EL ORDENADOR : COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO

1. Introducción

• Un ordenador es un sistema electrónico que sirve para almacenar y procesar datos.
• El ordenador toma datos del exterior (a través de las unidades de entrada), los almacena en su memoria, los procesa y los envía al operador (a través de las unidades de salida).
• Los datos se almacenan en forma de ceros y unos (código binario). Cada uno de esos ceros y unos se llaman bit (BInary digiT).

1.1. La información en el ordenador

• Con 1 bit se representan 2 informaciones o estados (2¹).
  Con 2 bits se representan 4 combinaciones de información (2²).
  Con 3 bits se representan 8 combinaciones de información (2³).
  Con 4 bits se representan 16 combinaciones de información (2⁴).
  Con n bits se representan n combinaciones de información (2ⁿ).
• Para representar el alfabeto necesitamos que cada letra esté representada al menos por 5 bits (2⁵=32).
• Para representar las letras y los signos gráficos, en minúsculas y mayúsculas, necesitamos la combinación de 7 bits (2⁷=128).
• Según la posición que ocupa dentro del conjunto de un número binario, cada bit tiene un peso determinado:

Número	N.º de bit	Valor	Equivalencia
0	1º	20	1
1	2º	21	2
2	3º	22	4
3	4º	23	8
4	5º	24	16
5	6º	25	32
6	7º	26	64
7	8º	27	128

• La agrupación de 8 bits se denomina byte. El byte puede asumir 256 valores (las combinaciones posibles con 8 bits). El primer bit del byte (b⁰) es el menos significativo o de menos peso de todos:

1	0	1	1	0	0	1	0
b7	b6	b5	b4	b3	b2	b1	b0

• Para representar las informaciones (letras, números) con bits hace falta una codificación. Hay muchos códigos (reglas de codificación) diferentes. Los más conocidos son los siguientes:
  1. BCD (Bynari Coded Decimal): codificación a 6 bits, permite la codificación de 64 caracteres (2⁶).
  2. EBCDIC (Extended BCD Interchange Code): codificación a 8 bits, permite la codificación de 256 caracteres (por ejemplo, “libro” necesita 5 grupos de 8 bits; “64” necesita 2).
  3. ASCII (American Standard Code for Information Interchange): igual que el anterior pero con distinta codificación. Es el más extendido.
  4. Interno: el que adopta cada ordenador para representar los caracteres en su propio memoria.

1.2. Partes del ordenador

	Hardware	Software
Componentes	Unidad central de procesos Memoria Periféricos	Programas de aplicación
Características	Parte dura o material Elementos materiales, tangibles, físicos (chips, circuitos, etc.) Conjunto de elementos físicos Comparable a la fuerza Difícilmente alterable	Parte blanda o lógica Elementos intangibles de programación   Conjunto de programas e intrucciones Comparable a la inteligencia Alterable para cada tarea

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2. El hardware

2.1. Unidad Central de Procesos

• Se le conoce como CPU (o también UCP).
• Es la pieza central, el cerebro del ordenador. Realiza las funciones de los programas (o sea, manipular los datos almacenados en memoria, realizando con ellos operaciones muy simples, como sumas, restas, comparaciones, etc.).
• Tres partes: memoria principal, unidad de control y unidad lógico-arirmética (ALU).
• El funcionamiento de la C.P.U. puede representarse por medio del siguiente esquema:

• Memoria principal: dispositivo electrónico en el que se almacena el programa que determinará la actuación de la CPU y los datos que serán manejado por la CPU
• Unidad de control: controla y coordina las operaciones que se hagan con los datos. Lee los datos necesarios de la memoria y activa los circuitos necesarios de la ALU
• Unidad aritmético-lógica (ALU): realiza las operaciones aritméticas y lógicas con los datos que recibe de la unidad de control, procedentes de la memoria principal.

