora recién adquirida no es la máxima que el bus puede direccionar, por lo que la memoria principal puede ampliarse incrementando el número de unidades de memoria conectadas. Conviene recordar que las placas de memoria son un factor fundamental en el costo total de adquisición del sistema informático.

Debe tenerse en cuenta que si la cantidad de memoria principal del sistema informático no es muy grande el procesador se verá restringido en su potencia por la limitada capacidad de manipulación y acceso a los datos.

Las Tecnologías para fabricar memorias se caracterizan por:

• Coste.

• Tiempo de acceso.

• Capacidad de almacenamiento.

La Optimización se consigue con una gran capacidad de almacenamiento, un tiempo de acceso muy corto y un costo pequeño.

Las memorias se dividen físicamente en:

1. Soporte de Almacenamiento de la Información.

Generalmente son de naturaleza magnética. Está compuesto por pequeños dipolos que pueden tomar dos estados en los que la información toma un valor en cada uno de ellos. Cada estado se obtiene por medio de la aplicación de una señal eléctrica exterior generada por el elemento de lectura y escritura.

2. Elemento de Escritura y Lectura.

Este dispositivo introducirá y obtendrá la información de la memoria.

Para Escribir el dispositivo produce una corriente eléctrica local que provoca un cambio estable en el campo magnético de la celda de memoria.

Para Leer el dispositivo determinará el campo magnético de la celda de memoria y sabrá cual es el valor existente.

3. Mecanismo de Direccionamiento.

Pueden ser de dos tipos dependiendo de que las memorias sean estáticas o dinámicas.

En las Memorias Estáticas el direccionamiento es un cableado directo a la celda de memoria.

En las Memorias Dinámicas se utiliza una información de control almacenada con los datos que configuran el circuito para direccionar la lectura o escritura al lugar donde se almacena la información.

La memoria se divide en varias capas o niveles con una estructura cuya forma puede recordarnos a una estructura piramidal.

El vértice de la pirámide sería una pequeña cantidad de memoria, los registros, que se caracterizan por una capacidad de almacenamiento de información muy pequeña, pero que poseen la ventaja de tener un tiempo de acceso muy reducido, inferior a los 10 nanosegundos.

La base de nuestra hipotética pirámide es la memoria principal, donde existe una mayor cantidad de espacio (puede llegar hasta 1 gigabyte, esto es, mil millones de bytes), pero que tiene la desventaja de que el tiempo de acceso es muy superior, lo que la convierte en mucho más lenta que los registros.

Entre ambas se situaría una zona de memoria que se llama memoria caché. La memoria caché es una zona especial de memoria que sirve para optimizar los tiempos de acceso a la memoria RAM por métodos estadísticos.

Memoria de Acceso Aleatorio (RAM):

Las Memorias de Acceso Aleatorio (RAM: Random Access Memory) son memorias construidas sobre semiconductores donde la información se almacena en celdas de memoria que pueden adquirir uno cualquiera de los dos valores del código binario.

Las memorias de acceso aleatorio son memorias en la que se puede leer y escribir información. Permite el acceso a cualquier información que contenga con la misma velocidad. Esto significa que se puede acceder aleatoriamente a cualquier información almacenada sin que se afecte la eficiencia del acceso. Contrasta con las memorias secuenciales, por ejemplo una cinta magnética, donde la facilidad de acceso a una información depende del lugar de la cinta donde esté almacenada.

Las tecnologías de memorias RAM se basan en Celdas de Memoria. La memoria RAM es volátil, esto es, cuando se corta la alimentación eléctrica se pierde toda la información que estuviera almacenada en este tipo de memoria. La comunicación de la RAM con la CPU se realiza a través del Bus de Direcciones y el Bus de Datos.

La memoria RAM se utiliza tanto para almacenar temporalmente programas y datos como para guardar los resultados intermedios que se están manipulando durante un proceso.

Una celda de memoria concreta de la RAM se puede referenciar con una dirección de Segmento de Memoria y un valor determinado dentro de ese segmento llamado «desplazamiento».

La RAM está dividida en segmentos de memoria para facilitar su manejo por la unidad de control. Los segmentos de memoria tienen un tamaño múltiplo de 16, de 0 a F en Hexadecimal. El rango total varía desde 0000 hasta un valor Hexadecimal que depende de la cantidad de semiconductores de memoria RAM con la que se haya configurado el sistema de la computadora.

Los segmentos de memoria se agrupan en diferentes Áreas de Trabajo que permiten delimitar las diversas funciones que se realizan en la memoria.

Las áreas de la memoria son:

• Memoria Convencional.

• Memoria Extendida.

La Memoria Convencional viene delimitada por la capacidad de direccionamiento de memoria de la CPU de la computadora y la capacidad de manejo de memoria que sea capaz de realizar el sistema operativo que gestiona el sistema informático.

Se puede ver un ejemplo en el microprocesador Intel 8088 que constituía la CPU de los primeros Personal Computer de IBM; este microprocesador era capaz de direccionar un máximo de 1 megabyte de memoria, por ello, las primeras versiones del sistema operativo que lo gestionaba no necesitaban manejar más de 640 kilobytes para poder realizar su trabajo.

En la actualidad, las unidades centrales de proceso, como el microprocesador 80486, pueden llegar a manejar hasta 4 gigabytes de memoria, por lo que los sistemas operativos como OS/2 o WINDOWS han previsto esta posibilidad, pudiendo manejar esa cantidad de memoria.

La Memoria Convencional se Divide en:

• Memoria Baja.

• Memoria Alta.

La Memoria Baja es el área de memoria del sistema. Ocupa las primeras direcciones de la memoria convencional y está ocupada por las tablas de los vectores de las interrupciones, las rutinas de la ROM-BIOS y la parte residente del sistema operativo.

La Memoria Alta, también se denomina área de memoria del usuario, es la zona en la que se sitúan los códigos de los programas ejecutables y los datos que éstos manejan en las diferentes aplicaciones que la computadora ejecuta.

Puede ocurrir que la memoria convencional, es decir, la memoria que existe en la configuración de la computadora no sea suficiente para poder realizar ciertas operaciones en ese sistema informático; para poder solventar ese problema se utiliza la memoria extendida.

La Memoria Extendida se utiliza en computadoras que poseen una CPU que puede direccionar una gran cantidad de memoria, más de 1 megabyte, asociada a sistemas operativos que permiten gestionarla correctamente, es decir, los sistemas operativos multitareas o multiusuarios como UNIX, WINDOWS, sistemas operativos LAN, etc.

Estos sistemas operativos permiten instalar el código de los programas de aplicaciones y los datos que éstos manejan fuera del área de la memoria convencional denominada área de memoria del usuario, pudiendo, por tanto, realizar más de un proceso al mismo tiempo o permitiendo trabajar a varios usuarios a la vez en la misma computadora, como en una red de área local.

Sin embargo, puede ocurrir que la memoria extendida no tenga el tamaño suficiente para que todos los procesos o todos los usuarios puedan realizar sus tareas al mismo tiempo; una solución que se utiliza para resolver este problema es una simulación de la memoria de trabajo llamada Memoria Virtual.

Esta memoria virtual consiste en que cuando el sistema informático intenta utilizar más memoria de trabajo que la que realmente existe, el gestor de la memoria salva una parte de la información que existe en la memoria, en el disco duro del sistema informático.

