CAPITULO III Hardware de la...

CAPITULO III

Hardware de la Computadora

3.1 Objetivos de Aprendizaje

• Conocer los dispositivos de hardware más importantes de un sistema de

cómputo y entender el funcionamiento básico de cada dispositivo.

• Identificar las unidades funcionales de una computadora y entender las

interacciones entre ellas.

3.2 Conceptos de Hardware

El hardware es el componente físico y tangible de una computadora. Existen

cuatro elementos principales en todo sistema de cómputo: (1) procesador, (2)

memoria, (3) dispositivos de entrada, y (4) dispositivos de salida. La Figura 1

muestra el diagrama de bloques de una computadora.

Fig. 1. Diagrama de Bloques de una Computadora

La parte activa de una computadora, la parte que realiza los cálculos y controla

todas las otras partes es el Procesador. El procesador contiene relojes

electrónicos que controlan la temporización de todas las operaciones; circuitos

electrónicos que llevan a cabo operaciones aritméticas como suma y

multiplicación; circuitos que identifican y ejecutan las instrucciones que contiene

un programa; y circuitos que traen los datos de la memoria. Las instrucciones y los

datos son guardados en la memoria principal. El procesador los extrae cuando

considera necesario. Los controladores supervisan los dispositivos de entrada,

como teclado y mouse; dispositivos de salida, como impresora y monitor, y

dispositivos de almacenamiento como el disco duro. El procesador y los

controladores de periféricos trabajan juntos para transferir información entre la

computadora y los usuarios. Algunas veces, el procesador se encargará de los

datos tomados de un dispositivo de entrada; la transferencia a través del

controlador; mover los datos a través del bus y cargarlos directamente en el

procesador (Figura 2). La salida de datos sigue la misma ruta en sentido contrario

pasar del procesador, a través del bus, a través de un controlador y a un

dispositivo directamente en, o fuera de, la memoria principal.

La Placa Madre (Mother Board)

Es la placa principal de circuitos en la computadora. Sostiene el procesa-

dor y la memoria, proporciona los slots de expansión para los periféricos,

y, ya sea directa o indirectamente, conecta todas las partes de la com-

putadora.

El principal propósito de la Tarjeta Madre es proporcionar las conexiones

eléctricas y lógicas para que los otros componentes del sistema se co-

muniquen.

Los principales componentes de la Tarjeta Madre son:

• Microprocesador o Procesador: (CPU – Unidad de Procesamiento Cen-

tral) el cerebro del computador montado sobre una pieza llamada zó-

calo o slot

• Memoria principal temporal: (RAM – Memoria de acceso aleatorio)

montados sobre las ranuras de memoria llamados generalmente ban-

cos de memoria.

• Las ranuras de expansión: o slots donde se conectan las demás tarje-

tas que utilizará el computador como por ejemplo la tarjeta de video,

sonido, modem, red, etc.

• Chips: como puede ser la BIOS, los Chipsets o controladores.

Figura 2. Ejemplo de una Tarjeta Madre o Principal:

Sistema de Buses de una Computadora

Los diferentes elementos que componen una computadora se tienen que

comunicar de alguna manera, y esta comunicación se realiza por los lla-

mados buses. Los buses son un conjunto de hilos o conexiones que lle-

van información de todo tipo de un elemento a otro, transportando la in-

formación en paralelo, (esto quiere decir, que los datos van por todos los

hilos del bus simultáneamente).

Fig. 31. Diagrama Esquemático de los componentes básicos de una computadora.

1 Fuente: www.uow.edu.au/~nabg/ABC/C1.pdf

El nombre del bus es generalmente determinado por el tipo de señal que está

transmitiendo o el método de operación. Normalmente, los buses internos de la

computadora se agrupan en tres áreas según sus usos más comunes. Estas áreas

son las siguientes:

• Buses de control (también llamado bus de control y temporización), dirección y

datos (también conocido como bus de memoria).

• Instrucción (I), operando (O), Entrada/Salida de la Memoria (I/O MEM) o de

Entrada/Salida del Controlador (IOC), Sistema de Interconexión del

Computador (CIS)

• Tiempo de bus multiplexado

A continuación se describen brevemente tres tipos de buses internos: control,

dirección y datos.

Bus de Control: Es utilizado por el procesador para dirigir y monitorear las

acciones de las otras áreas funcionales de la computadora. Se utiliza para

transmitir una variedad de señales individuales (lectura, escritura, interrupción,

reconocimiento, y así sucesivamente) necesarias para controlar y coordinar las

operaciones de la computadora.

