Microprocesador

Microprocesador
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Uno de los actuales microprocesadores de 64 bits y doble núcleo, un AMD Athlon 64 X2 3600.
El microprocesador es un circuito integrado que contiene algunos o todos los elementos hardware, y el de
CPU, que es un concepto lógico. Una CPU puede estar soportada por uno o varios microprocesadores, y un
microprocesador puede soportar una o varias CPU. Un núcleo suele referirse a una porción del procesador
que realiza todas las actividades de una CPU real.
El proceso de fabricación de un microprocesador es muy complejo. Todo comienza con un buen puñado de
arena (compuesta básicamente de silicio), con la que se fabrica un monocristal de unos 20 x 150
centímetros. Para ello, se funde el material en cuestión a alta temperatura (1.370 °C) y muy lentamente (10 a
40 Mm por hora) se va formando el cristal.
Funcionamiento
Desde el punto de vista lógico, singular y funcional, el microprocesador está compuesto básicamente por:
varios registros, una unidad de control, una unidad aritmético-lógica, y dependiendo del procesador, puede
contener una unidad en coma flotante.
El microprocesador ejecuta instrucciones almacenadas como números binarios organizados secuencialmente
en la memoria principal. La ejecución de las instrucciones se puede realizar en varias fases:
•
•
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•
PreFetch, pre lectura de la instrucción desde la memoria principal.
Fetch, envío de la instrucción al decodificador
Decodificación de la instrucción, es decir, determinar qué instrucción es y por tanto qué se debe
hacer.
Lectura de operandos (si los hay).
Ejecución, lanzamiento de las máquinas de estado que llevan a cabo el procesamiento.
Escritura de los resultados en la memoria principal o en los registros.
Cada una de estas fases se realiza en uno o varios ciclos de CPU, dependiendo de la estructura del
procesador, y concretamente de su grado de segmentación. La duración de estos ciclos viene determinada
por la frecuencia de reloj, y nunca podrá ser inferior al tiempo requerido para realizar la tarea individual
(realizada en un solo ciclo) de mayor coste temporal. El microprocesador se conecta a un circuito PLL,
normalmente basado en un cristal de cuarzo capaz de generar pulsos a un ritmo constante, de modo que
genera varios ciclos (o pulsos) en un segundo. Este reloj, en la actualidad, genera miles de MHz.
El primer paso, leer (fetch), implica el recuperar una instrucción, (que es representada por un número o una
secuencia de números), de la memoria de programa. La localización en la memoria del programa es
determinada por un contador de programa (PC), que almacena un número que identifica la posición actual
en el programa. En otras palabras, el contador de programa indica al CPU, el lugar de la instrucción en el
programa actual. Después de que se lee una instrucción, el Contador de Programa es incrementado por la
longitud de la palabra de instrucción en términos de unidades de memoria.[2] Frecuentemente la instrucción a
ser leída debe ser recuperada de memoria relativamente lenta, haciendo detener al CPU mientras espera que
la instrucción sea retornada. Este problema es tratado en procesadores modernos en gran parte por los cachés
y las arquitecturas pipeline (ver abajo).
La instrucción que el CPU lee desde la memoria es usada para determinar qué deberá hacer el CPU. En el
paso de decodificación, la instrucción es dividida en partes que tienen significado para otras unidades del
CPU. La manera en que el valor de la instrucción numérica es interpretado está definida por la arquitectura
del conjunto de instrucciones (el ISA) del CPU.[3] A menudo, un grupo de números en la instrucción,
llamados opcode, indica qué operación realizar. Las partes restantes del número usualmente proporcionan
información requerida para esa instrucción, como por ejemplo, operandos para una operación de adición.
Tales operandos se pueden dar como un valor constante (llamado valor inmediato), o como un lugar para
localizar un valor, que según lo determinado por algún modo de dirección, puede ser un registro o una
dirección de memoria. En diseños más viejos las unidades del CPU responsables de decodificar la
instrucción eran dispositivos de hardware fijos. Sin embargo, en CPUs e ISAs más abstractos y complicados,
es frecuentemente usado un microprograma para ayudar a traducir instrucciones en varias señales de
configuración para el CPU. Este microprograma es a veces reescribible de tal manera que puede ser
modificado para cambiar la manera en que el CPU decodifica instrucciones incluso después de que haya
sido fabricado.
Diagrama de bloques de un CPU simple
Después de los pasos de lectura y decodificación, es llevado a cabo el paso de la ejecución de la instrucción.
Durante este paso, varias unidades del CPU son conectadas de tal manera que ellas pueden realizar la
operación deseada. Si, por ejemplo, una operación de adición fue solicitada, una unidad aritmético lógica
(ALU) será conectada a un conjunto de entradas y un conjunto de salidas. Las entradas proporcionan los
números a ser sumados, y las salidas contendrán la suma final. La ALU contiene la circuitería para realizar
operaciones simples de aritmética y lógica en las entradas, como adición y operaciones de bits (bitwise). Si
la operación de adición produce un resultado demasiado grande para poder ser manejado por el CPU,
también puede ser ajustada una bandera (flag) de desbordamiento aritmético localizada en un registro de
banderas (ver abajo la sección sobre rango de números enteros).