La parte de la memoria salvada en el disco se llama página; esta página de memoria almacenada queda disponible en la memoria de trabajo para ser utilizada por el sistema informático. Cuando la computadora necesite utilizar la información almacenada en la página guardada en el disco del sistema informático volverá a repetir el proceso salvando otra página de memoria en el disco y recuperando la que estaba almacenada en él.

La Memoria Virtual tiene Ventajas e Inconvenientes.

Entre las Ventajas merece la pena destacar que nos permite utilizar una gran cantidad de software, al mismo tiempo dentro del sistema informático, que de otra forma no se podría utilizar al no tener suficiente memoria y que nos permite utilizar mejor los recursos del sistema informático.

El principal Inconveniente que conlleva la memoria virtual es que si existe una excesiva cantidad de páginas se ralentiza considerablemente la velocidad de proceso del sistema informático al tener que acceder constantemente al disco, pudiendo, por ello, causar colapsos en los diferentes procesos.

Un tipo diferente de ampliación de la memoria de trabajo es la denominada Memoria Expandida. Este tipo de memoria utiliza una serie de bancos de memoria en forma de circuitos integrados que se añaden a la circuitería básica de la computadora.

El estándar de memoria expandida lo instituyeron Lotus, Intel y Microsoft, por lo que en algunos lugares puede aparecer como memoria LIM.

La memoria expandida utilizaba una zona de la memoria convencional para crear un mapa de la cantidad de memoria expandida que se añade al sistema informático. El mapa permitirá que, cuando un programa de aplicación lo solicite, el gestor de la memoria expandida distribuya por las diferentes páginas en que se dividen los bancos de memoria los datos que la aplicación no puede manejar en la memoria convencional.

Como los tipos de memorias vistos anteriormente, la Memoria Expandida tiene también ventajas e inconvenientes.

La principal Ventaja es que al no realizar accesos al disco del sistema informático es mucho más rápida que la memoria virtual, pero el Inconveniente con que se encuentra la memoria expandida es que como los que tienen que solicitar su utilización son los propios programas de aplicación, en este tipo de memorias sólo se pueden almacenar datos, debiéndose colocar el código de los programas de aplicación en la memoria convencional.

Existen dos tipos de memorias RAM:

• RAM Estáticas.

Son memorias RAM convencionales que mantienen la información almacenada en ellas permanentemente, mientras se mantenga la alimentación eléctrica.

• RAM Dinámicas (DRAM).

La diferencia fundamental entre este tipo de memorias y las memorias RAM estáticas es que debido a que la celda de memoria donde almacenan la información tiende a descargarse, por tanto a perder la información almacenada en ella, se ha de producir un «refresco», esto es, una regrabación de la información almacenada cada pocos milisegundos para que no se pierdan los datos almacenados.

La ventaja con respecto a las memorias RAM convencionales es su bajo costo para tamaños de memorias medios y grandes.

Un tipo específico de memorias DRAM son las VRAM (Vídeo RAM). Este tipo de memorias está diseñadas específicamentepara almacenar los datos de vídeo de los sistemas informáticos. Estas memorias son especialmente útiles para manejar subsistemas de vídeo, ya que su necesidad de refresco constante permite un manejo más sencillo de las cambiantes señales de vídeo.

Memoria ROM:

La ROM (Read Only Memory) es una «Memoria Sólo de Lectura». En ella sólo se puede leer la información que contiene, no es posible modificarla. En este tipo de memoria se acostumbra a guardar las instrucciones de arranque y el funcionamiento coordinado de la computadora.

Físicamente, las memorias ROM son cápsulas de cristales de silicio. La información que contienen se graba de una forma especial por sus fabricantes o empresas muy especializadas.

Las memorias de este tipo, al contrario que las RAM, no son volátiles, pero se pueden deteriorar a causa de campos magnéticos demasiado potentes.

La comunicación con el procesador se realiza, al igual que en las memorias RAM, a través de los buses de direcciones y datos.

Al existir sólo la posibilidad de lectura, la señal de control, que en la RAM se utilizaba para indicar si se iba a leer o escribir, sólo va a intervenir para autorizar la utilización de la memoria ROM.

Además de las ROM, en las que sólo puede grabar información el fabricante de la memoria, existen otros tipos de memorias no volátiles que se pueden modificar de diversas formas y son de una flexibilidad y potencia de uso mayor que las simples ROM. La utilización de este tipo de memorias permite a los usuarios configurar computadoras dedicadas a tareas concretas, modificando simplemente la programación de los bancos de memoria del sistema informático. Estas memorias son:

• PROM (Programable Read Only Memory o Memoria Programable Sólo de Lectura).

Las memorias PROM son memorias sólo de lectura que, a diferencia de las ROM, no vienen programadas desde la fábrica donde se construyen, sino que es el propio usuario el que graba, permanentemente, con medios especiales la información que más le interesa.

• EPROM (Erasable-Programable Read Only Memory o Memoria Borrable y Programable Sólo de Lectura).

Las EPROM tienen la ventaja, con respecto a las otras memorias ROM, de que pueden ser reutilizables ya que, aunque la información que se almacena en ellas permanece permanentemente grabada, ésta se puede borrar y volver a grabar mediante procesos especiales, como puede ser el mantenerlas durante treinta minutos bajo una fuente de rayos ultravioletas para borrarlas.

• EEPROM (Electrically Erasable-Programable Read Only Memory o Memoria Borrable y Programable Eléctricamente Sólo de Lectura).

Las EEPROM aumentan, más si cabe, su ventaja con respecto a los anteriores tipos de memorias, ya que la información que se almacena en ellas se puede manipular con energía eléctrica y no es necesaria la utilización de rayos ultravioletas.

Memoria Caché:

La Memoria Caché es una zona especial de la memoria principal que se construye con una tecnología de acceso mucho más rápida que la memoria RAM convencional. La velocidad de la caché con respecto a la memoria RAM convencional es del orden de 5 a 10 veces superior.

A medida que los microprocesadores fueron haciéndose más y más rápidos comenzó a producirse una disfunción con la velocidad de acceso a la memoria de trabajo que se conectaba a ellos en el sistema informático.

Cada vez que el microprocesador del sistema informático accede a la memoria RAM para leer o escribir información tiene que esperar hasta que la memoria RAM está lista para recibir o enviar los datos. Para realizar estas operaciones de lectura y escritura más rápidamente se utiliza un subsistema de memoria intermedia entre el microprocesador y la memoria RAM convencional que es la denominada memoria caché.

El funcionamiento de la memoria caché se basa en que al cargar una información en la memoria principal (sean instrucciones o datos) ésta se carga en zonas adyacentes de la memoria. El controlador especial situado dentro del subsistema de la memoria caché será el que determine dinámicamente qué posiciones de la memoria RAM convencional pueden ser utilizadas con más frecuencia por la aplicación que está ejecutándose en ese momento y traslada la información almacenada en ellas a la memoria caché.

La siguiente vez que el microprocesador necesite acceder a la memoria RAM convencional existirá una gran probabilidad de que la información que necesita encontrar se encuentre en las direcciones de memoria adyacentes a las ya utilizadas. Como estas direcciones de memorias adyacentes ya se encuentran almacenadas en la memoria caché, el tiempo de acceso a la información disminuye en gran medida.

