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TEMA 2Arquitectura del PC._____Hardware______________Tecnologías de la Información y la Comunicación 1º Bachillerato1. Arquitectura de computadores.2. Codificación de la información.3. Sistemas de numeración. Conversión de datos.4. Componentes del ordenador. Hardware.4. La fuente de alimentación.4. ...

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TEMA 2 Arquitectura del PC._____ Hardware______________ Tecnologías de la Información y la Comunicación 1º Bachillerato 1. Arquitectura de computadores. 2. Codificación de la información. 3. Sistemas de numeración. Conversión de datos. 4. Componentes del ordenador. Hardware. 4.1.

La fuente de alimentación.

4.2.

La placa base.

4.3.

Microprocesador.

4.4.

Buses.

4.5.

Chipset.

4.6.

Memoria principal.

4.7.

Conectores internos y puertos.

4.8.

Disco duro.

4.9.

Periféricos.

Anexo 1: Conversión de números a distintos sistemas de numeración. Anexo 2: Actividades finales.

Tema 2. Arquitectura del PC. Hardware Tema 2. ARQUITECTURA DEL PC. HARDWARE. 1. Arquitectura de computadores. La arquitectura de los ordenadores se refiere al estudio de la estructura, el funcionamiento y el diseño de los ordenadores. Un ordenador es un dispositivo electrónico capaz de recibir instrucciones y ejecutarlas, procesando la información recibida. Un ordenador está constituido básicamente por Hardware y Software. Podemos definir el hardware como la parte física del ordenador: tanto la caja y los componentes internos (placa base, disco duro…) como los elementos conectados a él (teclado, ratón, monitor, impresora…). El software lo constituyen los programas, las instrucciones, las aplicaciones informáticas y el sistema operativo. La arquitectura de los ordenadores podríamos definirla de nuevo como la forma de seleccionar e interconectar componentes del hardware para que un software ejecute la funcionalidad deseada.

Hoy en día, los ordenadores digitales se ajustan al llamado modelo de Von Neumann, que establece que la estructura de un ordenador presenta los siguientes bloques de dispositivos: • CPU (Central Processing Unit) o unidad central de proceso. • Entradas. • Salidas. • Memoria de trabajo. • Memoria permanente. La idea fundamental de Von Neumann fue permitir que en la memoria coexistan datos con instrucciones, para que el ordenador pueda ser programado en un lenguaje determinado.

1

Tema 2. Arquitectura del PC. Hardware

Modelo MEMORIA

DATOS

INSTRUCCIONES

von B U S

D E L

S I

UNIDAD

UNIDAD

DE

CENTRAL

DE

ENTRADA/SALIDA

PROCESO

(CPU)

REGISTROS

UNIDAD ARITMÉTICO –LÓGICA

UNIDAD DE CONTROL

ALU

2. Codificación de la información. El lenguaje que entiende el ordenador es el llamado lenguaje máquina, en el que la información está codificada en forma de ceros y unos. Este lenguaje se conoce como lenguaje de bajo nivel, ya que es el único que puede entender el hardware del ordenador. Las señales que se transmiten por los cables son señales eléctricas: cuando tienen un cierto voltaje, se codifican como unos; cuando el voltaje es inferior, como ceros; y si al ordenador no le llega ningún voltaje, entenderá que ha ocurrido un error o que la línea o comunicación está cortada. Por el contrario, el llamado lenguaje de alto nivel es el que utilizan los programas o el sistema operativo como interfaz con las personas. El mecanismo que permite trasladar la información tal y como nosotros la manejamos a como la puede manejar un ordenador, y viceversa, se denomina codificación de la información. En informática, para codificar la información, se utiliza el sistema binario de numeración, en el que la mínima n unidad de información es el bit, que representa un 1 o un 0. Los múltiplos de éste son potencias de base 2: 2 : Byte (B) Kilobytes (KB)

8 bits 10 1.024 bytes = 2 bytes

Megabyte (MB)