2.2. Memoria principal

2.2.1. Concepto

• La memoria consiste en millones de pequeños circuitos que sólo memorizan dos tipos físicos de información: si pasa corriente o si no pasa. Cada impulso eléctrico implica la memorización del dígito (1), mientras que la interrupción e la corriente supone la memorización del dígito (0). Toda la codificación juega, pues, con un sistema binario.
• La memoria está dividida en celdas:
  1. Cada celda almacena información dependiendo del número de bits de la memoria.
  2. Cada celda tiene su dirección específica, pues las memorias se organizan en un cuadro o matriz, con filas y columnas.
  3. Cada celda es direccionable por la CPU (es decir, puede leerse o escribirse directamente).
• En la memoria se almacenan dos tipos de información:
  1. Las instrucciones del programa que dirigen la actuación de la CPU.
  2. Los datos que procesará la CPU, de acuerdo con esas instrucciones.

2.2.2. Las características

• Tiempo de acceso: media de los tiempos de lectura y escritura.
• Tiempo de lectura: tiempo transcurrido desde que la dirección está en el BUS hasta que los datos están disponibles a la salida.
• Tiempo de escritura: el que tarda la CPU en grabar un dato.
• Capacidad: depende del número de celdas y del número de bits de cada celda. Por ejemplo:
  1. 8 columnas x 4 filas=32 celdas
  2. 8 bits por celda x 32 celdas=256 bits (i.e., 32 bytes)
• Otras características: densidad de información (número de información por unidad de volumen); volatilidad; potencia disipada o consumida (en milivatios); coste (precio por cada bit almacenado).

2.2.3. Jerarquía de las memorias (ordenadas por su capacidad)

• Memoria de borrado o de tampón (scratch-pad-memory): muy rápidas pero de muy poca capacidad.
• Memorias centrales: antes eran núcleos de ferrita; hoy son circuitos integrados.
• Memorias de masa: de gran capacidad, en los periféricos.

2.2.4. Tipos de memoria central

• Hay dos tipos básicos: RAM y ROM
• Memoria RAM (Random Acces Memory):
  1. De acceso aleatorio, i.e., la CPU tarda lo mismo en acceder a cualquier palabra, independientemente de su dirección (n.º de la célula de memoria).
  2. Volátil: se pierde cuando se apaga el ordenador. Por eso hay memorias auxiliares (discos).
  3. De lectura escritura: la CPU puede leer y escribir en sus células.
  4. Se conoce como memoria de usuario. A esto se hace referencia cuando se dice que tal ordenador tiene, por ejemplo, 32 Mb. de memoria.
• Memoria ROM (Read Only Memory):
  1. De acceso directo, secuencial.
  2. De lectura: los datos los introduce el fabricante.
  3. No volátil.
  4. Hay variantes: PROM (programable una sola vez por el programador); EPROM y RPROM (programables varias veces, se diferencian en el procedimiento para borrar los datos).
• Hay otro tipo de memoria, que es la memoria caché, de velocidad de acceso muy superior a la RAM. Aumenta las prestaciones de un ordenador pero se instala sólo la mínima imprescindible (cada vez más, por supuesto), porque es muy cara.