El paso final, la escritura (writeback), simplemente "escribe" los resultados del paso de ejecución a una
cierta forma de memoria. Muy a menudo, los resultados son escritos a algún registro interno del CPU para
acceso rápido por subsecuentes instrucciones. En otros casos los resultados pueden ser escritos a una
memoria principal más lenta pero más barata y más grande. Algunos tipos de instrucciones manipulan el
contador de programa en lugar de directamente producir datos de resultado. Éstas son llamadas
generalmente "saltos" (jumps) y facilitan comportamientos como bucles (loops), la ejecución condicional de
programas (con el uso de saltos condicionales), y funciones en programas.[4] Muchas instrucciones también
cambiarán el estado de dígitos en un registro de "banderas". Estas banderas pueden ser usadas para
influenciar cómo se comporta un programa, puesto que a menudo indican el resultado de varias operaciones.
Por ejemplo, un tipo de instrucción de "comparación" considera dos valores y fija un número, en el registro
de banderas, de acuerdo a cuál es el mayor. Entonces, esta bandera puede ser usada por una posterior
instrucción de salto para determinar el flujo de programa.
Después de la ejecución de la instrucción y la escritura de los datos resultantes, el proceso entero se repite
con el siguiente ciclo de instrucción, normalmente leyendo la siguiente instrucción en secuencia debido al
valor incrementado en el contador de programa. Si la instrucción completada era un salto, el contador de
programa será modificado para contener la dirección de la instrucción a la cual se saltó, y la ejecución del
programa continúa normalmente. En CPUs más complejos que el descrito aquí, múltiples instrucciones
pueden ser leídas, decodificadas, y ejecutadas simultáneamente. Esta sección describe lo que es referido
generalmente como el "entubado RISC clásico" (Classic RISC pipeline), que de hecho es bastante común
entre los CPU simples usados en muchos dispositivos electrónicos, a menudo llamados microcontroladores.
Empaquetado
Empaquetado de un procesador Intel 80486 en un empaque de cerámica
Los microprocesadores son circuitos integrados y como tal están formados por un chip de silicio y un
empaque con conexiones eléctricas. En los primeros procesadores el empaque se fabricaba con plásticos
epóxidos o con cerámicas en formatos como el DIP entre otros. El chip se pegaba con un material
térmicamente conductor a una base y se conectaba por medio de pequeños alambres a unas pistas terminadas
en pines. Posteriormente se sellaba todo con una placa metálica u otra pieza del mismo material de la base
de manera que los alambres y el silicio quedaran encapsulados.
En procesadores como los Intel y AMD de las series Pentium I (mediados de los 90) y compatibles aún se
usaba el empaque cerámico que tenia un arreglo de pines PGA y una cavidad en el espacio de ese arreglo,
donde se introducía el chip del procesador y se soldaba con pequeños alambres a los pines. La cavidad se
sellaba con una lámina de cobre.
Disipación de calor
Con el aumento en el número de transistores incluidos en un procesador, el consumo de energía se ha
elevado a niveles en los cuales la disipación natural del procesador no es suficiente para mantener
temperaturas aceptables en el material semiconductor, de manera que se hace necesario el uso de
mecanismos de enfriamiento forzado, como son los disipadores de calor.
Entre ellos se encuentran los sistemas sencillos como disipadores metálicos que aumentan el área de
radiación, permitiendo que la energía salga rápidamente del sistema. También los hay con refrigeración
líquida, por medio de circuitos cerrados.
Buses del procesador
Todos los procesadores poseen un bus principal o de sistema por el cual se envían y reciben todos los datos,
instrucciones y direcciones desde los integrados del chipset o desde el resto de dispositivos. Como puente de
conexión entre el procesador y el resto del sistema, define mucho del rendimiento del sistema, su velocidad
se mide en bytes por segundo.
Los microprocesadores de última generación de Intel y muchos de AMD poseen además un controlador de
memoria DDR en el interior del encapsulado lo que hace necesario la implementación de buses de memoria
del procesador hacia los módulos. Ese bus esta de acuerdo a los estándares DDR de JEDEC y consisten en
líneas de bus paralelo, para datos, direcciones y control. Dependiendo de la cantidad de canales pueden
existir de 1 a 3 buses de memoria.
En arquitectura de computadores, el bus es un sistema digital que transfiere datos entre los componentes de
un ordenador o entre ordenadores. Está formado por cables o pistas en un circuito impreso, dispositivos
como resistencias y condensadores además de circuitos integrados. En los primeros computadores
electrónicos, todos los buses eran de tipo paralelo, de manera que la comunicación entre las partes de
computador se hacía por medio de cintas o muchas pistas en el circuito impreso, en los cuales cada
conductor tiene una función fija y la conexión es sencilla requiriendo únicamente puertos de entrada y de
salida para cada dispositivo.
Tipos de Bus
Existen dos grandes tipos clasificados por el método de envío de la información: bus paralelo o serial. Hay
diferencias en el desempeño y hasta hace unos años se consideraba que el uso apropiado dependía de la
longitud física de la conexión: para cortas distancias el bus paralelo, para largas el serial.
Bus paralelo
Es un bus en el cual los datos son enviados por bytes al mismo tiempo, con la ayuda de varias líneas que
tienen funciones fijas. La cantidad de datos enviada es bastante grande con una frecuencia moderada y es
igual al ancho de los datos por la frecuencia de funcionamiento. En los computadores ha sido usado de
manera intensiva, desde el bus del procesador, los buses de discos duros, tarjetas de expansión y de vídeo,
hasta las impresoras.
