Estructura y funcionamiento de un ordenador

1. Introducción

Ordenador

Máquina universal electrónica (sin propósito específico) de procesamiento de la información en forma digital

En un ordenador hay que distinguir entre:

Hardware:

Estructura física, formada principalmente por componentes electrónicos

Software (programas):

Estructura lógica. Conjunto de instrucciones que indican al ordenador cómo debe ser modificada la información que va a ser intoducida (input) para que produzaca una información distinta (output) de acuerdo con las intenciones de la persona que programa el ordenador

Precursores

ÁBACO (2000-1000 a.c.)

MÁQUINA DE BABBAGE (1832)

MÁQUINA DE HOLLERIT (1887)

Primera generación (hasta 1959)

Caracteristicas:

Gran tamaño

Memorias internas pequeñas

Usan vávulas de vacio

Condiciones ambientales controladas

Posibilidad de averías frecuentes

ORDENADORES

MARK I (H. Aitken, 1937-44)

ENIAC (1945)

UNIVAC I (1951)

IBM 701 (1953)

Segunda generación (1960-1964)

Caracteristicas:

Menor tamaño

Usan TRANSISTORES

Menos caros

Menor consumo eléctrico

ORDENADORES

UNIVAC 1107

IBM 1620, 1401, 7094

Tercera generación (1965-1969)

Características:

Circuitos integrados (Chips)

Mayor integración Hardware y Software

Cuarta generación (desde 1970)

Características:

Tecnología LSI (1971)

Tecnología VLSI (1976)

Mocrocomputador monopastilla

Desarrollo de los Ordenadores Personales (80-90) (Spectrum, Commodore)

Aparecen los PCs con MS-Dos (80)

Multimedia, Internet y portátiles (90)

Uc: unidades de conmutación; Mips: Millón de instrucciones por segundo

2. Codificación de la información

Podemos definir INFORMACIÓN, en términos vulgares como:

Acción o efecto de dar noticias sobre alguna cosa

Y en términos matemáticos e informáticos, como

Magnitud que cuantifica la incertidumbre asociada a la ocurrencia de un mensaje cualquiera dentro de un conjunto de mensajes posibles

Un autor importante es SHANNON, que en 1947 inicia el desarrollo de la teoría de la información

Para que exista información debe existir incertidumbre, es decir, debe existir la posibilidad de que existan varias cosas. Así, un sistema es capaz de producir o transmitir información si al menos puede presentar dos estados distintos (verdadero/falso, ocurre/no ocurre, 0/1).

Así pues, la mínima cantidad de información es la que tiene esos dos posibles estados.

Se denomina:

Bit ( de la unión de las palabras BInary digT)

Uniendo bits, podemos tener mensajes con mayor cantidad de información. Así:

1 bit = 2 mensajes (0, 1)

2 bits = 4 mensajes (00, 01, 10, 11)

3 bits = 8 mensajes (000, 001,…111)

en general,

nº mensajes = 2nº de bits

Otras unidades de información ( o de almacenamisnto de información) son:

bit (b)

Byte (B) = 8 bits = 256 mensajes

Kilobyte (KB) = 210 Bytes = 1024 Bytes

Megabyte (MB) = 210 KB = 220 Bytes

Gigabyte (GB) = 210 MB = 230 Bytes

Terabyte (TB) =210 GB = 240 Bytes

Peta byte (PB) = 210 TB = 250 Bytes

Definición de codificación : Características:

Consiste en transformar unos datos de su representación actual en otra representación predefinida y preestablecida, que puede ser tan arbitraria y convencional como se quiera.

Cuando una información que se encuentra en un alfabeto A1 es transcrita a un segundo alfabeto A2, se dice que dicha información ha sido codificada

Un sistema de codificación consiste en establecer para el alfabeto de partida una secuencia determinada y única del segundo alfabeto.