2.2.5. Clasificación de la memoria RAM

• La memoria RAM puede clasificarse en distintos tipos, dependiendo de su posición en el mapa de memoria.
• Memoria convencional: la ubicada en los primeros 640 Kb. de memoria.
• Memoria superior:
  1. Son los 384 Kb. que siguen a la memoria convencional, hasta completar 1 Mb., que es la cantidad de memoria que puede direccionar.
  2. Esta limitación viene dada por el procesador 80086, que tiene un bus de direcciones de 20 bits, con lo cual sólo puede direccionar 220 posiciones, es decir, 1.024 Kb. (1 Mb.).
  3. En esta zona de memoria se almacena la ROM de arranque, la memoria de vídeo, las BIOS, etc.
  4. Dentro de esta memoria hay zonas libres, que se llaman bloques de memoria superior (UMB, Upper Memory Block), que pueden ser utilizadas en los equipos con procesador 80386 o superior.
• Memoria extendida:
  1. Es la memoria instalada en las ranuras de expansión de la placa madre.
  2. Los primeros 64 Kb. se llaman memoria alta.
  3. Esta memoria aprovecha las prestaciones de los procesadores 80286 (bus de 24 posiciones, que puede gestionar 16 Mb. de memoria) y 80386 y 80486 (bus de 32 posiciones, que puede gestionar hasta 4 Gb. de memoria).
• Memoria expandida:
  1. No tiene dirección fija en el ordenador: es un truco ideado por Lotus, Intel y Microsoft (LIM) para franquear la barrera de los 640 Kb.
  2. Se le suele llamar LIM EMS (Lotus-Intel-Microsoft Expanded Memory Specification).
  3. Para disponer de esta memoria hay que instalar un controlador específico en el fichero CONFIG.SYS.

2.2.6. Medidas de memoria

• Cada elemento o célula de la memoria se llama palabra.
• Cada palabra tiene una serie de unos y ceros (bits).
• El número de bits de cada palabra (lo que se denomina longitud de palabra) depende del tipo de ordenador.
• La longitud de palabra distingue por tanto la potencia de los ordenadores . Por ejemplo, un ordenador de 64 bits de longitud de palabra opera sobre esos 64 bits de un solo paso, mientras que un microordenador de 8 bits necesita varios pasos sucesivos, de 8 en 8 bits.
• BYTE: palabra constituida por 8 bits.
• KILOBYTE (Kb.): 1.024 bytes.
• MEGABYTE (Mb.): 1.024 Kb. (1.048.576 bytes).
• GIGABYTE (Gb.): 1.024 Mb. (1.063.742.842 bytes; o también 8.509.934.734 bits).

2.2.7. La BIOS

• El término BIOS es el acrónimo de Basic Input-Output System (sistema básico de entrada- salida).
• Las BIOS son memorias EPROM en las que se almacenan todas las rutinas de servicio, que son las rutinas que se ejecutan cuando se producen las interrupciones.
• Por ejemplo, la interrupción 16H corresponde a la rutina de servicio de teclado.
• La CMOS:
  1. En las BIOS del ordenador está grabado actualmente un programa con la información de la configuración del sistema (su procesador, su memoria, sus dispositivos, etc.): la CMOS.
  2. Para acceder a ella se debe pulsar una tecla predeterminada antes de la carga del sistema operativo.
  3. Esta información está mantenida por la batería del ordenador (que alimenta, además, el reloj).

2.3. Los periféricos

• Hay dos tipos de periféricos:
  1. De comunicación (de entrada y salida): comunican al ordenador con el exterior.
  2. De almacenamiento: almacenan grandes cantidades de información, que no cabe en la CPU.
• Los interfaces de entrada/salida:
  1. Comunican a la CPU con el periférico.
  2. Transforman la información que está en lenguaje de ordenador en información comprensible, y viceversa.
  3. Acoplan la velocidad de trabajo del ordenador con la del periférico.
• Modos de asociación del periférico al ordenador:
  1. Línea compartida: se comunican a través de un solo bus o conjunto de líneas.
  2. Radial: cada periférico se comunica por su propio bus.
  3. En cadena: las señales de comunicación se van propagando de un periférico a otro.

2.3.1. Los buses

• La CPU se comunica con todas las posiciones de memoria y con los periféricos a través de grupos de conductores llamados buses.
• Tipos:
  1. Bus de datos: en él viajan los datos. Puede ser de entrada o de salida con respecto a la CPU.
  2. Bus de direcciones: selecciona (direcciona) las partes del ordenador (por ejemplo, una dirección de memoria para leerla). Es de salida de la CPU.
  3. Bus de control: en él viajan las señales de control de todo el sistema. Es de entrada/salida de la CPU.
• Todas las informaciones (datos, direcciones o control) viajan por los hilos de los buses en forma de ausencia/presencia de tensión sobre cada uno de ellos (0/1).
• Comparación: un bus de 8 hilos es como una autopista de 8 carriles.