Diagrama de un Bus Backplane como extensión del bus de procesador.
El Front Side Bus de los procesadores Intel es un bus de este tipo y como cualquier bus presenta unas
funciones en líneas dedicadas:
•
Las Líneas de Dirección son las encargadas de indicar la posición de memoria o el dispositivo con
el que se desea establecer comunicación.
•
Las Líneas de Control son las encargadas de enviar señales de arbitraje entre los dispositivos. Entre
las más importantes están las líneas de interrupción, DMA y los indicadores de estado.
•
Las Líneas de Datos trasmiten los bits, de manera que por lo general un bus tiene un ancho que es
potencia de 2.
Un bus paralelo tiene conexiones físicas complejas, pero la lógica es sencilla, que lo hace útil en sistemas
con poco poder de cómputo. En los primeros microcomputadores, el bus era simplemente la extensión del
bus del procesador y los demás integrados "escuchan" las línea de direcciones, en espera de recibir
instrucciones. En el PC IBM original, el diseño del bus fue determinante a la hora de elegir un procesador
con I/O de 8 bits (Intel 8088), sobre uno de 16 (el 8086), porque era posible usar hardware diseñado para
otros procesadores, abaratando el producto.
Bus serie
En este los datos son enviados, bit a bit y se reconstruyen por medio de registros o rutinas de software. Está
formado por pocos conductores y su ancho de banda depende de la frecuencia. Es usado desde hace menos
de 10 años en buses para discos duros, tarjetas de expansión y para el bus del procesador.
Chipset es el conjunto de circuitos integrados diseñados con base a la arquitectura de un procesador (en
algunos casos diseñados como parte integra de esa arquitectura), permitiendo que ese tipo de procesadores
funcionen en una placa base. Sirven de puente de comunicación con el resto de componentes de la placa,
como son la memoria, las tarjetas de expansión, los puertos USB, ratón, teclado, etc.
Las placas base modernas suelen incluir dos integrados, denominados Norte y Sur, y suelen ser los circuitos
integrados más grandes después del microprocesador. El chipset determina muchas de las características de
una placa base y por lo general la referencia de la misma está relacionada con la del Chipset.
Funcionamiento
Chipset 875 de Intel, usado con procesadores Pentium 4 en encapsulado de pines.
El Chipset es el que hace posible que la placa base funcione como eje del sistema, dando soporte a varios
componentes e interconectándolos de forma que se comuniquen entre ellos haciendo uso de diversos buses.
Es uno de los pocos elementos que tiene conexión directa con el procesador, gestiona la mayor parte de la
información que entra y sale por el bus principal del procesador, del sistema de vídeo y muchas veces de la
memoria RAM.
En el caso de los computadores PC, es un esquema de arquitectura abierta que establece modularidad: el
Chipset debe tener interfaces estándar para los demás dispositivos. Esto permite escoger entre varios
dispositivos estándar , por ejemplo en el caso de los buses de expansión, algunas tarjetas madre pueden tener
bus PCI-Express y soportar diversos tipos de tarjetas con de distintos anchos de bus (1x, 8x, 16x). En el caso
de equipos portátiles o de marca, el chipset puede ser diseñado a la medida y aunque no soporte gran
variedad de tecnologías, presentara alguna interfaz de dispositivo. La terminología de los integrados ha
cambiado desde que se creó el concepto del chipset a principio de los años 90, pero todavía existe
equivalencia haciendo algunas aclaraciones:
•
El NorthBridge, puente norte, MCH (memory controller hub), GMCH (Graphic MCH), se usa como
puente de enlace entre el microprocesador y la memoria. Controla las funciones de acceso hacia y
entre el microprocesador, la memoria RAM, el puerto gráfico AGP o el PCI-Express de gráficos, y las
comunicaciones con el puente sur. Al principio tenía también el control de PCI, pero esa
funcionalidad ha pasado al puente sur.
•
El SouthBridge o puente sur, ICH (Imput Controller Hub), controla los dispositivos asociados como
son la controladora de discos IDE, puertos USB, FireWire, SATA, RAID, ranuras PCI, ranura AMR,
ranura CNR, puertos infrarrojos, disquetera, LAN, PCI-Express 1x y una larga lista de todos los
elementos que podamos imaginar integrados en la placa madre. Es el encargado de comunicar el
procesador con el resto de los periféricos.
En la actualidad los principales fabricantes de chipsets son AMD, ATI Technologies (comprada en 2006 por
AMD), Intel, NVIDIA, Silicon Integrated Systems y VIA Technologies
Slot de expansión
Slot de expansión de 44 pines (objetos azules) y placa de circuitos. El slot mide 3.5" (9 cm) con 22 contactos
en cada lado.
Un slot (también llamado slot de expansión o ranura de expansión) es un elemento de la placa base de un
ordenador que permite conectar a ésta una tarjeta adaptadora adicional o de expansión, la cual suele realizar
funciones de control de dispositivos periféricos adicionales, tales como monitores, impresoras o unidades de
disco. En las tarjetas madre del tipo LPX los slots de expansión no se encuentran sobre la placa sino en un
conector especial denominado riser card.
Los slots están conectados entre sí. Un ordenador personal dispone generalmente de ocho unidades, aunque
puede llegar hasta doce.
Tipos de slots
XT
Es uno de los slots más antiguos trabaja con una velocidad muy inferior a los slots modernos (8 bits) y a una
frecuencia de 4.77 [MHz], ya que garantiza que los PCs esten bien ubicados para su mejor funcionamiento
necesita ser revisado antes
ISA
Tres slots de arquitectura EISA.
