3. Unidades funcionales de una Computadora

3. Unidades funcionales de una Computadora
3.1 Computadora (UNLP)
Una Computadora es una máquina digital y sincrónica, con cierta
capacidad de cálculo numérico y lógico, controlada por un programa almacenado,
y con posibilidad de comunicación con el mundo exterior.
¿Qué significa esto?
Es digital porque dentro de la computadora las señales eléctricas que se
manejan y la información que se procesa se representa en forma discreta, por
medio de valores binarios (0 y 1).
Además se afirma que es sincrónica, es decir que realiza las operaciones
coordinada por un reloj central que envía pulsos de sincronismo a todos los
elementos que componen la computadora. Esto significa que todas las
operaciones internas se realizan en instantes de tiempo predefinidos y
coordinados con el reloj.
Internamente posee una capacidad de cálculo numérico y lógico, en un
subsistema conocido como unidad aritmético-lógica (UAL). Normalmente las
operaciones que pueden realizarse en ella son muy simples (suma, disyunción,
conjunción, comparaciones).
El hecho de que sea controlada por programas es quizás el punto más
importante que diferencia a una computadora de una calculadora. Significa que
internamente se tienen órdenes o instrucciones almacenadas, que la computadora
podrá leer, interpretar y ejecutar ordenadamente.
Además, está comunicada con el mundo real, que es analógico. Esto
significa que puede realizar operaciones de entrada y salida con el mundo real, a
través de dispositivos periféricos (por ejemplo el teclado o mouse para entrada de
información, y pantalla como salida)
La computadora es una máquina que cambia información de una forma a
otra: recibe información (entrada), la transforma, y proporciona información
(salida). Esta información puede presentarse de muchas formas, lo que convierte
a la computadora en una máquina sumamente versátil, que es capaz desde
liquidar impuestos hasta guiar el recorrido de una nave espacial. En cada caso las
entradas y salidas son totalmente distintas, y en esto radica lo sorprendente de
poder usar una computadora para ambas actividades.
Esta versatilidad está dada en que la máquina está controlada por un
programa, que establece las instrucciones que le indican a las partes físicas qué
deben hacer para transformar los datos de entrada en la salida requerida. El
programa controla todo el proceso, del principio al fin: podemos modificar su
funcionamiento con solo cambiar el programa.
3.2 Máquina de Von Neumann
En el año 1946, John Louis Von Neumann -junto a otros colaboradoresescribió un artículo de investigación titulado "First Draft of a Report of the EDVAC".
En el mencionado documento se expresaban algunas ideas acerca de como debía
operar una computadora. A tales conceptos, derivados del artículo, se los conoce
con el nombre de Máquina o Arquitectura de Von Neumann; y han brindado las
bases para la construcción y el desarrollo de computadoras hasta los días
actuales.
Hasta antes de Von Neumann la programación de una computadora
consistía directamente en la reordenación física de sus componentes. La
arquitectura Von Neumann se fundamenta en el concepto de programa
almacenado; donde de forma revolucionaria, plantea que las instrucciones y los
datos tenían que almacenarse juntos en un medio común y uniforme denominado memoria-, en vez de estar separados. Así las instrucciones y los
datos podían leerse y escribirse bajo el control del programa. Nótese que un
elemento de memoria o celda tiene una calidad ambigua con respecto a su
interpretación -es instrucción o dato-; esta ambigüedad se resuelve al momento de
la ejecución del programa almacenado, debido a que él mismo determinará qué
celdas contienen datos y cuales instrucciones.
Un segundo concepto, introducido por Von Neumann, es la ruptura de
secuencia. Se dotó a la computadora de una instrucción denominada "salto
condicional", donde según el resultado de una operación, se ejecutaría la siguiente
instrucción u otra.