2.3.2. Periféricos de entrada/salida

• Teclado (de entrada):
  1. Cada tecla envía un código al ordenador. El código estándar es el ASCII.
  2. Hay distintos grupos de teclas: alfabéticas, numéricas y de función.
• Digitalizador (de entrada): transforma gráficos en datos por medio de un eje de coordenadas.
• Lápiz óptico (de entrada): utiliza la pantalla de manera análoga a la de un digitalizador.
• Lector de tarjetas (de entrada): el soporte es una banda magnética grabada.
• Lector de código de barras (de entrada): emite luz y registra las variaciones producidas según las barras.
• Ratón (de entrada): la bola del ratón transmite el movimiento sobre la mesa al ordenador.
• Terminal (de entrada/salida):
  1. Tiene teclado y pantalla.
  2. Necesita algo de RAM como buffer o almacén temporal de los datos.
  3. Suelen llevar un microprocesador que les permite hacer algunas tareas por sí mismos.
• Modem (de entrada/salida): conecta equipos informáticos por la línea telefónica.
• Pantalla (de salida):
  1. Tipos: alfanuméricas (por filas y caracteres, en desuso) y gráficas.
  2. Capacidades de las gráficas: por puntos (600x400, 1.200x700, etc.).
  3. Tarjetas controladoras: controlan los puntos que pueden situarse en una posición cualquiera. Son las VGA, SVGA, etc.
• Impresora (de salida):
  1. Tipos: de margarita, matriciales (ambas en desuso), de inyección y láser (todas éstas son seriales; antes había de línea).
  2. El ordenador manda los datos mucho más rápido de lo que la impresora puede imprimir. Los datos se almacenan en un buffer, desde donde salen para ser imprimidos. Cuando el buffer está lleno se lo comunica al ordenador, y éste puede así continuar con otra tarea.
• Plotter (de salida):
  1. Para representaciones gráficas de gran resolución.
  2. Mecanismo de impresión: una serie de plumillas de colores que dibujan sobre un papel. Hoy hay también de láser.
  3. Periférico inteligente: tienen microprocesador y software propio.
  4. Muchos tipos, según tamaño, colores, rapidez y resolución.