El slot ISA fue reemplazado desde el año 2000 por el slot PCI. Los componentes diseñados para el slot ISA
eran muy grandes y fueron de los primeros slots en usarse en los ordenadores personales. Hoy en día no se
fabrican slots ISA. Los puertos ISA son ranuras de expansión actualmente en desuso, se incluyeron estos
puertos hasta los primeros modelos del Pentium III. NOTA: El slot ISA ( Industry Standard Arquitecture) es
un tipo de slot o ranura de expansión de 16 bits capaz de ofrecer hasta 16 MB/s a 8 MHz.
VESA
• (Video Electronics Standards Association)
En 1992 el comité VESA de la empresa NEC crea este slot para dar soporte a las nuevas placas de video. Es
fácilmente identificable en la placa base debido a que consiste de un ISA con una extensión color marrón,
trabaja a 32 bits y con una frecuencia que varia desde 33 [MHz] a 40 [MHz]. Tiene 22,3[cm] de largo
(ISA+EXTENSION) 1,4[cm] de alto, 0,9[cm] de ancho (ISA) Y 0,8[cm] de ancho (EXTENSION).
PCI
Buses PCI de una placa base para Pentium I.
Un Peripheral Component Interconnect (PCI, "Interconexión de Componentes Periféricos") consiste en un
Si de ordenador estándar para conectar dispositivos SI periféricos directamente a su placa base. Estos
dispositivos pueden ser circuitos integrados ajustados en ésta (los llamados "dispositivos planares" en la
especificación PCI) o tarjetas de expansión que se ajustan en conectores. Es común en PC, donde ha
desplazado al ISA como bus estándar, pero también se emplea en otro tipo de ordenadores.
AMR
Slot AMR (izquierda) junto a slot PCI (derecha).
El audio/módem rise, también conocido como slot AMR2 o AMR3 es una ranura de expansión en la placa
madre para dispositivos de audio (como tarjetas de sonido) o módems lanzada en 1998 y presente en placas
de Intel Pentium III, Intel Pentium IV y AMD Athlon. Fue diseñada por Intel como una interfaz con los
diversos chipsets para proporcionar funcionalidad analógica de Entrada/Salida permitiendo que esos
componentes fueran reutilizados en placas posterioreres sin tener que pasar por un nuevo proceso de
certificación de la FCC (con los costes en tiempo y económicos que conlleva).
Cuenta con 2x23 pines divididos en dos bloques, uno de 11 (el más cercano al borde de la placa madre) y
otro de 12, con lo que es físicamente imposible una inserción errónea, y suele aparecer en lugar de un slot
PCI, aunque a diferencia de este no es plug and play y no admite tarjetas aceleradas por hardware (sólo por
software)
En un principio se diseñó como ranura de expansión para dispositivos económicos de audio o
comunicaciones ya que estos harían uso de los recursos de la máquina como el microprocesador y la
memoria RAM. Esto tuvo poco éxito ya que fue lanzado en un momento en que la potencia de las máquinas
no era la adecuada para soportar esta carga y el mal o escaso soporte de los drivers para estos dispositivos en
sistemas operativos que no fuesen Windows.
Tecnológicamente ha sido superado por el Advanced Communications Riser (de VIA y AMD) y el
Communications and Networking Riser de Intel. Pero en general todas las tecnologías en placas hijas (riser
card) como ACR, AMR, y CNR, están hoy obsoletas en favor de los componentes embebidos y los
dispositivos USB.
CNR
Comunication and Network Riser, se trata de una ranura de expansión en la placa base para dispositivos de
comunicaciones como módems, tarjetas de red o USB. Un poco más grande que la AMR, CNR fue
introducida en febrero de 2000 por Intel en sus motherboards para procesadores Pentium y se trataba de un
diseño propietario por lo que no se extendió más allá de las placas que incluían los chipsets de Intel, que más
tarde fue implementada en motherboards como otros chipset.
PCI-Express
Ranura PCI-Express 1x.
PCI-Express es abreviado como PCI-E o PCIE, aunque erróneamente se le suele abreviar como PCIX o PCIX. Sin embargo, PCI-Express no tiene nada que ver con PCI-X que es una evolución de PCI, en la que se
consigue aumentar el ancho de banda mediante el incremento de la frecuencia, llegando a ser 32 veces más
rápido que el PCI 2.1. Su velocidad es mayor que PCI-Express, pero presenta el inconveniente de que al
instalar más de un dispositivo la frecuencia base se reduce y pierde velocidad de transmisión.
Este bus está estructurado como enlaces punto a punto,full-duplex, trabajando en serie. En PCIE 1.1 (el más
común en 2007) cada enlace transporta 250 MB/s en cada dirección. PCIE 2.0 dobla esta tasa y PCIE 3.0 la
dobla de nuevo.
Cada slot de expansión lleva uno, dos, cuatro, ocho, dieciséis o treinta y dos enlaces de datos entre la placa
base y las tarjetas conectadas. El número de enlaces se escribe con una x de prefijo (x1 para un enlace
simple y x16 para una tarjeta con dieciséis enlaces. Treinta y dos enlaces de 250MB/s dan el máximo ancho
de banda, 8 GB/s (250 MB/s x 32) en cada dirección para PCIE 1.1. En el uso más común (x16)
proporcionan un ancho de banda de 4 GB/s (250 MB/s x 16) en cada dirección. En comparación con otros
buses, un enlace simple es aproximadamente el doble de rápido que el PCI normal; un slot de cuatro enlaces,
tiene un ancho de banda comparable a la versión más rápida de PCI-X 1.0, y ocho enlaces tienen un ancho
de banda comparable a la versión más rápida de AGP.