Una vez establecido el sistema de codificación se puede DECODIFICAR cualquier mensaje escrito en el alfabeto A2 al alfabeto A1.

Con un alfabeto de sólo dos símbolos (binario) se puede presentar cualquier información escrita en el alfabeto normal. Por ejemplo el alfabeto MORSE.

A1: a, b, c, … A2:

. __ / __ … /__ . __ .

Existen múltiples sistemas de codificación:

Sistema binario: 2 símbolos

Sistema decimal: 10 símbolos

Sistema hexadecimal: 16 símbolos

Código ASCII (American Standard Code for Information Interchange).

3. La estructura del ordenador

Un ordenador está compuesto por una serie de elementos que le permiten, como procesador de información que es, recibir información, procesarla y emitir los resultados.

Pueden distinguirse tres partes fundamentales:

1. EL PROCESADOR

2. LA MEMORIA CENTRAL

3. LOS PERIFÉRICOS

El PROCESADOR es la parte fundamental y es donde se manipula la información

Estas partes se articulan en torno a unas vias de comunicación denominadas BUSES

Un BUS es una via de comunicación en la que la información viaja linealmente y cada uno de los dispositivos conectados tiene acceso a ella en todo momento

Los PERIFÉRICOS son dispositivos que controlan la entrada y salida de información

La MEMORIA CENTRAL es donde se almacena de forma interna los datos y programas, ya sea definitiva o temporalmente

Está compuesto por un conjunto de lineas eléctricas que transportan grupos de bits de información cada uno en un lapso de tiempo determinado.

Hay tres tipos de buses internos:

BUS DE DATOS: Transmite los datos que van a ser transferidos.

BUS DE DIRECCIONES: Determina el punto de partida y destino de la información.

BUS DE CONTROL: Transmite señales que determinan el momento en que se tienen que realizar los procesoso de emisión y de recepción.

3.1. El procesador

También se denomina microprocesador, Unidad Central de Procesamiento o CPU (Central Processing Unit)

Es el cerebro y corazón del ordenador

Es un circuito integrado, fabricado sobre una delgada tableta de silicio que contiene millones de pequeños interruptores (1/0).

Se encarga de realizar las operaciones con los datos a gran velocidad y de controlar los procesos que se ejecutan

Realiza operaciones de modificación y transferencia de la información mediante la interpretación y ejecución de una serie de instrucciones almacenadas en ciertas parcelas de la memoria interna

Es donde se realizan todos los cálculos, los controles de acceso a los periféricos y, practicamente, la mayoría de las tareas que se ejecutan en un ordenador

Algunos procesadores incorporan al principal, copocesadores especializados (matemáticos, gráficos, etc) (siglas SX: sin copocesador /DX: con coprocesador)

Componentes de un procesador:

UNIDAD ARITMÉTICO-LÓGICA (ALU): Es donde se ejecutan cada una de las operaciones (p.ej.: traspasar un dato de la memoria a un registro de la CPU, realizar la suma de las datos almacenados en un registro, etc) sean aritméticas o lógicas.

UNIDAD DE DECODIFICACIÓN DE INSTRUCCIONES: Es el lugar donde se decodifican las instrucciones de los programas.

UNIDAD DE CONTROL DEL BUS: Detecta señales de estado otras partes y genera señales de control motorizando las operaciones.

UNIDAD DE PUNTO FLOTANTE (FPU): Es la que se encarga de manejar los números decimales.

Características de un procesador:

CAPACIDAD DE PROCESAMIENTO: viene determinada por el juego de instrucciones de que dispone y por la amplitud del bus de datos (de 8, 16 o 32 bits, por ejemplo)

CAPACIDAD DE MANIPULAR GRAN CANTIDAD DE MEMORIA: que viene determinada por la amplitud del bus de direcciones

VELOCIDAD DE PROCESAMIENTO: depende del ciclo del reloj y también de la amplitud del bus de datos. La velocidad de un procesador se mide en Megahertzios (Mhz)

Evolución de los procesadores tipo Intel

3.2. La memoria central

También se denomina Memoria Principal o Interna

Es otra de las partes fundamentales del ordenador. Para que un programa se ejecute debe estar almacenado (cargado) en la Memoria Central.