2.3.3. Periféricos de almacenamiento

• La memoria masiva no puede ser procesada directamente por la CPU. Es necesaria una doble trasferencia: de la memoria masiva a la memoria principal (para procesar) y de la memoria principal a la masiva (para almacenar).
• Primeros mecanismos: tarjetas perforadas, cintas de papel perforado, tambor magnético.
• Disco flexible (disquete, diskette, floppy-disk), de uso común en los microprocesadores:
  1. Es un disco de plástico, recubierto por ambas caras por un material magnetizable, todo ello metido en una cubierta cuadrada.
  2. Tiene dos agujeros: uno central, para el acoplamiento del mecanismo de rotación, y otro más pequeño, que es el punto índice.
  3. Tamaño variable: hoy prácticamente todos son de 3 ¼ pulgadas.
  4. Se organiza en pistas concéntricas (tracks) y en sectores, que dividen esas pistas.
  5. La cabeza de lectura/escritura lee o graba información sobre los sectores.
  6. Capacidad: el estándar actual es de 1'4 Mb. (la versión inicial tenía 74 pistas x 26 sectores x 128 en cada pista=246.272 bytes por cara).
  7. Se distinguen cuatro partes: el sector de arranque (datos sobre su estructura); la FAT (tabla de localización o asignación de ficheros); el directorio raíz (tras las FAT); la zona de datos.
• Disco duro:
  1. Soporte magnético, generalmente de aluminio, recubierto por una película magnetizable.
  2. Tamaño: varía (desde 5 ¼ hasta 14 pulgadas), pero los más usuales son de 8 y de 14 pulgadas.
  3. Cada cara está surcada por cierto número de pistas, cada vez de mayor capacidad.
  4. Existe el disk-pack o pila de discos (varios discos apilados para aumentar la superficie de grabación).
  5. Hay una cabeza de lectura/grabación (o varias si hay un disk-pack).
  6. La grabación por pista es constante: a medida que se acerca al centro la densidad aumenta .
  7. Tiempo de acceso a la información: depende de la velocidad de rotación del disco y de la colocación de las cabezas.
• Comparación disco duro / disco flexible:
  1. El duro tiene más capacidad, incluso siendo del mismo tamaño (proporción mínima de 1 a 4).
  2. El duro es más rápido, por su mayor velocidad de rotación (más de 10 veces más).
  3. El flexible es más manejable y barato.
• Discos ZIP: del tamaño de un disquete (algo más gruesos), pero con una cabida aproximada de 100 Mb. (hay varios tipos).
• Disco óptico (CD-ROM):
  1. Extraible del driver (disquetera), como el flexible.
  2. Escribe con un láser semiconductor de baja potencia.
  3. Distintas capacidades. El estándar actual es de 650 Mb.
  4. Actualmente ya se está generalizando el DVD, de mucha más capacidad. La definición de su estándar definitivo aún es dudosa.
• Cintas magnéticas:
  1. De bobina, cassettes o cartuchos: son los conocidos como discos de back-up.
  2. Su capacidad depende de su longitud y de su densidad de grabación.
  3. El acceso a la información es secuencial: para llegar a un punto hay que leer los anteriores (por eso se suele usar par guardar grandes cantidades de información de uso poco habitual).

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3. El software

• El software es un conjunto de programas que controla la actuación del ordenador (puesto que éste, por sí solo, es incapaz de realizar ninguna función).
• El software es el nexo de unión entre el ordenador y el usuario (separados por el lenguaje).
• Programas:
  1. Secuencias de instrucciones que puede interpretar un ordenador para efectuar alguna tarea.
  2. Cada instrucción es una acción elemental.
  3. Están divididos en rutinas (subconjuntos de instrucciones).
• El software del sistema:
  1. Conjunto de programas que establecen una relación básica y fundamental entre el ordenador y el usuario.
  2. Dos componentes: sistema operativo y lenguajes.
• Esquema de los componentes de un ordenador:

3.1. El sistema operativo

• Es un interfaz entre el hardware y el software (entre el hardware y el usuario).
• Es comparable a la electricidad en una casa.
• Controla el ordenador para que realice todas las tareas necesarias para su funcionamiento básico.
• El programa del sistema operativo contiene diversas rutinas:
  1. Escribir y leer datos en cualquier dispositivo.
  2. Controlar el principio y el fin de cada programa.
  3. Cargar los programas en la memoria principal.
  4. Leer los caracteres del teclado.
  5. Controlar los periféricos.
  6. Reducir al máximo los tiempos muertos.
• Hay muchos sistemas operativos: Windows, Unix, Lynux, etc.
• Utilidades del sistema operativo: unos programas que realizan tareas (edición, copia de discos, clasificación, comunicación, etc.).

FUNCIONAMIENTO

Placa base (mother board), donde aparecen los pasos que sigue la inicialización del ordenador para su puesta en funcionamiento a partir del momento que oprimimos el botón de encendido.

Cuando encendemos el ordenador, la corriente eléctrica (1) llega al transformador de fuerza o potencia (2). A través del conector (3) el transformador distribuye las diferentes tensiones o voltajes de trabajo a la placa base, incluyendo el microprocesador o CPU (4). Inmediatamente que el microprocesador recibe corriente, envía una orden al chip de la memoria ROM del BIOS (5) (Basic Input/Output System – Sistema básico de entrada/salida), donde se encuentran grabadas las rutinas del POST ( Power-On Self-Test – Autocomprobación diagnóstica de encendido) o programa de arranque. Si no existiera el BIOS conteniendo ese conjunto de instrucciones grabadas en su memoria, el sistema informático del ordenador no podría cargar en la memoria RAM la parte de los ficheros del Sistema Operativo que se requieren para iniciar el arranque y permitir que se puedan utilizar el resto de los programas instalados.