La utilización de algoritmos estadísticos de acceso a los datos permiten una gestión mucho más racional del manejo de la memoria RAM convencional, disminuyendo los tiempos de acceso a la memoria convencional y acercando ese tiempo de acceso al de la propia caché.

La memoria caché carga en su área de memoria propia el segmento de la memoria principal contiguo al que se está procesando. Debido a que, estadísticamente, existe una gran probabilidad de que la siguiente área de memoria que necesite la aplicación que está corriendo en ese momento sea la que se encuentra en el área de la caché, se optimiza el tiempo de acceso a la memoria, ya que debe recordarse que el acceso a la memoria caché es mucho más rápido que el acceso a la memoria RAM convencional.

El tamaño de las memorias caché más habituales oscila entre los 8 y los 64 kbytes.

Buses:

El Bus es la vía a través de la que se van a transmitir y recibir todas las comunicaciones, tanto internas como externas, del sistema informático.

El bus es solamente un Dispositivo de Transferencia de Información entre los componentes conectados a él, no almacena información alguna en ningún momento.

Los datos, en forma de señal eléctrica, sólo permanecen en el bus el tiempo que necesitan en recorrer la distancia entre los dos componentes implicados en la transferencia.

En una unidad central de sistema típica el bus se subdivide en tres buses o grupos de líneas.

• Bus de Direcciones.

• Bus de Datos.

• Bus de Control.

Bus de Direcciones

Es un canal de comunicaciones constituido por líneas que apuntan a la dirección de memoria que ocupa o va a ocupar la información a tratar.

Una vez direccionada la posición, la información, almacenada en la memoria hasta ese momento, pasará a la CPU a través del bus de datos.

Para determinar la cantidad de memoria directamente accesible por la CPU, hay que tener en cuenta el número de líneas que integran el bus de direcciones, ya que cuanto mayor sea el número de líneas, mayor será la cantidad de direcciones y, por tanto, de memoria a manejar por el sistema informático.

Bus de Datos

El bus de datos es el medio por el que se transmite la instrucción o dato apuntado por el bus de direcciones.

Es usado para realizar el intercambio de instrucciones y datos tanto internamente, entre los diferentes componentes del sistema informático, como externamente, entre el sistema informático y los diferentes subsistemas periféricos que se encuentran en el exterior.

Una de las características principales de una computadora es el número de bits que puede transferir el bus de datos (16, 32, 64, etc.). Cuanto mayor sea este número, mayor será la cantidad de información que se puede manejar al mismo tiempo.

Bus de Control

Es un número variable de líneas a través de las que se controlan las unidades complementarias.

El número de líneas de control dependerá directamente de la cantidad que pueda soportar el tipo de CPU utilizada y de su capacidad de direccionamiento de información.

Arquitecturas de Bus:

Dependiendo del diseño y la tecnología que se utilice para construir el bus de una microcomputadora se pueden distinguir tres arquitecturas diferentes:

• Arquitectura ISA.

• Arquitectura MCA.

• Arquitectura EISA.

• Arquitectura ISA.

• Arquitectura ISA

La Arquitectura ISA (Industry Standard Architecture en inglés) es la arquitectura con que se construyó el bus de los microcomputadores AT de IBM.

Esta arquitectura se adoptó por todos los fabricantes de microcomputadoras compatibles y, en general, está basada en el modelo de tres buses explicado anteriormente. Su tecnología es antigua, ya que se diseñó a principios de la década de los 80, lo que provoca una gran lentitud, debido a su velocidad de 8 megaherzios y una anchura de sólo 16 bits.

• Arquitectura MCA.

La Arquitectura MCA (MicroChannel Architecture en inglés) tuvo su origen en una línea de microcomputadoras fabricadas por IBM, las PS/2 (PS significa Personal System).

Las PS/2 fueron unas microcomputadoras en las que, en sus modelos de mayor rango, se sustituyó el bus tradicional de las computadoras personales por un canal de comunicaciones llamado MicroChannel.

El MicroChannel no es compatible, ni en su diseño ni en las señales de control, con la tecnología de bus tradicional, si bien su misión de transferencia de direcciones de memoria y datos es similar en ambos casos. Las ventajas de MicroChannel son una mayor velocidad, 10 megaherzios, una anchura de 32 bits, la posibilidad de autoinstalación y una mejor gestión de los recursos conectados al canal gracias a un control denominado busmaster.

• Arquitectura EISA.

La Arquitectura EISA (Extended Industry Standard Architecture en inglés) surge como una mejora del estándar ISA por parte de un grupo de empresas fabricantes de microcomputadoras compatibles. La velocidad del bus aumenta, así como la posibilidad de manejo de datos, llegándose a los 32 bits en paralelo; asimismo posee autoinstalación y control de bus.

La unión del aumento de la velocidad interna del bus y los 32 bits trabajando en paralelo permite a esta arquitectura una capacidad de manejo y transferencia de datos desconocida hasta ese momento, pudiendo llegar hasta los 33 megabytes por segundo.

La gran ventaja de la arquitectura EISA es que es totalmente compatible con ISA, esto es, una tarjeta de expansión ISA funciona si se la inserta en una ranura EISA. Evidentemente, no va a poder utilizar totalmente la potencia del nuevo estándar, funcionando a menor velocidad, pero funcionando al fin y al cabo.

En la actualidad no existe una arquitectura que tenga el suficiente peso específico como para desbancar totalmente al resto, si bien, poco a poco, la arquitectura ISA puede ir desapareciendo de las configuraciones de los sistemas informáticos dando paso a las otras dos arquitecturas.

Reloj:

El reloj de una computadora se utiliza para dos funciones principales:

1. Para sincronizar las diversas operaciones que realizan los diferentes subcomponentes del sistema informático.

2. Para saber la hora.

El reloj físicamente es un circuito integrado que emite una cantidad de pulsos por segundo, de manera constante. Al número de pulsos que emite el reloj cada segundo se llama Frecuencia del Reloj.

La frecuencia del reloj se mide en Ciclos por Segundo, también llamados Hertzios, siendo cada ciclo un pulso del reloj. Como la frecuencia del reloj es de varios millones de pulsos por segundo se expresa habitualmente en Megaherzios.

El reloj marca la velocidad de proceso de la computadora generando una señal periódica que es utilizada por todos los componentes del sistema informático para sincronizar y coordinar las actividades operativas, evitando el que un componente maneje unos datos incorrectamente o que la velocidad de transmisión de datos entre dos componentes sea distinta.

Cuanto mayor sea la frecuencia del reloj mayor será la velocidad de proceso de la computadora y podrá realizar mayor cantidad de instrucciones elementales en un segundo.

El rango de frecuencia de los microprocesadores oscila entre los 4,77 megaherzios del primer PC diseñado por IBM y los 200 megaherzios de las actuales computadoras basadas en los chips Intel Pentium.

TARJETAS DE EXPANSIÓN INTERNA:

Las Tarjetas de Expansión están diseñadas y dedicadas a actividades específicas, como pueden ser las de controlar la salida de vídeo de la computadora, gráficas, comunicaciones, etc.

Las tarjetas de expansión no forman parte de la unidad central de proceso, pero están conectadas directamente a ésta a través del bus, generalmente dentro de la propia caja de la unidad central del sistema, y controladas por la CPU en todas sus operaciones.

Las tarjetas de expansión complementan y ayudan a la placa base y, por tanto, al microprocesador central descargándole de tareas que retardarían los procesos de la CPU, añadiendo al mismo tiempo una serie de posibilidades operativas que no estaban previstas en los primeros modelos de computadoras.