Slots PCI Express (de arriba a abajo: x4, x16, x1 y x16), comparado con uno tradicional PCI de 32 bits, tal
como se ven en la placa DFI LanParty nF4 Ultra-D.
Está pensado para ser usado sólo como bus local, aunque existen extensores capaces de conectar múltiples
placas base mediante cables de cobre o incluso fibra óptica. Debido a que se basa en el bus PCI, las tarjetas
actuales pueden ser reconvertidas a PCI-Express cambiando solamente la capa física. La velocidad superior
del PCI-Express permitirá reemplazar casi todos los demás buses, AGP y PCI incluidos. La idea de Intel es
tener un solo controlador PCI-Express comunicándose con todos los dispositivos, en vez de con el actual
sistema de puente norte y puente sur. Este conector es usado mayormente para conectar tarjetas gráficas.
No es todavía suficientemente rápido para ser usado como bus de memoria. Esto es una desventaja que no
tiene el sistema similar HyperTransport, que también puede tener este uso. Además no ofrece la flexibilidad
del sistema InfiniBand, que tiene rendimiento similar, y además puede ser usado como bus interno externo.
En 2006 es percibido como un estándar de las placas base para PC, especialmente en tarjetas gráficas.
Marcas como Ati Technologies y nVIDIA entre otras tienen tarjetas gráficas en PCI-Express
Dimensiones de las tarjetas [editar]
Una tarjeta PCI de tamaño completo tiene un alto de 107 mm (4.2 pulgadas) y un largo de 312 mm (12.283
pulgadas). La altura incluye el conector de borde de tarjeta.
Puertos USB
En la informática, un puerto es una forma genérica de denominar a una interfaz a través de la cual los
diferentes tipos de datos se pueden enviar y recibir. Dicha interfaz puede ser de tipo físico, o puede ser a
nivel de software (por ejemplo, los puertos que permiten la transmisión de datos entre diferentes
ordenadores) ,en cuyo caso se usa frecuentemente el término puerto lógico.
Un puerto USB permite conectar hasta 127 dispositivos y ya es un estándar en los ordenadores de última
generación, que incluyen al menos cuatro puertos USB 2.0 en los más modernos, y algún USB 1.1 en los
mas anticuados
Pero ¿qué otras ventajas ofrece este puerto? Es totalmente Plug & Play, es decir, con sólo conectar el
dispositivo y "en caliente" (con el ordenador ya encendido), el dispositivo es reconocido, e instalado, de
manera inmediata. Sólo es necesario que el Sistema Operativo lleve incluido el correspondiente controlador
o driver.
Presenta una alta velocidad de transferencia en comparación con otro tipo de puertos. USB 1.1 alcanza los
12 Mb/s y hasta los 480 Mb/s (60 MB/s) para USB 2.0, mientras un puerto serie o paralelo tiene una
velocidad de transferencia inferior a 1 Mb/s. El puerto USB 2.0 es compatible con los dispositivos USB 1.1
A través del cable USB no sólo se transfieren datos; además es posible alimentar dispositivos externos a
través de él. el consumo maximo de este controlador es de 2.5 Watts.
Los dispositivos se pueden dividir en dispositivos de bajo consumo (hasta 100 mA) y dispositivos de alto
consumo (hasta 500 mA). Para dispositivos que necesiten más de 500 mA será necesaria alimentación
externa.
El Universal Serial Bus (bus universal en serie) o Conductor Universal en Serie (CUS), abreviado
comúnmente USB, es un puerto que sirve para conectar periféricos a una computadora. Fue creado en 1996
por siete empresas: IBM, Intel, Northern Telecom, Compaq, Microsoft, Digital Equipment Corporation y
NEC.
El diseño del USB tenía en mente eliminar la necesidad de adquirir tarjetas separadas para poner en los
puertos bus ISA o PCI, y mejorar las capacidades plug-and-play permitiendo a esos dispositivos ser
conectados o desconectados al sistema sin necesidad de reiniciar. Sin embargo, en aplicaciones donde se
necesita ancho de banda para grandes transferencias de datos, o si se necesita una latencia baja, los buses
PCI o PCIe salen ganando. Igualmente sucede si la aplicación requiere de robustez industrial. A favor del
bus USB, cabe decir que cuando se conecta un nuevo dispositivo, el servidor lo enumera y agrega el
software necesario para que pueda funcionar (esto dependerá ciertamente del sistema operativo que esté
usando el computador).
El USB no puede conectar los periféricos porque sólo puede ser dirigido por el drive central así como:
ratones, teclados, escáneres, cámaras digitales, teléfonos móviles, reproductores multimedia, impresoras,
discos duros externos entre otros ejemplos, tarjetas de sonido, sistemas de adquisición de datos y
componentes de red. Para dispositivos multimedia como escáneres y cámaras digitales, el USB se ha
convertido en el método estándar de conexión. Para impresoras, el USB ha crecido tanto en popularidad que
ha desplazado a un segundo plano a los puertos paralelos porque el USB hace mucho más sencillo el poder
agregar más de una impresora a una computadora personal.