1.024 kilobytes = 2 kilobytes

Gigabyte (GB) Terabyte (TB) Petabyte (PB)

10

10

1.024 megabytes = 2 megabytes 1.024 gigabytes = 2

10

gigabytes

10

terabytes

1.024 terabytes = 2

El código ASCII (acrónimo inglés de American Standard Code for Information Interchange — Código Estadounidense Estándar para el Intercambio de Información), es un código de caracteres basado en el alfabeto latino. Fue creado en 1963 por el Comité Estadounidense de Estándares. El código ASCII utiliza 7 bits para representar los caracteres, aunque inicialmente empleaba un bit adicional (bit de paridad) que se usaba para detectar errores en la transmisión. Existe una extensión que utiliza 8 bits para proporcionar caracteres adicionales usados en idiomas distintos al inglés, como el español. Casi todos los sistemas informáticos actuales utilizan el código ASCII o una extensión compatible para representar textos y para el control de dispositivos que manejan texto como el teclado. En la actualidad define

2

Tema 2. Arquitectura del PC. Hardware códigos para 33 caracteres no imprimibles, de los cuales la mayoría son caracteres de control obsoletos que tienen efecto sobre cómo se procesa el texto, más otros 95 caracteres imprimibles que les siguen en la numeración (empezando por el carácter espacio). El código ASCII reserva los primeros 32 códigos (numerados del 0 al 31 en decimal) para caracteres de control: códigos no pensados originalmente para representar información imprimible, sino para controlar dispositivos (como impresoras) que usaban ASCII. Por ejemplo, el carácter 10 representa la función "nueva línea" (line feed), que hace que una impresora avance el papel, y el carácter 27 representa la tecla "escape" que a menudo se encuentra en la esquina superior izquierda de los teclados comunes.

3. Sistemas de numeración. Conversión de datos. Un sistema de numeración es un conjunto de símbolos y reglas que permiten representar datos numéricos. Los sistemas de numeración actuales son sistemas posicionales, que se caracterizan porque un símbolo tiene distinto valor según la posición que ocupa en la cifra. Sistema de numeración decimal El sistema de numeración que utilizamos habitualmente es el decimal, que se compone de diez símbolos o dígitos (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9) a los que otorga un valor dependiendo de la posición que ocupen en la cifra: unidades, decenas, centenas, millares, etc. El valor de cada dígito está asociado al de una potencia de base 10, número que coincide con la cantidad de símbolos o dígitos del sistema decimal, y un exponente igual a la posición que ocupa el dígito menos uno, contando desde la derecha. En el sistema decimal el número 528, por ejemplo, significa: 5 centenas + 2 decenas + 8 unidades, es decir:

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Tema 2. Arquitectura del PC. Hardware 2 1 0 5*10 + 2*10 + 8*10 o, lo que es lo mismo: 500 + 20 + 8 = 528 En el caso de números con decimales, la situación es análoga aunque, en este caso, algunos exponentes de las potencias serán negativos, concretamente el de los dígitos colocados a la derecha del separador decimal. Por ejemplo, el número 8245,97 se calcularía como: 8 millares + 2 centenas + 4 decenas + 5 unidades + 9 décimos + 7 céntimos 3

2

1

0

-1

-2

8*10 + 2*10 + 4*10 + 5*10 + 9*10 + 7*10 , es decir: 8000 + 200 + 40 + 5 + 0,9 + 0,07 = 8245,97 Sistema de numeración binario El sistema de numeración binario utiliza sólo dos dígitos, el cero (0) y el uno (1). En una cifra binaria, cada dígito tiene distinto valor dependiendo de la posición que ocupe. El valor de cada posición es el de una potencia de base 2, elevada a un exponente igual a la posición del dígito menos uno. Se puede observar que, tal y como ocurría con el sistema decimal, la base de la potencia coincide con la cantidad de dígitos utilizados (2) para representar los números. De acuerdo con estas reglas, el número binario 1011 tiene un valor que se calcula así: 3