A lo largo de la historia del desarrollo de las computadoras se han ido aprovechando diseños técnicos anteriores para crear subcomponentes de sistemas informáticos de complejidad superior; un ejemplo puede ser el microprocesador 8086 que sirvió como microprocesador principal para una serie de sistemas informáticos, como fueron los PS/2 de IBM. En la actualidad puede emplearse como microprocesador de tarjetas gráficas dedicadas a controlar los subsistemas de vídeo.

Las tarjetas de expansión cumplen una importante cantidad de cometidos que van desde controlar actividades del proceso general del sistema informático (subsistema de vídeo, subsistema de almacenamiento masivo de información en los diferentes discos de la computadora, etc.) hasta permitir una serie de tareas para las que los diseñadores del sistema informático no han previsto facilidades o que debido a su costo sólo se entregan como opcionales.

Tarjetas Controladoras de Periféricos:

Las Tarjetas de Expansión Controladoras de Periféricos son placas que contienen circuitos lógicos y que se conectan al bus de datos para recibir la información que la CPU envía hacia los periféricos almacenándola en Buffers, esto es, una serie de Memorias Intermedias que actúan como amortiguadoras de los flujos de datos que se transmiten en el interior del sistema informático y descargan al procesador principal del control del tráfico de señales y datos entre el procesador y los periféricos exteriores.

Las tarjetas de expansión controladoras de periféricos más importantes son:

• Las Tarjetas de Expansión Controladoras del Modo de Vídeo.

• Las Tarjetas de Expansión Controladoras de Entrada/Salida de Datos.

• Las Tarjetas de Expansión Controladoras de Comunicaciones.

Tarjetas de Expansión Controladoras del Modo de Video:

Este tipo de tarjetas de expansión son también llamadas Tarjetas Gráficas. Las tarjetas gráficas van a proporcionar diferentes clases de calidad en la información que el sistema informático va a poder mostrar en su pantalla.

La información que la computadora va a representar en su pantalla se encuentra en una zona de la memoria RAM que alimenta periódicamente al cañón de electrones, a través de la tarjeta controladora del modo gráfico, de los datos necesarios para representar la información almacenada en la pantalla del sistema informático.

La pantalla de la computadora se refresca, esto es, modifica el dibujo que aparece en ella con una periodicidad de entre 50 y 80 veces por segundo. El dibujo que aparece en la pantalla del sistema informático es el almacenado en la memoria de vídeo de la computadora y que la tarjeta gráfica recibe para manejar los datos y enviarlos hacia la pantalla del sistema informático.

Cuando la tarjeta de vídeo envía la información almacenada en la memoria hacia la pantalla de la computadora, estos datos pasan por un convertidor digital/analógico para convertirse en una señal eléctrica compatible con la necesaria para que el componente de generación de imágenes de la pantalla del sistema informático (cañón de rayos, LCD, etc.) forme la imagen en la pantalla de la computadora.

Existen diferencias entre los distintos tipos de tarjetas gráficas entre las que cabe destacar:

1. Modo de Trabajo.

Es como se va a manejar la información que se va a representar en la pantalla del sistema informático.

Los modos principales de trabajo son:

• Modo Texto: Se maneja la información en forma de texto, si bien algunos de estos caracteres pueden utilizarse para realizar dibujos sencillos.

• Modo Gráfico: Es más completo que el anterior ya que a la posibilidad del manejo de caracteres se une la de la creación de dibujos complejos.

2. Utilización del Color.

Algunas tarjetas de vídeo pueden manejar una serie de parámetros, en forma de código binario, que permiten la utilización del color en las pantallas de los sistemas informáticos que estén preparadas para ello. La utilización, o no, del color permite realizar la siguiente diferenciación:

• Monocromas: Utilizan sólo un color que resalta sobre el fondo de la pantalla de la computadora.

• Policromas: Utilizan la serie de tres colores fundamentales (rojo, azul y verde) para obtener las diferentes mezclas de colores y tonos que se van a representar en la pantalla del sistema informático.

3. Resolución Gráfica.

Es una matriz formada por la cantidad total de líneas de información y el número de puntos en que se puede dividir cada una de las líneas. Esta matriz es la información que la tarjeta gráfica envía hacia la pantalla de la computadora.

A continuación van a estudiarse los tipos de tarjetas gráficas más conocidas:

Tarjeta Gráfica Hércules.

Las tarjetas gráficas Hércules son tarjetas de vídeo que trabajan en modo gráfico en sistemas informáticos cuya configuración incluye pantallas monocromas.

Fueron diseñadas por Hercules Corp. para poder crear gráficos en las pantallas monocromas de las primeras computadoras personales debido a que la tarjeta de vídeo que incluían estos sistemas informáticos, el Adaptador Monocromo de IBM, sólo podía trabajar en modo texto.

Debido a que Hercules Corp. era una empresa independiente, IBM nunca consideró a la tarjeta de vídeo creada por ella como un estándar, aunque sí lo fue de hecho.

Este modelo de tarjeta de vídeo posee una resolución gráfica de 720 puntos por 348 líneas.

Tarjeta Gráfica CGA.

La tarjeta gráfica CGA (Color Graphics Adapter-Adaptador de Gráficos Color) fue diseñada para introducir el color en el mundo de la microinformática.

Las tarjetas gráficas CGA trabajan en los modos texto y gráfico, pudiendo conectarse a ellas pantallas de computadora monocromas y de color.

El problema que presentan las CGA es que su resolución gráfica es muy pobre en comparación con el resto de las tarjetas gráficas del mercado, siendo de 640 puntos por 240 líneas en modo monocromo y de 320 puntos por 200 líneas trabajando con cuatro colores.

Tarjeta Gráfica EGA.

La EGA (Enhanced Graphics Adapter-Adaptador Mejorado de Gráficos) es una tarjeta de vídeo que trabaja en modo gráfico y mejora en gran medida las prestaciones de la CGA. Esta tarjeta gráfica trabaja con pantallas de computadora monocromas o de color.

La resolución de la tarjeta gráfica EGA es de 640 puntos por 350 líneas y maneja hasta 16 colores al mismo tiempo.

Tarjeta Gráfica MCGA.

Esta Tarjeta Gráfica (Microchannel Graphics Adapter – Adaptador Gráfico Microchannel) fue diseñada por IBM para trabajar en sus microcomputadoras del tipo PS/2.

La MCGA tenía una resolución máxima de 640 puntos por 400 líneas en modo monocromo, reduciéndose a medida que se aumentaba el número de colores con que se trabajaba.

Tarjeta Gráfica VGA.

La Tarjeta Gráfica VGA (Video Graphics Adapter – Adaptador Vídeo de Gráficos) se diseñó, como la anterior, para los sistemas informáticos PS/2 de IBM. La diferencia entre ambas tarjetas gráficas es que si la anterior se instaló en los sistemas informáticos menos potentes, la VGA se instaló en los sistemas informáticos más potentes de la gama PS/2, debido a su mejor resolución.

Al contrario que la MCGA, la tarjeta gráfica VGA sí tuvo un modelo compatible con el bus habitual de los sistemas PC y gracias a su calidad de diseño y fabricación ha llegado a convertirse en un estándar dentro del mercado microinformático.