La información que almacena es: a) Instrucciones que componene los programas que estamos utilizando; b) Datos que el usuario introduce y; c) Información sobre el programa que realiza las funciones de control en las operaciones que la máquina realiza (software ejecutivo)

En los ordenadores actuales, está formada por circuitos electrónicos integrados y está compuesta por elemento bi-estables siendo el sistema binario el que mejor representa su funcionamiento.

Hay dos tipos fundamentales de Memoria

• Memoria RAM

• Memoria ROM

Memoria Ram

• Se llama así por la unión de las palabras Random Acces Memory, Memoria de Acceso Aleatorio.

• Se trata de chips de memoria alargados situados en la Placa Base (junto al procesador)

Características:

Es una Memoria de Lectura y Escritura de datos a gran velocidad

Es Volátil, esto es, si se corta el suministro eléctrico se pierde la información

Es de acceso aleatorio: se puede acceder a sus posiciones sin requerir una lectura secuencial de los datos anteriores (mayor velocidad)

• ¿Cómo funciona?: Cuando vamos a utilizar un programa a) se copia en la Memoria RAM; b) El procesador lee paso a paso todas las instrucciones del programa y ; c) el procesador guarda en la RAM los resultados de los cálculos.

• En definitiva, la Memoria Ram determina cuantos programas puede ejecutar el ordenador y a que cantidad de datos puede acceder rápidamente un programa.

Necesidades de Memoria Ram

Memoria caché

• La Memoria Caché u oculta es una pequeña memoria extraordinariamente rápida entre la Memoria principal y el procesador en los ordenadores modernos

• Es más voluminosa y consume más energía que la Memoria RAM pero muchísimo más rápida. Tiene características similares a la RAM

• Suele estar incluida, al menos en parte, en el microprocesador

Memoria Rom

• Se llama así por la unión de las palabras Read Only Memory, Memoria sólo de Lectura.

• En Los PCs se denomina Memoria BIOS (Basic Input/Output System) Sistema Básico de Entrada/Salida.

• Es un conjunto de chips donde se guarda la información sobre la configuración de los dispositivos internos del ordenador y sobre los que están conectados.

• Contiene programas esenciales para controlar la entrada/salida de datos

• Características:

• Es de acceso aleatorio

• No volátil

• Es sólo de lectura de datos (está grabada cuando se fabrica el ordenador y no puede escribirse sobre ella)

• La BIOS de los ordenadores actuales viene preparada para autodetectar toda la información por sí sola. Se puede acceder a su menú de configuración (SETUP) pulsando la tecla Supr al encender el ordenador.

• Hay distintos tipos de memoria ROM (PROM, EPROM).

3.3. Los periféricos

Unidades o dispositivos a través de los cuales la CPU se comunica con el mundo exterior (entrada y salida de información) y los sistemas que almacenan o archivan información, sirviendo de memoria auxiliar de la Memoria Central

Definición:

Generalmente se encuentran de forma externa a la carcasa, aunque algunos (p.ej.: tarjeta de sonido) están dentro de ella.

La transferencia de información entre el procesador y los periféricos se realiza a través de:

Procesador-controlador-bus externo-slots-interfaces-periférico

El controlador es un procesador especializado de entrada/salida

Los Slots o ranuras de expansión se encuentran en la Placa Base. No son necesarios para todos los periféricos

El Interfaz realiza la conversión de información entre el procesador y el periférico. Es propio de cada periférico

En los ordenadores actuales los periféricos son dispositivos Plug & Play (conectar y ejecutar)

Periféricos de entrada

Periféricos de salida

Periféricos de Almacenamiento (Memoria Auxiliar)

¿Como funciona un ordenador?