Junto con la arquitectura se definió el ciclo de trabajo de una computadora
(conjunto de pasos a realizar para ejecutar una instrucción de programa), que en
su forma simple consta de las siguientes operaciones:
Mientras haya instrucciones {
Tomar de la memoria la siguiente instrucción.
Decodificar la instrucción.
Tomar de la memoria él o los operandos asociados.
Ejecutar la operación.
Almacenar en memoria los resultados.
}
A la computadora debe considerársela como una máquina procesadora de
información capaz de transformar un programa escrito en un lenguaje de alto nivel
-generalmente expresado en lenguaje natural- en un programa en lenguaje que el
hardware pueda decodificar y ejecutar. La tarea de conversión de lenguaje de alto
nivel a lenguaje de máquina la debe realizar un programa denominado compilador.
En principio el hardware de un sistema se puede estructurar en tres partes
claramente diferenciadas: la Unidad Central de Proceso (CPU o UCP), la
memoria principal, y los dispositivos de entrada/salida. Todos estos
elementos están conectados entre sí por los buses de comunicaciones. La
unidad de entrada es el dispositivo por donde se introducen en la computadora los
datos y las instrucciones. La unidad de salida de datos es un dispositivo donde se
obtienen los resultados de los programas ejecutados en la computadora.
Una forma alternativa de ver la computadora se presenta en el siguiente
gráfico. Se han agregado los buses de comunicaciones que permiten solicitar,
almacenar datos y controlar los dispositivos. Nótese el sentido del flujo de
información sobre los buses.
Bus Control
Bus de datos
Bus de direcciones
UCP
Memoria
de
trabajo
Unidad
Central
de
Proceso
Periférico
de
E/S
Periférico
de
E/S
A mayor detalle, la máquina propuesta por Von Neumann consiste de los
siguientes elementos:
(a) una memoria principal
(b) una Unidad Central de Proceso (UCP o CPU que contiene:
(b1) una Unidad Aritmético Lógica (UAL) , cuya finalidad es ejecutar
todas las operaciones aritméticas y lógicas,
(b2) una Unidad de Control (UC) , cuya función básica es la de gerenciar
el ciclo de trabajo descripto anteriormente.
(b3) un conjunto de registros
(c) líneas de transferencia (buses) de datos, direcciones de memoria y
control
(d) dispositivos de entrada/salida
La UAL y la UC conforman al procesador o microprocesador.
3.2.1 Memoria principal
La memoria es el componente responsable por el almacenamiento
de los datos e instrucciones que componen un programa. Se trata de un
conjunto finito de celdas del mismo tamaño, cada una identificada con una
dirección, que pueden almacenar datos o instrucciones de programa
La unidad básica de almacenamiento en una memoria es un bit. Una
celda de una memoria puede almacenar n bits.
De forma estándar una celda de tamaño mínimo está compuesta por
1 byte (8 bits) y se puede almacenar 1 de 2^8 valores diferentes.
Si bien se describió la memoria principal (por su importancia dentro
del esquema de Von Neumann) no es el único tipo de memoria existente en
una computadora moderna. La necesidad de obtener una capacidad de
almacenamiento permanente y de optimizar determinados procesos hace
que los fabricantes desarrollen diferentes tipos de memorias, con diferentes
tecnologías y capacidades específicas.
Por ejemplo, existen memorias de almacenamiento permanente
(generalmente conocidas como memorias secundarias que permiten
“guardar” los datos y los programas aún luego de finalizada una sesión de
trabajo y apagada la computadora. Actualmente, esta tarea la cumplen
dispositivos denominados discos rígidos y son el complemente necesario
de la memoria principal ya que permiten almacenar grandes volúmenes de
datos que se utilizan en la computadora en diferentes momentos.
Además de la RAM, existe un segundo tipo de memoria, de solo
lectura, denominada ROM; sobre la cual los fabricantes graban programas
y datos básicos para el funcionamiento de la computadora.
3.2.2 Unidad Central de Proceso
La CPU o UCP contiene los siguientes tres módulos:



la memoria
la unidad aritmética y lógica
y la unidad de control
La UAL y la UC conforman al procesador o microprocesador.
3.2.2.1 Unidad Aritmético y Lógica
La unidad aritmética y lógica es el componente encargado de
realizar las operaciones tanto aritméticas (suma, resta,
multiplicación, división) como lógicas (and, or, not) derivadas de la
ejecución de un programa y es dirigida por la Unidad de Control.
Dispone de un conjunto de registros internos que la auxilian
en la tarea de cálculo. Tales registros se utilizan a los efectos de
traer datos de memoria y almacenar temporalmente resultados para
luego copiarlos a memoria. En resumen, la UAL comprende:

Varios registros de memoria llamados acumuladores,
donde se almacenan los resultados parciales de las
operaciones .

Circuitos dedicados a la suma, resta, multiplicación,
división, comparación y testeo.
3.2.2.2 Unidad de Control
Componente que controla el ciclo de procesamiento,
coordinando todas las actividades de la computadora. Cada vez que
se requiere ejecución de una instrucción, la UC reconoce la misma,
carga los operandos,
ejecuta la instrucción y almacena los
resultados. Posee, de forma embutida o empotrada, el conjunto de
instrucciones primitivas (microinstrucciones) que el procesador es
capaz de interpretar y ejecutar (que normalmente es bastante
reducido).
La sincronización entre las etapas que componen el ciclo es
realizada por un reloj común a todos los componentes.
3.2.3 Líneas de comunicación - Buses
Los periféricos de entrada/salida representan a los dispositivos que
permiten la comunicación con el exterior (Ej, módulo controlador de teclado,
vídeo, reproducción de sonido, etc). A los efectos de interconectar todos los
módulos se implementa un cableado denominado sistema de bus.
Un sistema de bus está compuesto por el conjunto de caminos
compartidos que permiten la interconexión de los distintos componentes: UCP,
memoria y periféricos de entrada/salida. Un bus está formado por un conjunto
de líneas eléctricas que permiten la transmisión de datos en paralelo.
Hay tres tipos de buses:

de datos: por donde, de forma bidireccional, fluyen los datos entre
las distintas partes de la computadora.

de direcciones, por donde viajan las direcciones de memoria
sobre las cuales se quiere leer o escribir.

de control, por donde viajan señales que controlan el acceso y el
uso a los buses de datos y de direcciones. Señales de control
pueden ser: escribir en memoria, leer de memoria, escribir o leer
en un dispositivo de entrada/salida, etc.
3.2.4 Dispositivos de entrada/salida
Las operaciones de entrada/salida son las encargadas de controlar y
realizar el intercambio de información entre la computadora y el mundo
exterior. Para realizar este intercambio se deben conocer los siguientes
ítems:
1. a qué dispositivo se quiere acceder,
2. el estado de ese dispositivo y
3. qué operación hay que realizar.
Existen una gran variedad de dispositivos de entrada/salida, con
características muy diferentes a las de la CPU. La velocidad de transmisión
de los periféricos es mucho menor que la velocidad de operación de una
CPU, los periféricos poseen velocidades muy diferentes entre sí.
En un dispositivo de entrada/salida se distinguen tres
componentes:
1. Interfase: Se encarga de gestionar el intercambio de información entre el
dispositivo periférico y la CPU.
2. Controlador: Gestiona directamente el dispositivo físico.
3. Periféricos: El dispositivo de entrada/salida propiamente dicho.
Controlador
teclado
Memoria
Principal
Procesador
Interfase
E/S
Teclado
Controlador
monitor
Monitor
Controlador
disco
Disco
CPU
Los periféricos son los dispositivos que hacen posible el
intercambio de información entre la computadora y el mundo exterior.
Se clasifican en:

Unidades de entrada

Unidades de salida

Unidades de Entrada/Salida
Periféricos de entrada:
Son los encargados de introducir los datos y los programas
desde el exterior a la memoria principal para que puedan ser
utilizados por la computadora. Transforman los datos introducidos en
códigos binarios que pueden ser entendidos y procesados por la
computadora.
Ejemplos:
1.
2.
3.
4.
5.
Teclado. Es similar al teclado de una máquina de escribir y
cuenta además con algunas teclas de controles y funciones.
Mouse. Es un dispositivo que al ser desplazado sobre una
superficie permite mover el cursor por la pantalla. Existen los
de sistema mecánico y de sistema óptico.
Sensores. Este tipo de periféricos incluye a las pantallas
táctiles, capaces de seleccionar distintas opciones
reconociendo el tacto sobre distintas zonas de la pantalla.
También podemos encontrar otro tipo de sensores como el
lápiz óptico, que cuando se posa en la pantalla reconoce la
posición que ocupa mediante una medición de la luminosidad
que recibe, la tableta gráfica, similar a una pizarra provista de
un lápiz (los trazos sobre la tableta aparecen en la pantalla del
computador), etc.
Escáner. Permite digitalizar imágenes planas (fotografías o
texto) y archivarlas.
Otros: lector de tarjetas magnéticas, lector de marcas ópticas,
joystick, reconocedor de voz, cámara de video, pantalla
sensible al tacto, etc.
Periféricos de salida:
Son los encargados proporcionar al exterior los datos de
salida o resultados de los procesos que se realizan en la
computadora.
Ejemplos:
1.
2.
3.
Pantalla o monitor. Es el principal instrumento de
comunicación entre la computadora y el usuario. Su
constitución física es similar a la del tubo de imagen de un
televisor.
Plotter. Permite realizar gráficos de alta precisión como mapas
o diseños técnicos.
Impresora. Su misión es proporcionar copias impresas en
papel de la información guardada en la computadora. Hay
diversos tipos de impresoraa, entre los que destacan las
impresoras de matriz de puntos, de chorro de tinta y las
impresoras láser.
Periféricos de entrada/salida:
A través de ellos se intercambia información con la CPU en
ambos sentidos. Un subconjunto importante de estos corresponde a
los dispositivos de almacenamiento.
Ejemplos:
1.
2.
Modem. Es un dispositivo que permite la comunicación de una
computadora con otra a través de la línea telefónica (red
conmutada) o a través de líneas destinadas en forma exclusiva
(líneas punto a punto). Para ello convierte los datos binarios en
señales moduladas de baja frecuencia. Su nombre procede de
su doble función: MOdulador, DEModulador. Su velocidad se
mide en baudios, que equivalen aproximadamente a bits por
segundo, al incluir las necesarias señales de control.
De almacenamiento: Disquetera, discos rígidos, discos ópticos,
unidades de cinta. Los perifericos de almacenamiento son
también conocidos como memorias secundarias y memorias
auxiliares. La mayoría de estos dispositivos almacenan la
información de forma magnética. El primero de todos los
dispositivos de almacenamiento magnético fue la unidad
(lectora y grabadora) de cinta magnética, y posteriormente se
desarrollaron las unidades de discos fijos o discos duros y las
unidades de discos flexibles. En una cinta magnética el acceso
a la información es secuencial (tenemos que hacer correr la
cinta hasta que aparezca la información que buscamos); esto
hace que sea un medio muy lento. Generalmente las cintas
magnéticas, debido a su gran capacidad, se utilizan para hacer
periodicamente copias de seguridad (backup) de la información
almacenada en los discos duros del computador. Los discos
magnéticos reciben este nombre porque su superficie es
magnética y son dispositivos de acceso directo, esto es, no
tenemos que recorrer toda la información que hay delante de
la que necesitamos. Los discos magnéticos necesitan
organizarse lógicamente para poder albergar información de
un modo ordenado; dar formato a un disco magnético es
dotarlo de la organización lógica necesaria. La información se
almacena siguiendo círculos concéntricos llamados pistas que
a su vez se dividen en sectores. Para indicar una dirección se
especifica la pista y el sector donde comienza la información.
Entre los distintos tipos de disco destacan los discos
duros (hard disk ), que disponen de una gran capacidad de
almacenamiento. Suelen ser fijos (no se pueden extraer del
computador) y suelen contener el sistema operativo y los
programas de uso más común. Los discos flexibles o
diskettes, son extraibles y por eso pueden ser usados para
transferir información de una computadora a otra. Estos discos
tienen una capacidad mucho menor que un disco duro y el
tiempo de acceso a la información almacenada es bastante
grande.
Asimismo podemos distinguir entre periféricos locales y periféricos
remotos, según su conexión a la computadora. Un periférico local, como el
mouse, se encuentra cerca de la CPU conectado mediante cables que
hacen las veces de prolongador de los buses de la computadora. Para un
periférico remoto, como una impresora láser, la conexión se realiza a través
de una red de comunicaciones.