La resolución de esta tarjeta gráfica tiene dos modos distintos:

• La resolución en modo texto es de 720 puntos por 400 líneas manejando los dos colores del monocromo.

• La resolución en modo gráfico es de 640 puntos por 480 líneas y maneja 16 colores.

Tarjeta Gráfica SVGA.

La tarjeta gráfica SVGA (Super Video Graphics Adapte – Super Adaptador Vídeo de Gráficos) es un diseño de reciente creación. Ha sido introducida en el mercado como una tarjeta gráfica VGA, ampliada y mejorada, que rápidamente está consiguiendo una importante cuota de instalación en las configuraciones de los nuevos sistemas informáticos.

La posibilidad de manejo por la propia tarjeta gráfica de un megabyte de memoria DRAM, que puede ampliarse hasta los dos megabytes, supone una importante potencia gráfica que da, a los sistemas microinformáticos, posibilidades de manejo de gráficos que antes sólo podían realizar las estaciones de trabajo o las minicomputadoras.

La resolución de esta tarjeta gráfica es muy alta, llegando a los 1.280 puntos por 1.024 líneas.

Tarjetas Controladoras de Entrada y Salida de Datos

La función principal de estos dispositivos es adaptar la información procesada por la unidad central de proceso, canalizando las transferencias de información entre la computadora y los dispositivos periféricos exteriores.

Con las tarjetas controladoras de entrada y salida de datos se consigue:

1. Independencia funcional entre la unidad central de proceso y los periféricos asociados a ella. Las tarjetas controladoras evitan la lentitud de los procesos debido a la diferencia de velocidad entre la CPU y los periféricos.
2. Adaptación de diversos tipos de periféricos al sistema informático, independientemente de que la operatividad entre ellos y la computadora no sea compatible.
3. Pueden servir de traductoras entre el modo digital de la computadora y el analógico del de otros medios por los que se pueden establecer enlaces entre sistemas informáticos.

Tarjetas Controladoras de Comunicaciones:

Las Tarjetas Controladoras de comunicaciones son unidades que permiten la conexión de una computadora central, denominada sistema central o servidor, con una serie de computadoras menos potentes que utilizan parte de los recursos del servidor para aumentar su operatividad.

La conexión se produce a través de una serie de Enlaces que unen todas las computadoras entre sí formando una Red de Comunicaciones.

Si los sistemas informáticos que constituyen esta red de comunicaciones se encuentra en una zona no muy extensa, no mayor que un edificio, la red se denomina Red de Área Local (LAN – Local Area Network).

Si la red de comunicaciones tiene una extensión mayor y se utilizan los servicios de las compañías telefónicas para enlazar las diferentes computadoras que componen la red, ésta se denomina Red de Área Extensa (WAN-Wide Area Network).

Las tarjetas controladoras de comunicaciones más comunes son las tarjetas de conexión a redes de área local. Este tipo de tarjetas de comunicaciones se estudiarán más adelante en un apartado específico dedicado a ella; sin embargo, se puede adelantar aquí que las tarjetas controladoras de comunicaciones se dividen en dos grupos principales:

• Tarjetas de conexión a redes locales (LAN).

• Tarjetas de expansión módem (para redes de comunicaciones extensas).

Las tarjetas de conexión a redes LAN son tarjetas de expansión que proporcionan una Conexión y una Dirección que permiten identificar al usuario en el interior de la red, posibilitándole el poder enviar y recibir información al sistema informático.

La conexión que proporcionan las tarjetas de conexión a redes de área local es a un cable coaxial muy similar al utilizado para conectar una televisión comercial a su antena exterior. La velocidad que este medio permite dentro de la red de comunicaciones es, sin embargo, inferior a la que poseen los sistemas informáticos conectados a ella, rondando unos pocos megaherzios.

Las tarjetas de expansión módem modulan la señal digital existente dentro de la unidad central del sistema de la computadora y la transforman convirtiéndola en analógica.

Esta señal analógica se superpone a otra señal llamada portadora, que es la que viaja por el cable telefónico, sobre la que va a poder atravesar las líneas telefónicas hasta un punto remoto donde otro módem volverá a convertir la señal en digital para que pueda ser utilizada por otra computadora.

Las velocidades de transmisión que proporcionan este tipo de tarjetas de expansión módem oscilan entre los 1.200 y los 28.800 bits por segundo.

Capítulo 2: "Generaciones de Computadoras"

INTRODUCCIÓN:

En la actualidad no se puede pensar en casi ninguna actividad en la cual no intervengan de alguna manera los procesos de cómputo. Las computadoras han invadido la mayoría de las labores del ser humano

El mundo está cambiando y usted deberá aprender todas esas, antes complicadas, hoy comunes tecnologías modernas que le permitirán conseguir un empleo mejor retribuido y quizás, en poco tiempo, realizar trabajos desde la comodidad de su hogar (tele-trabajo), reduciendo el tráfico en las calles y por ende la contaminación de las grandes ciudades. La mayoría de los gobiernos de los países en desarrollo han tomado muy en serio los programas de educación para crear en sus poblaciones una "cultura informática".

Definitivamente, las computadoras están cambiando nuestras vidas. Ahora hemos de aprenderla para no quedar inmersos en una nueva forma de analfabetismo. Lo anterior contribuye a la creación de nuevos esquemas sociales que incluyen: novedosas maneras de comercialización aprovechando las facilidades para comunicarse con todo el mundo a través de Internet; la necesidad de crear leyes adecuadas a la realidad cibernética actual y, sobre todo; la concepción de una nueva manera de relacionarse con nuestros semejantes, que contemple una serie de normas éticas que regulen la convivencia pacifica y cordial entre los millones de personas que tienen que utilizar estas avanzadas tecnologías para realizar su trabajo, estudio, descanso y esparcimiento diarios.

PRÓLOGO:

Hoy día todos los habitantes del mundo somos dependientes directos o indirectos del uso de las computadoras, como en oficinas bancarias, grandes y medianos comercios, centros de enseñanza, oficinas de ventas y reservaciones para viajes, clínicas médicas u hospitales, fabricas y almacenes industriales, organismos de gobierno y oficinas administrativas, laboratorios, y centros de investigación. Estas máquinas maravillosas inventadas por el hombre, tal como ahora las concebimos, son el resultado de una secuencia de eventos que el transcurso de esta investigación conoceremos.

Para saber más acerca de estos eventos en esta investigación mostraremos las diferentes generaciones por las que ha pasado el mundo de la computación, esta larga historia es necesario mencionar las épocas y los personajes gracias a cuyos valiosos aportes a través del tiempo, hicieron posible la gestación de la hoy llamada Era de la Computación, la cual sin lugar a dudas es el resultado de un largo proceso evolutivo que jamás cesará. 

MARCO TEÓRICO

PRIMERA GENERACIÓN (1951 a 1958):

Las computadoras de la primera Generación emplearon bulbos para procesar información. Los operadores ingresaban los datos y programas en código especial por medio de tarjetas perforadas. El almacenamiento interno se lograba con un tambor que giraba rápidamente, sobre el cual un dispositivo de lectura/escritura colocaba marcas magnéticas. Esas computadoras de bulbos eran mucho más grandes y generaban más calor que los modelos contemporáneos.