Los dispositivos USB se clasifican en cuatro tipos según su velocidad de transferencia de datos:
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Baja velocidad (1.0): Tasa de transferencia de hasta 1,5 Mbps (192 KB/s). Utilizado en su mayor
parte por dispositivos de interfaz humana (Human interface device, en inglés) como los teclados, los
ratones, hornos microondas y artículos del hogar.
Velocidad completa (1.1): Tasa de transferencia de hasta 12 Mbps (1,5 MB/s), según este estándar
pero se dice en fuentes independientes que habría que realizar nuevamente las mediciones. Ésta fue
la más rápida antes de la especificación USB 2.0, y muchos dispositivos fabricados en la actualidad
trabajan a esta velocidad. Estos dispositivos dividen el ancho de banda de la conexión USB entre
ellos, basados en un algoritmo de impedancias LIFO.
Alta velocidad (2.0): Tasa de transferencia de hasta 480 Mbps (60 MB/s) pero por lo general de hasta
125Mbps (16MB/s). Está presente casi en el 99% de los ordenadores actuales. El cable USB 2.0
dispone de cuatro líneas, un par para datos, una de corriente y una de toma de tierra.
Super alta velocidad (3.0): Actualmente se encuentra en fase experimental y tiene una tasa de
transferencia de hasta 4.8 Gbps (600 MB/s). Esta especificación será diez veces mas veloz que la
anterior 2.0 y será lanzada a mediados de 2009 por Intel, según se estima, o quizá por otra empresa
de Hardware, de acuerdo con información recabada de Internet; Aunque actualmente cualquier
distribución GNU/Linux es capaz, de soportar el nuevo estándar sin embargo, aún no hay hardware
disponible.[1] La velocidad del bus será diez veces más rápida que la del USB 2.0, debido a que han
incluido 5 conectores extra, desechando el conector de fibra óptica propuesto inicialmente, y será
compatible con los estándares anteriores. Se espera que los productos fabricados con esta tecnología
lleguen al consumidor entre 2009 y 2015
Las señales del USB se transmiten en un cable de par trenzado con impedancia característica de 90 Ω ±
15%, cuyos hilos se denominan D+ y D-.[4] Estos, colectivamente, utilizan señalización diferencial en full
dúplex para combatir los efectos del ruido electromagnético en enlaces largos. D+ y D- suelen operar en
conjunto y no son conexiones simples.
Los cables de datos son un par trenzado para reducir el ruido y las interferencias.
Placa base
La placa base, placa madre, tarjeta madre o board (en inglés motherboard, mainboard) es una tarjeta de
circuito impreso a la que se conectan las demás partes de la computadora. Tiene instalados una serie de
circuitos integrados, entre los que se encuentra el chipset, que sirve como centro de conexión entre el
procesador, la memoria RAM, los buses de expansión y otros dispositivos.
Va instalada dentro de una caja que por lo general está hecha de chapa y tiene un panel para conectar
dispositivos externos y muchos conectores internos y zócalos para instalar componentes dentro de la caja.
La placa base, además, incluye un software llamado BIOS, que le permite realizar las funcionalidades
básicas, como pruebas de los dispositivos, vídeo y manejo del teclado, reconocimiento de dispositivos y
carga del sistema operativo.
Componentes de la placa base
Diagrama de una placa base típica.
Una placa base típica admite los siguientes componentes:
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Uno o varios conectores de alimentación: por estos conectores, una alimentación eléctrica
proporciona a la placa base los diferentes voltajes necesarios para su funcionamiento.
El zócalo de CPU (a menudo llamado socket): es un receptáculo que recibe el micro-procesador y lo
conecta con el resto de la microcomputadora.
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Los conectores de memoria RAM (ranura de memoria, en inglés memory slot), en número de 2, 3 o 4
en las placas base comunes, e incluso 6.
El chipset: uno o más circuitos electrónicos, que gestiona las transferencias de datos entre los
diferentes componentes de la computadora (microprocesador, memoria, disco duro, etc.).
Un reloj: regula la velocidad de ejecución de las instrucciones del microprocesador y de los
periféricos internos.
La CMOS: una pequeña memoria que preserva cierta información
importante (como la configuración del equipo, fecha y hora),
mientras el equipo no está alimentado por electricidad.
La pila de la CMOS: proporciona la electricidad necesaria para
operar el circuito.
La BIOS: un programa registrado en una memoria no volátil
(antiguamente en memorias ROM, pero desde hace tiempo se
emplean memorias flash). Este programa es específico de la tarjeta y
se encarga de la interfaz de bajo nivel entre el microprocesador y
algunos periféricos. Recupera, y después ejecuta, las instrucciones
del MBR (Master Boot Record), registradas en un disco duro, cuando
arranca el equipo.
El bus (también llamado bus interno o en inglés (Front Side Bus
(FSB)): conecta el microprocesador al chipset.
El bus de memoria conecta el chipset a la memoria temporal.
El bus de expansión (también llamado bus I/O): une el microprocesador a los conectores
entrada/salida y a las ranuras de expansión.