2

1

0

1*2 + 0*2 + 1*2 + 1*2 , es decir: 8 + 0 + 2 + 1 = 11 y para expresar que ambas cifras describen la misma cantidad lo escribimos así: 10112 = 1110 La cantidad de dígitos necesarios para representar un número en el sistema binario es mayor que en el sistema decimal. En el ejemplo del párrafo anterior, para representar el número 77, que en el sistema decimal está compuesto tan sólo por dos dígitos, han hecho falta siete dígitos en binario. Para representar números grandes harán falta muchos más dígitos. Por ejemplo, para representar números mayores de 255 se necesitarán más de ocho dígitos, porque 28 = 256 y podemos afirmar, por tanto, que 255 es el número más grande que puede representarse con ocho dígitos. n

Como regla general, con n dígitos binarios pueden representarse un máximo de 2 , números. El número más n–1 grande que puede escribirse con n dígitos es una unidad menos, es decir, 2 . Con cuatro bits, por ejemplo, 4 pueden representarse un total de 16 números, porque 2 = 16 y el mayor de dichos números es el 15, porque 24-1 = 15. Sistema de numeración octal El inconveniente de la codificación binaria es que la representación de algunos números resulta muy larga. Por este motivo se utilizan otros sistemas de numeración que resulten más cómodos de escribir: el sistema octal y el sistema hexadecimal. Afortunadamente, resulta muy fácil convertir un número binario a octal o a hexadecimal. En el sistema de numeración octal, los números se representan mediante ocho dígitos diferentes: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7. Cada dígito tiene, naturalmente, un valor distinto dependiendo del lugar que ocupen. El valor de cada una de las posiciones viene determinado por las potencias de base 8. Por ejemplo, el número octal 2738 tiene un valor que se calcula así: 3

2

1

2*8 + 7*8 + 3*8 = 2*512 + 7*64 + 3*8 = 149610 2738 = 149610 Sistema de numeración hexadecimal En el sistema hexadecimal los números se representan con dieciséis símbolos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B,

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Tema 2. Arquitectura del PC. Hardware C, D, E y F. Se utilizan los caracteres A, B, C, D, E y F representando las cantidades decimales 10, 11, 12, 13, 14 y 15 respectivamente, porque no hay dígitos mayores que 9 en el sistema decimal. El valor de cada uno de estos símbolos depende, como es lógico, de su posición, que se calcula mediante potencias de base 16. Calculemos, a modo de ejemplo, el valor del número hexadecimal 1A3F16: 3

2

1

0

1A3F16 = 1*16 + A*16 + 3*16 + F*16

1*4096 + 10*256 + 3*16 + 15*1 = 6719 1A3F16 = 671910

La importancia del sistema decimal radica en que se utiliza universalmente para representar cantidades fuera de un sistema digital. Es decir, que habrá situaciones en las cuales los valores decimales tengan que convertirse en valores binarios antes de que se introduzcan en un sistema digital. También habrá situaciones en que los valores binarios de las salidas de un circuito digital tengan que convertirse a valores decimales para presentarse al mundo exterior (Ver anexo I: Conversión de números a distintos sistemas de numeración).

4. Componentes del ordenador. Hardware. Los principales componentes del hardware son la caja o torre y los periféricos. En la caja o torre se encuentran los componentes informáticos que constituyen el núcleo del ordenador. De forma coloquial se le llama también CPU (de Central Processing Unit o Unidad Central de Procesos) aunque lo correcto es reservar dicho término para referirse al microprocesador, que es el componente más importante que hay dentro de la caja. Los periféricos son componentes informáticos que permiten al ordenador comunicarse con el exterior. Los más usuales son: teclado, ratón, monitor, impresora, escáner, altavoces,…