Eckert y Mauchly contribuyeron al desarrollo de computadoras de la 1era Generación formando una compañía privada y construyendo UNIVAC I, que el Comité del censo utilizó para evaluar el censo de 1950. La IBM tenía el monopolio de los equipos de procesamiento de datos a base de tarjetas perforadas y estaba teniendo un gran auge en productos como rebanadores de carne, básculas para comestibles, relojes y otros artículos; sin embargo no había logrado el contrato para el Censo de 1950.

Comenzó entonces a construir computadoras electrónicas y su primera entrada fue con la IBM 701 en 1953. Después de un lento pero exitante comienzo la IBM 701 se conviertió en un producto comercialmente viable. Sin embargo en 1954 fue introducido el modelo IBM 650, el cual es la razón por la que IBM disfruta hoy de una gran parte del mercado de las computadoras. La administración de la IBM asumió un gran riesgo y estimó una venta de 50 computadoras. Este número era mayor que la cantidad de computadoras instaladas en esa época en E.U. De hecho la IBM instaló 1000 computadoras. El resto es historia. Aunque caras y de uso limitado las computadoras fueron aceptadas rápidamente por las Compañias privadas y de Gobierno. A la mitad de los años 50 IBM y Remington Rand se consolidaban como líderes en la fabricación de computadoras.

 SEGUNDA GENERACIÓN (1959-1964):

Transistor Compatibilidad Limitada

El invento del transistor hizo posible una nueva Generación de computadoras, más rápidas, más pequeñas y con menores necesidades de ventilación. Sin embargo el costo seguía siendo una porción significativa del presupuesto de una Compañía. Las computadoras de la segunda generación también utilizaban redes de núcleos magnéticos en lugar de tambores giratorios para el almacenamiento primario. Estos núcleos contenían pequeños anillos de material magnético, enlazados entre sí, en los cuales podían almacenarse datos e instrucciones.

 Los programas de computadoras también mejoraron. El COBOL (COmmon Busines Oriented Languaje) desarrollado durante la 1era generación estaba ya disponible comercialmente, este representa uno de os mas grandes avances en cuanto a portabilidad de programas entre diferentes computadoras; es decir, es uno de los primeros programas que se pueden ejecutar en diversos equipos de computo después de un sencillo procesamiento de compilación. Los programas escritos para una computadora podían transferirse a otra con un mínimo esfuerzo. Grace Murria Hooper (1906-1992), quien en 1952 habia inventado el primer compilador fue una de las principales figuras de CODASYL (Comité on Data SYstems Languages), que se encago de desarrollar el proyecto COBOL El escribir un programa ya no requería entender plenamente el hardware de la computación. Las computadoras de la 2da Generación eran sustancialmente más pequeñas y rápidas que las de bulbos, y se usaban para nuevas aplicaciones, como en los sistemas para reservación en líneas aéreas, control de tráfico aéreo y simulaciones para uso general. Las empresas comenzaron a aplicar las computadoras a tareas de almacenamiento de registros, como manejo de inventarios, nómina y contabilidad.

La marina de E.U. utilizó las computadoras de la Segunda Generación para crear el primer simulador de vuelo. (Whirlwind I). HoneyWell se colocó como el primer competidor durante la segunda generación de computadoras. Burroughs, Univac, NCR, CDC, HoneyWell, los más grandes competidores de IBM durante los 60s se conocieron como el grupo BUNCH.

Algunas de las computadoras que se construyeron ya con transistores fueron la IBM 1401, las Honeywell 800 y su serie 5000, UNIVAC M460, las IBM 7090 y 7094, NCR 315, las RCA 501 y 601, Control Data Corporation con su conocido modelo CDC16O4, y muchas otras, que constituían un mercado de gran competencia, en rápido crecimiento. En esta generación se construyen las supercomputadoras Remington Rand UNIVAC LARC, e IBM Stretch (1961).

 TERCERA GENERACIÓN (1964-1971):

Circuitos Integrados, Compatibilidad con Equipo Mayor, Multiprogramación, Minicomputadora.

 Las computadoras de la tercera generación emergieron con el desarrollo de los circuitos integrados (pastillas de silicio) en las cuales se colocan miles de componentes electrónicos, en una integración en miniatura. Las computadoras nuevamente se hicieron más pequeñas, más rápidas, desprendían menos calor y eran energéticamente más eficientes.

 El descubrimiento en 1958 del primer Circuito Integrado (Chip) por el ingeniero Jack S. Kilby (nacido en 1928) de Texas Instruments, así como los trabajos que realizaba, por su parte, el Dr. Robert Noyce de Fairchild Semicon ductors, acerca de los circuitos integrados, dieron origen a la tercera generación de computadoras.

Antes del advenimiento de los circuitos integrados, las computadoras estaban diseñadas para aplicaciones matemáticas o de negocios, pero no para las dos cosas. Los circuitos integrados permitieron a los fabricantes de computadoras incrementar la flexibilidad de los programas, y estandarizar sus modelos.

La IBM 360 una de las primeras computadoras comerciales que usó circuitos integrados, podía realizar tanto análisis numéricos como administración ó procesamiento de archivos.

 IBM marca el inicio de esta generación, cuando el 7 de abril de 1964 presenta la impresionante IBM 360, con su tecnología SLT (Solid Logic Technology). Esta máquina causó tal impacto en el mundo de la computación que se fabricaron más de

30000, al grado que IBM llegó a conocerse como sinónimo de computación.

También en ese año, Control Data Corporation presenta la supercomputadora CDC 6600, que se consideró como la más poderosa de las computadoras de la época, ya que tenía la capacidad de ejecutar unos 3 000 000 de instrucciones por segundo (mips).

Se empiezan a utilizar los medios magnéticos de almacenamiento, como cintas magnéticas de 9 canales, enormes discos rígidos, etc. Algunos sistemas todavía usan las tarjetas perforadas para la entrada de datos, pero las lectoras de tarjetas ya alcanzan velocidades respetables.

Los clientes podían escalar sus sistemas 360 a modelos IBM de mayor tamaño y podían todavía correr sus programas actuales. Las computadoras trabajaban a tal velocidad que proporcionaban la capacidad de correr más de un programa de manera simultánea (multiprogramación).

Por ejemplo la computadora podía estar calculando la nomina y aceptando pedidos al mismo tiempo. Minicomputadoras, Con la introducción del modelo 360 IBM acaparó el 70% del mercado, para evitar competir directamente con IBM la empresa Digital Equipment Corporation DEC redirigió sus esfuerzos hacia computadoras pequeñas. Mucho menos costosas de comprar y de operar que las computadoras grandes, las minicomputadoras se desarrollaron durante la segunda generación pero alcanzaron sumador auge entre 1960 y 70.

 CUARTA GENERACIÓN (1971 a 1981):

Microprocesador, Chips de memoria, Microminiaturización

Dos mejoras en la tecnología de las computadoras marcan el inicio de la cuarta generación: el reemplazo de las memorias con núcleos magnéticos, por las de chips de silicio y la colocación de Muchos más componentes en un Chip: producto de la microminiaturización de los circuitos electrónicos. El tamaño reducido del microprocesador y de chips hizo posible la creación de las computadoras personales (PC)

En 1971, intel Corporation, que era una pequeña compañía fabricante de semiconductores ubicada en Silicon Valley, presenta el primer microprocesador o Chip de 4 bits, que en un espacio de aproximadamente 4 x 5 mm contenía 2 250 transistores. Este primer microprocesador que se muestra en la figura 1.14, fue bautizado como el 4004.