Los conectores de entrada/salida que cumplen normalmente con la norma PC 99: estos conectores
incluyen:
o Los puertos serie, por ejemplo para conectar dispositivos antiguos.
o Los puertos paralelos, por ejemplo para la conexión de antiguas impresoras.
o Los puertos USB (en inglés Universal Serial Bus), por ejemplo para conectar periféricos
recientes.
o Los conectores RJ45, para conectarse a una red informática.
o Los conectores VGA, para la conexión del monitor de la computadora.
o Los conectores IDE o Serial ATA I o II, para conectar dispositivos de almacenamiento, tales
como discos duros y discos ópticos.
o Los conectores de audio, para conectar dispositivos de audio, tales como altavoces o
micrófono.
Los conectores (slots) de expansión: se trata de receptáculos que pueden acoger tarjetas de
expansión (estas tarjetas se utilizan para agregar características o aumentar el rendimiento de un
ordenador; por ejemplo, un tarjeta gráfica se puede añadir a un ordenador para mejorar el
rendimiento 3D en el monitor). Estos puertos pueden ser puertos ISA (interfaz antigua), PCI (en
inglés Peripheral Component Interconnect) y, los más recientes, PCI Express.
Con la evolución de las computadoras, más y más características se han integrado en la placa base, tales
como circuitos electrónicos para la gestión del vídeo IGP (en inglés Integrated Graphic Processor), de
sonido o de redes (10/100 Mbps/1 Gbps), evitando así la adición de tarjetas de expansión.
Tipos de Bus
Los buses son espacios físicos que permiten el transporte de información y energía entre dos puntos de la
computadora. Los Buses Generales son los siguientes:
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Bus de datos: son las líneas de comunicación por donde circulan los datos externos e internos del
microprocesador.
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Bus de dirección: línea de comunicación por donde viaja la información específica sobre la
localización de la dirección de memoria del dato o dispositivo al que se hace referencia.
Bus de control: línea de comunicación por donde se controla el intercambio de información con un
módulo de la unidad central y los periféricos.
Bus de expansión: conjunto de líneas de comunicación encargado de llevar el bus de datos, el bus
de dirección y el de control a la tarjeta de interfaz (entrada, salida) que se agrega a la tarjeta
principal.
Bus del sistema: todos los componentes de la CPU se vinculan a través del bus de sistema,
mediante distintos tipos de datos el microprocesador y la memoria principal, que también involucra
a la memoria caché de nivel 2. La velocidad de transferencia del bus de sistema está determinada
por la frecuencia del bus y el ancho del mínimo.
Tarjeta gráfica
Una tarjeta gráfica, tarjeta de vídeo, placa de vídeo, tarjeta aceleradora de gráficos o adaptador de
pantalla, es una tarjeta de expansión para una computadora, encargada de procesar los datos provenientes
de la CPU y transformarlos en información comprensible y representable en un dispositivo de salida, como
un monitor o televisor. Las tarjetas gráficas más comunes son las disponibles para las computadoras
compatibles con la IBM PC, debido a la enorme popularidad de éstas, pero otras arquitecturas también hacen
uso de este tipo de dispositivos.
Es habitual que se utilice el mismo término tanto a las habituales tarjetas dedicadas y separadas como a las
GPU integradas en la placa base.
La historia de las tarjetas gráficas da comienzo a finales de los años 1960, cuando se pasa de usar
impresoras como elemento de visualización a utilizar monitores. Las primeras tarjetas sólo eran capaces de
visualizar texto a 40x25 u 80x25, pero la aparición de los primeros chips de video como el Motorola 6845
permiten comenzar a dotar a los equipos basados en bus S-100 o Eurocard de capacidades gráficas. Junto
con las tarjetas que añadían un modulador de televisión fueron las primeras en recibir el término tarjeta de
video.
A partir de ahí se sucedieron diversas controladoras para gráficos, resumidas en la tabla adjunta.[3] [4] [5] [6]
Año
Modo texto
Modo gráficos
Colores
Memoria
MDA
1981
80*25
-
1
4 KB
CGA
1981
80*25
640*200
4
16 KB
HGC
1982
80*25
720*348
1
64 KB
EGA
1984
80*25
640*350
16
256 KB
IBM 8514
1987
80*25
1024*768
256
-
MCGA
1987
80*25
320*200
256
-
VGA
1987
720*400
640*480
256
256 KB
SVGA
1989
80*25
1024*768
256
1 MB
XGA
1990
80*25
1024*768
65K
2 MB
VGA tuvo una aceptación masiva, lo que llevó a compañías como ATI, Cirrus Logic y S3 Graphics, a
trabajar sobre dicha tarjeta para mejorar la resolución y el número de colores. Así nació el estándar SVGA
(Super VGA). Con dicho estándar se alcanzaron los 2 MB de memoria de vídeo, así como resoluciones de
1024 x 768 puntos a 256 colores.
Los competidores del PC, Commodore Amiga 2000 y Apple Macintosh reservaron en cambio esa
posibilidad a ampliaciones profesionales, integrando casi siempre la GPU base (que batía en potencia con
total tranquilidad a las tarjetas gráficas de los PC del momento) en sus placas madre. Esta situación se
perpetúa hasta la aparición del Bus PCI, que sitúa a las tarjetas de PC al nivel de los buses internos de sus
competidores, al eliminar el cuello de botella que representaba el Bus ISA. Aunque siempre por debajo en
eficacia (con la misma GPU S3 ViRGE, lo que en un PC es una tarjeta gráfica avanzada deviene en
acelerador 3D profesional en los Commodore Amiga con ranura Zorro III), la fabricación masiva (que
abarata sustancialmente los costes) y la adopción por otras plataformas del Bus PCI hace que los chips
gráficos VGA comiencen a salir del mercado del PC.