Una vez que el BIOS recibe la orden del microprocesador, el POST comienza a ejecutar una secuencia de pruebas diagnósticas para comprobar sí la tarjeta de vídeo (6), la memoria RAM (7), las unidades de discos [disquetera si la tiene, disco duro (8), reproductor y/o grabador de CD o DVD], el teclado, el ratón y otros dispositivos de hardware conectados al ordenador, se encuentran en condiciones de funcionar correctamente.

Cuando el BIOS no puede detectar un determinado dispositivo instalado o detecta fallos en alguno de ellos, se oirán una serie sonidos en forma de “beeps” o pitidos y aparecerán en la pantalla del monitor mensajes de error, indicando que hay problemas. En caso que el BIOS no detecte nada anormal durante la revisión, se dirigirá al boot sector (sector de arranque del disco duro) para proseguir con el arranque del ordenador.

Durante el chequeo previo, el BIOS  va mostrando en la pantalla del monitor diferentes informaciones con textos en letras blancas y fondo negro. A partir del momento que comienza el chequeo de la memoria RAM,  un contador numérico muestra la cantidad de bytes que va comprobando y, si no hay ningún fallo, la cifra que aparece al final de la operación coincidirá con la cantidad total de megabytes instalada y disponible en memoria RAM que tiene el ordenador para ser utilizada.

Durante el resto del proceso de revisión, el POST muestra también en el monitor un listado con la relación de los dispositivos de almacenamiento masivo de datos que tiene el ordenador instalados y que han sido comprobados como, por ejemplo, el disco o discos duros y el lector/grabador de CD o DVD si lo hubiera.

Cualquier error que encuentre el BIOS durante el proceso de chequeo se clasifica como “no grave” o como “grave”. Si el error no es grave el BIOS sólo muestra algún mensaje de texto o sonidos de “beep”sin que el proceso de arranque y carga del  Sistema Operativo se vea afectado. Pero si el error fuera grave, el proceso se detiene y el ordenador se quedará bloqueado o colgado. En ese caso lo más probable es que exista algún dispositivo de hardware que no funcione bien, por lo que será necesario revisarlo, repararlo o sustituirlo.

Cuando aparecieron los primeros ordenadores personales no existían todavía los discos duros, por lo que tanto el sistema operativo como los programas de usuarios había que cargarlos en la memoria RAM a partir de un disquete que se colocaba en la disquetera. Cuando surgió el disco duro y no existían todavía los CDs, los programas se continuaron introduciendo en el ordenador a través de la disquetera para grabarlos de forma permanente en el disco duro, para lo que era necesario utilizar, en la mayoría de los casos, más de un disquete para instalar un solo programa completo. Por ese motivo, hasta la aparición de los lectores de CDs, el programa POST de la BIOS continuaba dirigiéndose primero a buscar el sistema operativo en la disquetera y si como no lo encontraba allí, pasaba entonces a buscarlo en el disco duro.

Si por olvido al apagar esos antiguos ordenadores se nos había quedado por olvido algún disquete de datos introducido en la disquetera, al encender de nuevo el equipo el proceso de inicialización se detenía a los pocos segundos, porque el BIOS al leer el contenido de ese disquete encontraba otro tipo de datos  y no el sistema operativo. Cuando eso ocurría solamente había que extraer el disquete de la disquetera y oprimir cualquier tecla en el teclado. De inmediato el BIOS continuaba la búsqueda, dirigiéndose al disco duro, lugar donde se encontraba y encontramos grabado todavía el sistema operativo, incluso en los ordenadores más actuales.