Silicon Valley (Valle del Silicio) era una región agrícola al sur de la bahía de San Francisco, que por su gran producción de silicio, a partir de 1960 se convierte en una zona totalmente industrializada donde se asienta una gran cantidad de empresas fabricantes de semiconductores y microprocesadores. Actualmente es conocida en todo el mundo como la región más importante para las industrias relativas a la computación: creación de programas y fabricación de componentes.

Actualmente ha surgido una enorme cantidad de fabricantes de microcomputadoras o computadoras personales, que utilizando diferentes estructuras o arquitecturas se pelean literalmente por el mercado de la computación, el cual ha llegado a crecer tanto que es uno de los más grandes a nivel mundial; sobre todo, a partir de 1990, cuando se logran sorprendentes avances en Internet.

Esta generación de computadoras se caracterizó por grandes avances tecnológicos realizados en un tiempo muy corto. En 1977 aparecen las primeras microcomputadoras, entre las cuales, las más famosas fueron las fabricadas por Apple Computer, Radio Shack y Commodore Busíness Machines. IBM se integra al mercado de las microcomputadoras con su Personal Computer (figura 1.15), de donde les ha quedado como sinónimo el nombre de PC, y lo más importante; se incluye un sistema operativo estandarizado, el MS- DOS (MicroSoft Disk Operating System).

Las principales tecnologías que dominan este mercado son:

IBM y sus compatibles llamadas clones, fabricadas por infinidad de compañías con base en los procesadores 8088, 8086, 80286, 80386, 80486, 80586 o Pentium, Pentium II, Pentium III y Celeron de Intel y en segundo término Apple Computer, con sus Macintosh y las Power Macintosh, que tienen gran capacidad de generación de gráficos y sonidos gracias a sus poderosos procesadores Motorola serie 68000 y PowerPC, respectivamente. Este último microprocesador ha sido fabricado utilizando la tecnología RISC (Reduced Instruc tion Set Computing), por Apple Computer Inc., Motorola Inc. e IBM Corporation, conjuntamente.

Los sistemas operativos han alcanzado un notable desarrollo, sobre todo por la posibilidad de generar gráficos a gran des velocidades, lo cual permite utilizar las interfaces gráficas de usuario (Graphic User Interface, GUI), que son pantallas con ventanas, iconos (figuras) y menús desplegables que facilitan las tareas de comunicación entre el usuario y la computadora, tales como la selección de comandos del sistema operativo para realizar operaciones de copiado o formato con una simple pulsación de cualquier botón del ratón (mouse) sobre uno de los iconos o menús.

 QUINTA GENERACIÓN Y LA INTELIGENCIA ARTIFICIAL (1982-1989):

Cada vez se hace más difícil la identificación de las generaciones de computadoras, porque los grandes avances y nuevos descubrimientos ya no nos sorprenden como sucedió a mediados del siglo XX. Hay quienes consideran que la cuarta y quinta generación han terminado, y las ubican entre los años 1971-1984 la cuarta, y entre 1984-1990 la quinta. Ellos consideran que la sexta generación está en desarrollo desde 1990 hasta la fecha.

Siguiendo la pista a los acontecimientos tecnológicos en materia de computación e informática, podemos puntualizar algunas fechas y características de lo que podría ser la quinta generación de computadoras.

Con base en los grandes acontecimientos tecnológicos en materia de microelectrónica y computación (software) como CADI CAM, CAE, CASE, inteligencia artificial, sistemas expertos, redes neuronales, teoría del caos, algoritmos genéticos, fibras ópticas, telecomunicaciones, etc., a de la década de los años ochenta se establecieron las bases de lo que se puede conocer como quinta generación de computadoras.

Hay que mencionar dos grandes avances tecnológicos, que sirvan como parámetro para el inicio de dicha generación: la creación en 1982 de la primera supercomputadora con capacidad de proceso paralelo, diseñada por Seymouy Cray, quien ya experimentaba desde 1968 con supercomputadoras, y que funda en 1976 la Cray Research Inc.; y el anuncio por parte del gobierno japonés del proyecto "quinta generación", que según se estableció en el acuerdo con seis de las más grandes empresas japonesas de computación, debería terminar en 1992.

El proceso paralelo es aquél que se lleva a cabo en computadoras que tienen la capacidad de trabajar simultáneamente con varios microprocesadores. Aunque en teoría el trabajo con varios microprocesadores debería ser mucho más rápido, es necesario llevar a cabo una programación especial que permita asignar diferentes tareas de un mismo proceso a los diversos microprocesadores que intervienen.

También se debe adecuar la memoria para que pueda atender los requerimientos de los procesadores al mismo tiempo. Para solucionar este problema se tuvieron que diseñar módulos de memoria compartida capaces de asignar áreas de caché para cada procesador.

Según este proyecto, al que se sumaron los países tecnológicamente más avanzados para no quedar atrás de Japón, la característica principal sería la aplicación de la inteligencia artificial (Al, Artificial Intelligence). Las computadoras de esta generación contienen una gran cantidad de microprocesadores trabajando en paralelo y pueden reconocer voz e imágenes. También tienen la capacidad de comunicarse con un lenguaje natural e irán adquiriendo la habilidad para tomar decisiones con base en procesos de aprendizaje fundamentados en sistemas expertos e inteligencia artificial.

El almacenamiento de información se realiza en dispositivos magneto ópticos con capacidades de decenas de Gigabytes; se establece el DVD (Digital Video Disk o Digital Versatile Disk) como estándar para el almacenamiento de video y sonido; la capacidad de almacenamiento de datos crece de manera exponencial posibilitando guardar más información en una de estas unidades, que toda la que había en la Biblioteca de Alejandría. Los componentes de los microprocesadores actuales utilizan tecnologías de alta y ultra integración, denominadas VLSI (Very Large Sca/e Integration) y ULSI (Ultra Lar- ge Scale Integration).

Sin embargo, independientemente de estos "milagros" de la tecnología moderna, no se distingue la brecha donde finaliza la quinta y comienza la sexta generación. Personalmente, no hemos visto la realización cabal de lo expuesto en el proyecto japonés debido al fracaso, quizás momentáneo, de la inteligencia artificial.

El único pronóstico que se ha venido realizando sin interrupciones en el transcurso de esta generación, es la conectividad entre computadoras, que a partir de 1994, con el advenimiento de la red Internet y del World Wide Web, ha adquirido una importancia vital en las grandes, medianas y pequeñas empresas y, entre los usuarios particulares de computadoras.

  El propósito de la Inteligencia Artificial es equipar a las Computadoras con "Inteligencia Humana" y con la capacidad de razonar para encontrar soluciones.  Otro factor fundamental del diseño, la capacidad de la Computadora para reconocer patrones y secuencias de procesamiento que haya encontrado previamente, (programación Heurística) que permita a la Computadora recordar resultados previos e incluirlos en el procesamiento, en esencia, la Computadora aprenderá a partir de sus propias experiencias usará sus Datos originales para obtener la respuesta por medio del razonamiento y conservará esos resultados para posteriores tareas de procesamiento y toma de decisiones. 