• 1. Cuando encendemos el ordenador se activa la fuente de alimentación de corriente que da energía a los componenetes. El ordenador ejecuta la secuencia de operaciones de la Memoria ROM (BIOS) y chequea los componenetes instalados. Posteriormente, ejecuta instrucciones del SO trasladándolas a la RAM y aparece la primera pantalla (en Windows la denominada escritorio)

• 2. Podemos activar cualquier programa (lo llevamos a la memoria RAM) e introducir datos mediante periféricos de entrada. La CPU está mientras esto ocurre procesando las instrucciones y los datos, que están almacenados de forma temporal en la RAM.

• 3. Finalmente podemos dirigir los datos hacia un dispositivo de salida (p. ej.: impresora) o almacenarlos en un periférico de almacenamiento. Posteriormente podemos volver al paso 2 (abandonando antes o no de la Memoria RAM los programas y datos con los que hemos trabajado o no).

• 4. Cuando hemos finalizado, y una vez guardada la información introducida si así lo queremos, desactivamos todos los programas de la RAM y apagamos el ordenador.

4. Tipos de ordenador

Esta clasificación es difusa y se modifica con el tiempo.

Los más utilizados actualmente son los Ordenadores personales. Hay dos tipos fundamentales: PCs y Apple Macintosh. Hoy en día se han desarrollado portátiles de este tipo de ordenadores

Actualmente también se están imponiendo en el Mercado los PDA (agendas personales) que pueden conectarse y transferir información a los Ordenadores personales.

5. La comunicación entre ordenadores

El uso generalizado del ordenador en diversas actividades y por un gran número de usuarios con los mismos problemas ha contribuido a la posibilidad de establecer comunicación entre los ordenadores

Dicha comunicación tienen como finalidad dos objetivos:

Transferir información

Compartir periféricos

Cuando se intenta la conexión entre más de dos ordenadores se requiere una estructura en forma de RED.

Las REDES pueden estructurarse diversamente, dependiendo de las distancias que comunican, de los servicios que requieren y de las necesidades de los usuarios que se comunican.

La unidad que se utiliza para medir la velocidad de transmisión de datos es bits por segundo

Para conectar un ordenador en RED, necesitamos:

Tener instalado en nuestro ordenador una tarjeta de red o bien un Modem. Son dispositivos que se encargan de transmitir y recibir datos a la red.

Software de redes para gestionar y controlar las comunicaciones por la red.

Conexión a la red, bien sea mediante hilo telefónico, bien, mediante cableado (p.ej. fibra óptica).

Un ordenador al que conectarse, denominado SERVIDOR que es el que da servicio a nuestro ordenador y a otros similares.

Opcionalmente, podemos tener conectados recursos para ser compartidos.

Los modems (modulador-demodulador) pueden ser internos o externos y convierten la señal digital en analógica y viceversa.

Hay diversas posibilidades de conexión: linea básica telefónica o RTB (56 KBps), las líneas RDSI (128 KBps) o tecnología ADSL (más rápida).

Los servicios que proporciona una RED, son principalmente:

Emulación de terminal

Transferencia de ficheros (FTP)

Correo electrónico

Recursos de impresión

Recursos de almacenamiento

En una primera aproximación, podemos considerar dos grandes tipos de redes:

REDES DE PAQUETE, la conexión es a través de nodos o controladores, que se encargan de distribuir los mensajes en función del estado de las líneas. Los nodos están conectados por vías alternativas, de forma que aunque pueda fallar una de las líneas o alguna esté saturada el mensaje se sigue enviando. Los mensajes se envían divididos en paquetes y van precedidos por una cabecera que indica el destino.

REDES DE CIRCUITO RESERVADO, en estas, la información utiliza un circuito reservado, de forma que la información viaja en una corriente continua a través de una vía de uso exclusivo entre los ordenadores conectados. Se minimiza la cantidad de cable transmisor. Las redes de Circuito Reservado se caracterizan por su topología: de bus, de anillo, de estrella, de arbol, etc.