Bus de Dirección: Está formado por todas las señales necesarias para definir

cualquiera de las posibles ubicaciones de dirección de memoria en la

computadora. Una dirección se define como una etiqueta, símbolo, u otro conjunto

de caracteres que se utilizan para designar un lugar o registro donde se almacena

la información. Antes de que los datos o instrucciones puedan ser escritos dentro o

leídos desde la memoria por el procesador o secciones E/S, una dirección debe

ser transmitida a la memoria a través del bus de direcciones.

Bus de datos (Bidireccional): A veces llamado el bus de memoria, se ocupa de

la transferencia de todos los datos e instrucciones entre las áreas funcionales de la

computadora. El bus de datos bidireccional sólo puede transmitir en una dirección

a la vez. El bus de datos se utiliza para transferir instrucciones desde la memoria

al procesador para su ejecución. Lleva los datos (operandos) a y desde el

procesador y memoria según sea requerido en la traducción de instrucciones. El

bus de datos también se utiliza para transferir datos entre la memoria y la sección

E/S durante operaciones de entrada y salida. La información sobre el bus de datos

es escrita en la memoria en la dirección definida por el bus de direcciones o

también, se realiza la lectura de datos de la dirección de memoria especificada por

el bus de direcciones. La Figura 3 es un ejemplo de sistema de bus de una

computadora; buses de control, dirección y datos.

Figura 42. Diagrama de un Sistema de Buses de una Computadora; control,

2 Fuente: http://www.tpub.com/content/fc/14100/css/14100_129.htm

dirección y datos.

3.3 Unidades Funcionales de una Computadora

Las computadoras digitales tienen tres unidades funcionales principales:

procesador, memoria y E/S. También deben ser consideradas otras dos áreas: el

sistema de buses y suministro eléctrico, las cuales cumplen un papel importante

junto con las áreas funcionales de la computadora. Los buses, son el medio por el

cual el procesador, la memoria y E/S se comunican entre ellos mismos, y el

suministro de potencia proporciona los requerimientos de voltaje necesarios para

la computadora. La Figura X muestra un diagrama de bloques típico de las

unidades funcionales de una computadora.

Para completar el sistema de cómputo, la computadora usa instrucciones para

realizar las operaciones. Y a través de las interfaces hombre/máquina, el usuario

puede controlar las operaciones de la máquina.

Figura 53. Diagrama de bloques de unidades funcionales de la computadora

3.4 El Procesador

El procesador es el cerebro de la computadora. Todas las operaciones

computacionales (lógicas y aritméticas) y decisiones operacionales son realizadas

por el procesador, ya que este se encarga de controlar todas las operaciones de la

computadora. La organización del procesador se hace incrementalmente más

compleja en tanto nos traslademos de un relativamente sencillo microprocesador a

una supercomputadora. Sin embargo, las funciones básicas de un procesador son

las mismas aunque hablemos de un mainframe, computadora personal o una

sencilla microcomputadora.

El procesador comprende dos unidades que interactúan entre sí: unidad de control


y la unidad aritmética lógica (ALU). La unidad de Control dirige la secuencia de

operaciones en el procesador, interpreta las instrucciones, y proporciona

temporización y señales de control para ejecutar las instrucciones. La unidad

aritmética lógica implementa operaciones aritméticas y/o lógicas requeridas por

éstas instrucciones. El procesador generalmente está constituido de

temporizadores, circuitos, registros, selectores, comparadores, sumadores y

diferenciadores.

Unidad de Control

Como un “director de tráfico”, la unidad de control decide cuándo iniciar y parar

(control y temporización), qué hacer (instrucciones de programa), dónde guardar la

información (memoria), y quién se comunica con quién (E/S). Controla el flujo de

todos los datos que entran y salen de la computadora, desde el inicio hasta el fin

de las operaciones. Esto lo hace comunicándose o interconectándose con la ALU,

memoria y áreas de E/S. Figura X3.

Unidad Aritmética Lógica (ALU)

La unidad aritmética lógica (ALU), está diseñada para realizar las operaciones las

operaciones aritméticas y lógicas del procesador. La ALU se comunica con la

unidad de control, la cual le envía los datos y le indica las operaciones a realizar.