SEXTA GENERACIÓN 1990 HASTA LA FECHA:

Como supuestamente la sexta generación de computadoras está en marcha desde principios de los años noventas, debemos por lo menos, esbozar las características que deben tener las computadoras de esta generación. También se mencionan algunos de los avances tecnológicos de la última década del siglo XX y lo que se espera lograr en el siglo XXI. Las computadoras de esta generación cuentan con arquitecturas combinadas Paralelo / Vectorial, con cientos de microprocesadores vectoriales trabajando al mismo tiempo; se han creado computadoras capaces de realizar más de un millón de millones de operaciones aritméticas de punto flotante por segundo (teraflops); las redes de área mundial (Wide Area Network, WAN) seguirán creciendo desorbitadamente utilizando medios de comunicación a través de fibras ópticas y satélites, con anchos de banda impresionantes. Las tecnologías de esta generación ya han sido desarrolla das o están en ese proceso. Algunas de ellas son: inteligencia / artificial distribuida; teoría del caos, sistemas difusos, holografía, transistores ópticos, etcétera.

GLOSARIO:

BIT: (dígito binario) un dígito simple de un numero binario (1 ó 0)

BYTE: Grupo de bits adyacentes operados como una unidad,

COMPILADOR: Programa de computadora que produce un programa en lenguaje de maquina, de un programa fuente que generalmente esta escrito por el programador en un lenguaje de alto nivel.

CÓDIGO MAQUINA: para que se pueda ejecutar un programa, debe estar en lenguaje de maquina de la computadora que lo esta ejecutando.

CHIP: 1. Pastilla. 2. Plaqueta. 3. Pequeña pieza de silicio o algún otro material semiconductor, que contiene en su interior un circuito integrado. Por su propia naturaleza, chip es sinónimo de circuito integrado.

CIRCUITO INTEGRADO: 1. Chip 2. Sistema de circuitos interrelacionados, almacenados en una pequeña tableta o pastilla de silicio.

COMPUTADORA: Máquina o dispositivo capaz de recibir información, procesarla y entregar resultados en la forma deseada. 2. Equipo electrónico (Hardware) que recibe instrucciones en forma de pro gramas (Software) para resolver diferentes tareas utilizando algoritmos.

COMPUTADORA DIGITAL: Computadora que opera sobre datos discretos o discontinuos; en otras palabras, sobre dígitos binarios (ceros y unos) representados por impulsos eléctricos. Esto contrasta con las computadoras analógicas, las cuales operan sobre variables continuas como la temperatura o la presión estableciendo analogías entre las variaciones y los datos. La mayoría de las computadoras actuales son de tipo digital.

COMPUTADORA PERSONAL (PC): Microcomputadora destinada a trabajo individual o de escritorio. 2. Sistema individual de escritorio, portátil o de portafolio que consta de monitor, unidad central de procesamiento y teclado. El nombre de Personal Computer (PC) lo dio IBM a sus microcomputadoras de escritorio, y es como se conoce a las computadoras con tecnología IBM y a sus clones o compatibles. Actualmente tienen una gran capacidad de procesamiento, comparable con las minis o macro computadoras utilizadas por bancos, centros de investigación e industria en general.

DATOS: Símbolos, letras, números o hechos aislados que pueden ser leídos y procesados por una computadora para producir información.

EQUIPO HARDWARE: Componentes mecánicos, eléctricos, magnéticos y electrónicos de una computadora o sistema de cómputo. 2. Los componentes físicos de un sistema de cómputo, en contrapartida con el software, que es intangible.

FIBRA ÓPTICA: Delgadísimo filamento transparente hecho de material dieléctrico como vidrio o plástico, que tiene una enorme capacidad de transmisión de la luz mediante impulsos luminosos; esto es, en comunicaciones se está en posibilidad de transmitir millones de bits por segundo utilizando estos útiles medios.

HARDWARE: Es la parte tangible del computador.

INFORMACION: Es lo que se obtiene del procesamiento de datos, es el resultado final.

INFORMÁTICA: El término es acrónimo de Información Automática, que significa: todo aquello que tiene relación con el procesamiento de datos, utilizando las computadoras o los equipos de procesamiento automático de información. En Estados Unidos no es muy conocido el término, que se toma como sinónimo de lnformation Technology (IT).

INTELIGENCIA ARTIFICIAL (Al): 1. Rama de la ciencia de la computación que intenta entender la naturaleza de la inteligencia para producir nuevos tipos de máquinas o programas inteligentes. 2. Emulación mediante sistemas de cómputo, de situaciones asociadas con la inteligencia y el comportamiento humanos como el razonamiento, el aprendizaje y la auto-superación.

LENGUAJE BINARIO: Código o len guaje utilizado en computación, en el cual la codificación de datos se realiza únicamente mediante bits; es decir unos y ceros.

MICROCOMPUTADORA: Pequeña computadora que utiliza uno o más microprocesadores para realizarlos procesos de cálculo. Generalmente consta de unidades de entrada y salida como teclado y monitor respectivamente, y unidades de almacenamiento secundario de información.

MICROPROCESADOR: Unidad Central de Procesamiento (CPU) de una computadora, ubicada en el interior de uno o varios chips. 2. Pequeño y complejo procesador central de una computadora compuesto de una gran cantidad de microcircuitos encapsulados en una sola unidad.

MULTIPROGRAMACION: En un sistema multiprogramado la memoria principal alberga a más de un programa de usuario.

PROGRAMA: Es una colección de instrucciones que indican a la computadora que debe hacer. Un programa se denomina software, por lo tanto, programa, software e instrucción son sinónimos.

PROGRAMA FUENTE: Instrucción escrita por el programador en un lenguaje de programación para plantear al computador el proceso que debe ejecutar.

PROGRAMACIÓN: Proceso de escribir una secuencia de pasos o instrucciones que permiten resolver un problema o tarea específica, auxiliado por el planteamiento de un algoritmo. 2. Pasos que si siguen para crear un programa: diseño, codificación escritura, modificación, depuración, compilación o inducción del código al lenguaje de la máquina, y del programa.

PROGRAMAS SOFTWARE: lnstrucciones, funciones y comandos que integran un programa para controlar. El software o programa es una creación intelectual que no depende absolutamente del equipo físico sobre el cual trabaja. Es la parte intangible de la computación, pero al fin y al cabo, la parte más importante, porque ninguna computadora hace nada para lo que no haya sido programada. Los programas de propósito específico, como los procesadores de textos o los manejadores de bases de datos se conocen como software de aplicación. Los sistemas operativos constituyen una clase especial de programas de control.

SISTEMA OPERATIVO: Programa o grupo de programas que permiten controlar las operaciones de la computadora.

SISTEMAS EXPERTOS: Sistemas desarrollados mediante las técnicas de inteligencia artificial para resolución de problemas específicos.

SOFTWARE: Conjunto de programas, documentos, procesamientos y rutinas asociadas con la operación de un sistema de computadoras, es decir, la parte intangible de computador.

TUBO DE VACÍO: Tubo electrónico que se utiliza como amplificador o conmutador, controlando el flujo de electrones en su interior, al vacío.

TRANSISTOR: Dispositivo electrónico que sirve como amplificador de señal o controlador de interrupción (conmutador).

TARJETA PERFORADA: Tenía un alambre que pasaba a través de los huecos dentro de una copa de mercurio debajo de la tarjeta, cerrando de este modo el circuito eléctrico. Este proceso disparaba unos contadores mecánicos y ordenaba los recipientes de las tarjetas, tabulando así en forma apropiada la información.

Autor:

Osvaldo Lázaro Cangas Padilla

Diseñador Gráfico y Operador de Computadoras.

San José, Costa Rica.

2008

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