4.1. La fuente de alimentación. Los ordenadores, como todos los aparatos electrónicos (teléfonos móviles, televisores, vídeos, etc.) funcionan con corriente continua. Sin embargo, la corriente que se genera en las centrales eléctricas y llega a los consumidores es corriente alterna. Por tanto, para hacer funcionar un aparato electrónico con la corriente de un enchufe, hay que convertir la corriente alterna que éste proporciona en corriente continua. A esta operación se le llama rectificación de la corriente alterna y se hace con un dispositivo que se llama fuente de alimentación. Otra de las funciones de una fuente de alimentación es reducir la tensión que recibe de la red, de 230 V, al valor que necesita el aparato electrónico para funcionar, normalmente entre 3 y 12 V.

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Tema 2. Arquitectura del PC. Hardware

La Fuente de alimentación dispone de varias salidas de corriente continua, con diferentes valores de tensión, así como de conectores para alimentar a la placa base, discos duros, CD y DVD, disquetera y ventiladores. Debido a que la fuente de alimentación realiza un trabajo, se calienta. Para evitar que se caliente en exceso, tiene un ventilador que recoge aire frío del exterior y lo hace pasar por su interior.

4.2. La placa base. Es uno de los principales componentes del ordenador. Se trata de una placa de plástico con un circuito grabado en su superficie (un circuito impreso). En ella se conectan todos los elementos del ordenador: microprocesador, memorias RAM y ROM, discos duros, lectores-grabadores de CD y DVD, etc.

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Tema 2. Arquitectura del PC. Hardware

La placa base tiene dos funciones: • Servir de soporte: algunos de los componentes del ordenador están sujetos o soldados a la placa base, que les proporciona un soporte físico. Es el caso del microprocesador, de las memorias RAM y ROM, de las tarjetas de vídeo,… • Permitir la comunicación entre los diversos elementos del ordenador. En la superficie de la placa base, hay conductores de cobre, pistas, que permiten que circulen los datos en forma de impulsos eléctricos. Toda la información que procesa el ordenador, pasa por la placa base.

4.3. Microprocesador. El microprocesador es un chip o circuito integrado que hace las funciones de cerebro del ordenador. Tiene en su interior millones de transistores y otros componentes electrónicos que le permiten manejar gran cantidad de información y realizar cálculos matemáticos a gran velocidad y con una gran precisión. Por ejemplo, los microprocesadores 8086, usados en 1980, contenían entre 10 y 100 transistores, mientras que los actuales Dual-Core y Quad-Core contienen más de 400 millones y más de 800 millones de transistores respectivamente.

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Tema 2. Arquitectura del PC. Hardware El microprocesador se encarga de recibir toda la información procedente de los periféricos de entrada, procesarla y enviar los resultados a los periféricos de salida. El chip está recubierto de una cápsula cerámica que lo protege. En su parte inferior dispone de cientos de patas, o pines, que sirven para conectarlo, a través del zócalo, con el resto de componentes del ordenador.

El microprocesador se aloja en la placa base, en un zócalo (también llamado socket o slot) preparado especialmente para acogerlo y que permite que pueda ser fácilmente sustituido en caso de necesidad. Este zócalo tiene tantos agujeros como patas tiene el microprocesador. La comunicación con el resto de componentes del ordenador se realiza a través de la placa base. Debido al funcionamiento de los millones de transistores, el microprocesador se calienta, por lo que el ordenador suele utilizar un ventilador situado encima de él con para refrigerarlo.