Figura 64. Diagrama de bloques de la ALU de una computadora

Hay muchas diferentes operaciones básicas que el procesador realiza a través de

la ALU. A continuación veremos ejemplos de estas operaciones:

• Sumar o restar dos números binarios

• Multiplicar o dividir dos números binarios

• Incrementar o decrementar un número binario en 1

• Aplicar la operación lógica AND a dos números binarios (aplicando a cada

par de bits de izquierda a derecha)

• Aplicar la operación lógica XOR a dos números

• Determinar si un número es cero, es positivo o es negativo


• Determinar después de una operación aritmética si se ha cometido un error

(por ejemplo, si el resultado es demasiado grande)

• Determinar si dos números son el mismo número

3.7 Memoria

La memoria de un computador guarda (almacena) instrucciones de programa

(órdenes para realizar), datos (información), operandos (datos afectados o

manipulados) y cálculos (resultados de la ALU). El procesador controla la

información guardada en memoria. La información es llamada (lectura),

manipulada y/o escrita dentro de la memoria uso inmediato o posterior. La

memoria interna de una computadora es también llamada como memoria

principal. No se debe confundir con la memoria auxiliar o secundaria

proporcionada por diversos dispositivos periféricos.

Para una mejor comprensión, se ha clasificado la memoria en dos categorías

generales: memoria de lectura/escritura y memoria de solo lectura. Dentro del

grupo de lectura/escritura se encuentran memorias magnéticas (núcleo) y

memorias de semiconductor (estáticas y dinámicas). La memoria de solo lectura

puede ser subdividida dentro de partes programadas llamadas memory readonly

(ROM) y dispositivos programable de usuario llamados programmable readonly

memory (PROM). Esta clasificación es mostrada en la figura T.

Figura 7. Clasificación de la memoria de una computadora

Memoria RAM

Memoria de la computadora, denominada Memoria de Acceso Aleatorio, es un

área de almacenamiento a corto plazo para cualquier tipo de dato que la

computadora está usando. Atendiendo a sus características físicas las memorias

RAM se divide en dos grandes grupos: Estáticas SRAM ("Static RAM") y

dinámicas DRAM ("Dynamic RAM"). Ambas comparten la característica de perder

su contenido cuando se apaga el sistema, pero las DRAM tienen además la

necesidad de que su contenido sea constantemente actualizado. Los dos tipos

difieren en la tecnología que usan para almacenar los datos. La RAM dinámica

necesita ser refrescada cientos de veces por segundo, mientras que la RAM

estática no necesita ser refrescada tan frecuentemente, lo que la hace más rápida,

pero también más cara que la RAM dinámica. Ambos tipos son volátiles, lo que

significa que pueden perder su contenido cuando se desconecta la alimentación.

Ambos tipos de RAM son volátiles, significando que pierden su contenido cuando

se interrumpe el suministro de poder.

Memoria ROM

Su nombre viene del inglés Read Only Memory que significa Memoria de Solo

Lectura ya que la información que contiene puede ser leída pero no modificada.

En ella se encuentra toda la información que el sistema necesita para poder

funcionar correctamente ya que los fabricantes guardan allí las instrucciones de

arranque y el funcionamiento coordinado de la computadora. No son volátiles,

pero se pueden deteriorar a causa de campos magnéticos demasiados potentes.

La BIOS de una PC (Basic Input Operative System) es una memoria ROM, con la

facultad de configurarse según las características particulares de cada máquina.

Esta configuración se guarda en la zona de memoria RAM que posee esta BIOS y

se mantiene sin borrar cuando se apaga la computadora gracias a una pila que se

encuentra en la placa principal.

3.8 Disco Duro

El disco duro es un dispositivo de almacenamiento no volátil, es decir conserva la

información que le ha sido almacenada de forma correcta aun con la perdida de

energía. Emplea un sistema de grabación magnética digital; donde en la mayoría

de los casos se encuentra almacenado el sistema operativo de la computadora.

En este tipo de disco se encuentra una serie de platos metálicos dentro de la

carcasa, los cuales giran a gran velocidad. Sobre estos platos se sitúan los

cabezales encargados de leer o escribir los impulsos magnéticos. Hay distintos

estándares a la hora de comunicar un disco duro con la computadora. Existen

distintos tipos de interfaces las más comunes son:

• IDE (Integrated Device Electronics) también llamado ATA. Estándar más

utilizado hasta hace poco, por su versatilidad y bajo precio.

• SCSI (Small Computers System Interface) son discos duros de gran capacidad

de almacenamiento, generalmente usados en servidores.

• SATA (Serial ATA) es un nuevo estándar de conexión que utiliza un bus serie

para la transmisión de datos, estandarizado desde el año 2004.