La evolución de las tarjetas gráficas dio un giro importante en 1995 con la aparición de las primeras tarjetas
2D/3D, fabricadas por Matrox, Creative, S3 y ATI, entre otros. Dichas tarjetas cumplían el estándar SVGA,
pero incorporaban funciones 3D. En 1997, 3dfx lanzó el chip gráfico Voodoo, con una gran potencia de
cálculo, así como nuevos efectos 3D (Mip Mapping, Z-Buffering, Antialiasing...). A partir de ese punto, se
suceden una serie de lanzamientos de tarjetas gráficas como Voodoo2 de 3dfx, TNT y TNT2 de NVIDIA.
La potencia alcanzada por dichas tarjetas fue tal que el puerto PCI donde se conectaban se quedó corto. Intel
desarrolló el puerto AGP (Accelerated Graphics Port) que solucionaría los cuellos de botella que
empezaban a aparecer entre el procesador y la tarjeta. Desde 1999 hasta 2002, NVIDIA dominó el mercado
de las tarjetas gráficas (comprando incluso la mayoría de bienes de 3dfx)[7] con su gama GeForce. En ese
período, las mejoras se orientaron hacia el campo de los algoritmos 3D y la velocidad de los procesadores
gráficos. Sin embargo, las memorias también necesitaban mejorar su velocidad, por lo que se incorporaron
las memorias DDR a las tarjetas gráficas. Las capacidades de memoria de vídeo en la época pasan de los 32
MB de GeForce, hasta los 64 y 128 MB de GeForce 4.
La mayoría de videoconsolas de sexta generación y sucesivos utilizan chips gráficos derivados de los más
potentes aceleradores 3D de su momento. Los Apple Macintosh incorporan chips de NVIDIA y ATI desde
el primer iMac, y los modelos PowerPC con bus PCI o AGP pueden usar tarjetas gráficas de PC con BIOS
no dependientes de CPU.
En 2006, NVIDIA y ATI se repartían el liderazgo del mercado[8] con sus series de chips gráficos GeForce y
Radeon, respectivamente.
Tipos de tarjetas gráficas
Tarjeta MDA
"Monochrome Display Adapter" o Adaptador monocromo. Fue lanzada por IBM como una memoria de 4
KB de forma exclusiva para monitores TTL (que representaban los clásicos caracteres en ámbar o verde).
No disponía de gráficos y su única resolución era la presentada en modo texto (80x25) en caracteres de 14x9
puntos, sin ninguna posibilidad de configuración.
Básicamente esta tarjeta usa el controlador de vídeo para leer de la ROM la matriz de puntos que se desea
visualizar y se envía al monitor como información serie. No debe sorprender la falta de procesamiento
gráfico, ya que, en estos primeros PC no existían aplicaciones que realmente pudiesen aprovechar un buen
sistema de vídeo. Prácticamente todo se limitaba a información en modo texto.
Este tipo de tarjeta se identifica rápidamente ya que incluye (o incluía en su dia) un puerto de comunicación
para la impresora ¡Una asociación más que extraña a día de hoy!
Tarjeta CGA
"Color Graphics Array" o "Color graphics adapter" según el texto al que se recurra. Aparece en el año 1981
también de la mano de IBM y fue muy extendida. Permitía matrices de caracteres de 8x8 puntos en pantallas
de 25 filas y 80 columnas, aunque solo usaba 7x7 puntos para representar los caracteres. Este detalle le
imposibilitaba el representar subrayados, por lo que los sustituía por diferentes intensidades en el caracter en
cuestión.En modo gráfico admitía resoluciones de hasta 640x200. La memoria era de 16 KB y solo era
compatible con monitores RGB y Compuestos. A pesar de ser superior a la MDA, muchos usuarios
preferían esta última dado que la distancia entre puntos de la rejilla de potencial en los monitores CGA era
mayor. El tratamiento del color, por supuesto de modo digital, se realizaba con tres bits y uno más para
intensidades. Así era posible lograr 8 colores con dos intensidades cada uno, es decir, un total de 16
tonalidades diferentes pero no reproducibles en todas las resoluciones tal y como se muestra en el cuadro
adjunto.
Esta tarjeta tenia un fallo bastante habitual y era el conocido como "snow". Este problema era de caracter
aleatorio y consistía en la aparición de "nieve" en la pantalla (puntos brillantes e intermitentes que
distorsionaban la imagen). Tanto era así que algunas BIOS de la época incluían en su SETUP la opción de
eliminación de nieve ("No snow").
Tarjeta HGC
"Hercules Graphics Card" o más popularmente conocida como Hércules (nombre de la empresa productora),
aparece en el año 1982, con gran éxito convirtiéndose en un estándar de vídeo a pesar de no disponer del
soporte de las rutinas de la BIOS por parte de IBM. Su resolución era de 720x348 puntos en monocromo con
64 KB de memoria. Al no disponer de color, la única misión de la memoria es la de referenciar cada uno de
los puntos de la pantalla usando 30,58 KB para el modo gráfico (1 bit x 720 x 348) y el resto para el modo
texto y otras funciones. Las lecturas se realizaban a una frecuencia de 50 HZ, gestionadas por el controlador
de vídeo 6845. Los caracteres se dibujaban en matrices de 14x9 puntos.