Los principales fabricantes de microprocesadores son Intel y AMD, aunque pueden encontrarse otras marcas como Motorola o Texas Instruments. Algunos procesadores INTEL: Celeron, Pentium, Atom, Xeon, Core 2 Duo, Intel i3, i5, i7 (generaciones 1-7). En la CPU se distinguen tres partes principales:  La Unidad de Control (UC). Se encarga de dirigir y coordinar todos los elementos del ordenador y de la ejecución de las instrucciones de los programas. Cuando llega una instrucción de un programa la interpreta o decodifica, y activa o desactiva los componentes necesarios para que se ejecute la acción indicada en la instrucción. Por ejemplo, si la instrucción indica que se muestre un valor en pantalla, se

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   

Tema 2. Arquitectura del PC. Hardware activará la pantalla y se enviará el valor que tiene que mostrar, apareciendo el dato en pantalla. La UC detecta cuando hacemos clic con el ratón, cuando pulsamos una tecla.. La Unidad Aritmético-Lógica (ALU). Realiza las operaciones aritméticas (cálculos, como +,-,*,/..) y lógicas (comparaciones, por ejemplo, comprobar si un número es mayor que otro). Los registros del procesador: contienen los datos con los que la CPU opera temporalmente. Pueden ser de 32 o 64 bits. El reloj: es una señal de sincronización entre varios circuitos. Emite pulsos a intervalos iguales. La memoria Caché: Es un tipo de memoria volátil (del tipo RAM), pero de una gran velocidad. En la actualidad esta memoria está integrada en el procesador y almacena los datos que éste necesita durante la ejecución de un programa para evitar tener que salir a memoria RAM (más lenta) a buscarlos. Hoy día existen tres niveles de caché: o Caché de 1er nivel (L1): está integrada en el núcleo del procesador, trabajando a la misma velocidad que éste. La cantidad de caché L1 varia de un procesador a otro, estando normalmente entre lo 64KB y los 256KB. Esta memoria suele estar dividida en dos partes dedicadas, una para instrucciones y otra para datos. o Caché de 2º nivel 2 (L2): integrada también en el procesador, aunque no directamente en el núcleo de éste, tiene las mismas ventajas que la caché L1, mayor capacidad (hasta 2MB), aunque es algo más lenta. A diferencia de la L1, esta no está dividida, y su uso está más encaminado a programas que al sistema. o Caché de 3er nivel (L3): algo más lenta que la caché L2, pero aún mucho mas rápida que la memoria RAM. Suele estar en torno a los 8MB, y sirve para alimentar a la caché L2. Primero se busca el dato en la L1, si no se encuentra, busca en la L2 , si no está allí busca en la L3, y si no va a la RAM. Cada núcleo del procesador tiene su propia caché L1 y L2, pero la caché L3 está compartida por todos los núcleos del procesador.

Las principales características que definen a los microprocesadores son: • Velocidad interna. Es el número de instrucciones que es capaz de procesar, internamente, por unidad de tiempo. Se mide en hercios (Hz). Mientras que los procesadores 8086 mencionados anteriormente funcionaban a una velocidad de entre 8 y 16 MHz, los Dual-Core trabajan a más de 3 GHz. • Velocidad externa. También llamada velocidad FSB o velocidad del bus , es aquella a la que el microprocesador se comunica con la placa base. • Cantidad de Memoria caché. Existe un desajuste entre la velocidad del microprocesador y la velocidad de acceso a la memoria principal, ya que el microprocesador se ha desarrollado más rápidamente que las memorias y alcanza velocidades muy superiores. La solución que se ha encontrado es introducir entre el microprocesador y la memoria principal una memoria pequeña pero muy rápida, la memoria caché. Un microprocesador de múltiple núcleo consiste en un chip (un solo encapsulado) con varios microprocesadores físicos en su interior (cada uno con su propia caché). La tecnología Hyper Theading es aquella que permite que un procesador maneje dos conjuntos de instrucciones independientes. El procesador dispone de dos conjuntos de registros independientes pero comparten la caché, las unidades funcionales y los buses. 4.4. Buses. Son la red de canales que permite el intercambio de datos, a través de la placa base, entre todos los dispositivos conectados al ordenador. Los tres tipos de bus son: •

Bus de datos. Son los cables o pistas por los cuales circula la información. Es bidireccional, es decir, los datos entran y salen de la CPU hacia todas las unidades.

•

Bus de dirección. Una línea utilizada para determinar a dónde debe ir el flujo de información, a la...