Direccionamiento

Hay varios conceptos para referirse a las zonas del disco:

Plato: Cada uno de los discos que hay dentro del disco duro.●

Cara: Cada uno de los dos lados de un plato.●

Cabeza: Número de cabezales.●

Pista: Una circunferencia dentro de una cara; la pista 0 está en el borde exterior.●

Cilindro: Conjunto de varias pistas; son todas las circunferencias que están●

alineadas verticalmente (una de cada cara).

Sector: Cada una de las divisiones de una pista. El tamaño del sector no es fijo,●

siendo el estándar actual 512 bytes.

Antes que los datos puedan ser guardados en un disco duro, el disco debe

primero ser dividido en áreas numeradas, para que los datos puedan ser

fácilmente recuperados. Dividir el disco para que los datos puedan ser fácilmente

escritos y recuperados es lo que se conoce como formatear el disco, que consiste

en dividir cada superficie de datos en pistas y sectores.

Figura 85. Pistas sobre un segmento de un disco duro


Figura 96. Sectores y pistas de un disco.

Estructura física

Dentro de un disco duro hay varios platos (entre 2 y 4), que son discos (de

aluminio o cristal) concéntricos y que giran todos a la vez. El cabezal (dispositivo

de lectura y escritura) es un conjunto de brazos alineados verticalmente que se

mueven hacia dentro o fuera según convenga, todos a la vez. En la punta de

dichos brazos están las cabezas de lectura/escritura, que gracias al movimiento

del cabezal pueden leer tanto zonas interiores como exteriores del disco.

Cada plato tiene dos caras, y es necesaria una cabeza de lectura/escritura para

cada cara (no es una cabeza por plato, sino una por cara). Cada uno de los brazos

es doble, y contiene 2 cabezas: una para leer la cara superior del plato, y otra para

leer la cara inferior.

6 http://www.tpub.com/content/fc/14100/css/14100_256.htm

Las cabezas de lectura/escritura nunca tocan el disco, sino que pasan muy cerca

(hasta a 3 nanómetros) ó 3 millonésimas de milímetro. Si alguna llega a tocarlo,

causaría muchos daños en el disco, rayándolo gravemente, debido a lo rápido que

giran los platos (uno de 7.500 revoluciones por minuto se mueve a 120 km/h en el

borde).

Figura 107. Brazo de acceso de disco buscando en el cilindro 20

Características de un disco duro

Las características que se deben tener en cuenta en un disco duro son:

Tiempo medio de acceso: Tiempo medio que tarda la aguja en situarse en la●

pista y el sector deseado; es la suma del Tiempo medio de búsqueda (situarse en

la pista) y la Latencia media (situarse en el sector).

Tiempo medio de búsqueda: Tiempo medio que tarda la aguja en situarse en la●


pista deseada; es la mitad del tiempo empleado por la aguja en ir desde la pista

más periférica hasta la más central del disco.

Latencia media: Tiempo medio que tarda la aguja en situarse en el sector●

deseado; es la mitad del tiempo empleado en una rotación completa del disco.

Velocidad de rotación: Revoluciones por minuto de los platos. A mayor velocidad●

de rotación, menor latencia media.

Tasa de transferencia: Velocidad a la que puede transferir la información a la●

computadora una vez la aguja está situada en la pista y sector correctos. Puede

ser velocidad sostenida o de pico.

Actividades de Afianzamiento y evaluación

• Explique cuál es la principal función de la tarjeta madre (Motheboard)

• Identificar los componentes de las siguientes tarjetas madre:

TM 598 LMR

TM 830

TM 805

TM 755

• Realice las actividades del archivo encontrado en el siguiente link:

http://www.ie.itcr.ac.cr/marin/mpc/tmadre/anim4.html

• Explique en qué consiste el modelo de Computadora de Von Newman.

• Explique qué elementos intervienen de qué forma se realiza la suma de dos

números.

• Consulte las características de las memorias de computadora más comunes

usadas actualmente (semiconductoras) y realice un paralelo con las memorias

http://www.ie.itcr.ac.cr/marin/mpc/tmadre/anim4.html

magnéticas.

• Explique las diferencias entre las interfaces de discos duros IDE, SCOSI y

SATA.

• Explique cómo se realiza el grabado de datos en un disco duro.

Links de Interés

http://www.mundopc.net/ginformatico/p/procesad.phphttp://html.rincondelvago.com/memoria-ram-rom.htmlhttp://es.wikipedia.org/wiki/Memoria_RAMhttp://e-hardware.es/componentes-hardware/%C2%BFque-es-la-memoriahttp://es.wikipedia.org/wiki/Disco_durohttp://www.monografias.com/trabajos/discoduro/discoduro.shtmlhttp://html.rincondelvago.com/tipos-de-computadoras.html

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