También podemos clasificar las redes en función de su amplitud:

Las redes de amplia área o WANS (Wide-Area Network) suelen ser redes de paquete, unen un gran número de ordenadores a grandes distancias, a través de países o continentes. Objetivo: transferencia de información y correo electrónico. Por ejemplo Internet.

Las redes de área local o LANS (Local-Area Network) suelen ser de circuito reservado que unen distintos ordenadores y periféricos que pueden variar de tamaño, desde unos pocos despachos o laboratorios hasta un campus universitario. Se utiliza no sólo para trasmitir y compartir información, sino también para compartir periféricos, correo interno, etc.

Cualquier conjunto de instrucciones que un ordenador es capaz de ejecutar y que dirigen su funcionamiento. Estas instrucciones se organizan en diversas unidades denominadas programas que realizan una tarea o conjunto de tareas

6. El software y sus tipos

• Definición de Software

De este modo, el concepto de software para un ordenador hace referencia al conjunto o biblioteca de programas da distinta índole disponibles para éste

• El software para una máquina está jerarquizado en una serie de niveles. Cada nivel se apoya normalmente en el anterior y utiliza parte de los recursos que el anterior pone a su disposición. Los niveles más bajos están más cerca de la gestión interna del aparato y más distantes de los resultados inmediatos o prácticos para el usuario.

Niveles de software

Primer nivel: el SISTEMA OPERATIVO, encargado de resolver todas las operaciones básicas del ordenador. Es el cimiento sobre el cual se edifica cualquier otro software. El Sistema Operativo:

Deja resueltas de antemano todas las operaciones básicas de almacenamiento y direccionamiento de entrada/salida

Ofrece un contexto donde pueden crearse y ponerse en funcionamiento todos los programas del usuario

Segundo Nivel: los LENGUAJES DE PROGRAMACION, se trata de programas para construir programas, herramientas para elaborar instrumentos informáticos

Tercer Nivel: está constituido por los programas de aplicación o APLICACIONES, que normalmente han sido construidas utilizando un lenguaje de programación. Una aplicación es un programa que hace algo útil y concreto para un usuario. Para manejar eficazmente una aplicación no es necesario conocer el lenguaje de programación con que se elaboró. Las aplicaciones más convencionales:

Proceso de palabras: permiten manipular, expresar y tratar la palabra (procesadores de texto, editores, generadores de fuentes, programas de composición…)

Proceso de imágenes: gráficos, diseño, imagen estática, tridimensional, e imagen dinámica abarcando la animación

Proceso de sonido: Aplicaciones que permiten escribir música y oírla a la vez y otros que pueden leer en voz alta cualquier texto introducido previamente, etc.

Telecomunicación: Permiten la comunicación entre ordenadores y entre ordenadores y otras muchas máquinas

Bases de datos: Se refiere a programas desarrollados para almacenar y gestionar información de cualquier tipo de forma estructurada. Permiten realizar clasificaciones, búsquedas, selecciones, sumarios, etc.

Proceso de números: Incluye hojas de cálculo, contabilidad, estadística, matemáticas, etc.

Existen otros tipos de aplicaciones que no son fácilmente clasificables (programas educativos, los dedicados al diagnostico…).

Bibliografía

Algarabel S. y Sanmartín, J. (1990) Métodos Informáticos aplicados a la Psicología. Madrid. Pirámide.

Guilera (1988) Introducción a la Informática. Barcelona. Edunsa.

Arrabal JJ. y otros (1999) Informática aplicada. Madrid. McGraw-Hill.

Martín, NB. (2000) Guia visual de introducción a la informática. Madrid. Anaya Rodríguez Vega, J. (2001) Introducción a la informática. Madrid. Anaya.

Autor:

Iván José Pablo Turmero Astros