HARDWARE DE UN ORDENADOR PERSONAL - ANGEL MARTINEZ SANCHEZ
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HARDWARE DE UN ORDENADOR
PERSONAL
ANGEL MARTINEZ SANCHEZ
Hardware de un PC Ángel Martínez Sánchez
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HARDWARE DE UN ORDENADOR PERSONAL
INDICE
1 Introducción ..............................................................................................................3
2.1 Un poco de historia: Generaciones de ordenadores .................................................3
2.2 Un poco (más) de historia: evolución de los ordenadores personales .......................3
2.3 Hardware versus software .....................................................................................5
3 Estructura básica de un ordenador ............................................................................5
3.1 Unidad Central de Proceso ..................................................................................7
3.1.1 Unidad Aritmético-Lógica (UAL) ...................................................................7
3.1.2 Unidad de Control (UC) ................................................................................7
3.2 Bus ....................................................................................................................8
3.3 Sistema de memoria .........................................................................................11
4. Unidades de almacenamiento .................................................................................17
4.1 Estructura física de un disco duro ....................................................................17
4.2 Estructura lógica del disco ...............................................................................18
4.3 Controladora del disco duro ..............................................................................19
5. Periféricos .............................................................................................................20
5.1. De entrada .......................................................................................................20
5. 1.1 Teclado......................................................................................................21
5.1.2 Ratón .........................................................................................................21
5.1.3 Tabletas digitalizadoras.............................................................................22
5.1.4 Escáner ......................................................................................................22
5.1.5 Lápiz óptico ................................................................................................24
5.2 Periféricos de salida.........................................................................................24
5.2.1 Sistema de vídeo ........................................................................................24
5.2.1.1 Monitor ....................................................................................................24
5.2.1.2 Memoria de vídeo ....................................................................................26
5.2.1.3 Controlador de vídeo ...............................................................................27
5.2.2 Impresoras .................................................................................................27
5.2.2.1 Impresoras de impacto ............................................................................27
5.2.2.1.1 Impresoras matriciales o de agujas ......................................................27
5.2.2.1.2 Impresoras de margarita ......................................................................29
5.2.2.1.3 Impresoras de banda............................................................................29
5.2.2.1.4 Impresoras de tambor .........................................................................29
5.2.2.2 Impresoras sin impacto ..........................................................................29
5.2.2.2.1 Impresoras térmicas ............................................................................30
5.2.2.2.2 Impresoras electrostáticas .................................................................30
5.2.2.2.3 Impresoras láser .................................................................................31
5.2.2.2.4 Impresoras de inyección de tinta .........................................................32
5.2.2.2.5 Impresoras de sublimación de tintas....................................................33
5.2.2.2.6 Impresoras de ceras (o de transferencia térmica) ..............................33
5.2.3 Trazadores gráficos o plotters ..................................................................34
5.3 Periféricos de entrada/salida...........................................................................34
5.3.1 Módem (Modulador/demodulador) ..............................................................34
5.3.2 Tarjetas de red .........................................................................................35
5.3.2 Pantallas táctiles .......................................................................................35
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Hardware de un PC Ángel Martínez Sánchez
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1 Introducción
Estos apuntes pretenden dar una visión general de algo tan poco sugerente, por lo
menos en cuanto a su nombre, como es el hardware de un ordenador personal. Por
supuesto que no pueden ser exhaustivo y que quedan anticuadas en el momento en que
son escritos, dada la velocidad con que evoluciona las tecnologías de la información. Por
ello los datos no hay que asumirlos como exhaustivos sino como referencia orientativa.
2.1 Un poco de historia: Generaciones de ordenadores
- Primera generación: Corresponde a los ordenadores electrónicos constituidos
por válvulas de vacío. Eran muy voluminosos, sujetos a múltiples averías y con
un alto consumo energético. En un principio estaban orientados a ser utilizados
en el cálculo científico, aunque muy pronto se ofrecieron para operaciones de
gestión.
- Segunda generación: Surge con la utilización de transistores montados sobre
circuitos impresos. El volumen, el costo y la fiabilidad mejoraron
considerablemente.
- Tercera generación: Al perfeccionarse las tecnologías de semiconductores
condujo a la obtención de componentes que incluían múltiples transistores,
resistores y diodos. Estos componentes, llamados circuitos integrados fueron
utilizados en los ordenadores dando lugar a esta generación.
- Cuarta generación: Se puede situar en la aparición de los circuitos con
integración a gran escala (VLSI). En 1971 la firma Intel consiguió integrar en
un solo bloque la mayor parte de una Unidad Central de Proceso, fabricando un
componente (el 4004) al que se empezó a llamar microprocesador.
2.2 Un poco (más) de historia: evolución de los ordenadores personales
La evolución de los ordenadores personales se puede resumir en los siguientes hitos:
- En 1977 surge el Apple II, primer ordenador personal con prestaciones
adecuadas y éxito en el mercado.
- En 1979 aparece la primera aplicación ofimática para los ordenadores
personales: la hoja de cálculo Visicalc para Apple II.
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- Es a parti r de 1981, fecha de lanzamiento del PC (Personal Computer) de IBM y
del sistema operativo DOS (Disk Operating System) y la posterior adopción de
sus componentes más esenciales por otros fabricantes, cuando los ordenadores
personales adquieren las dimensiones de productos de venta y utilización
masiva.
- En 1982 se comercializa la primera hoja de cálculo para los ordenadores
personales IBM o compatibles, denominada Lotus 1-2-3.
- En 1984 aparece el ordenador personal Macintosh, diferente en concepción y
arquitectura al ordenador personal IBM y compatibles.
- En 1987 surge la segunda generación de ordenadores personales IBM, los PS/2.
Los fabricantes de compatibles no secundan esta segunda generación.
- En 1990 se comercializa el sistema operativo Windows versión 3.0, primer
entorno operativo con éxito comercial que incorpora interfaz gráfico de
usuario y capacidades de multitarea, aunque limitada, para ordenadores
personales IBM o compatibles.
- En 1992 se lanza el sistema operativo OS/2 versión 2.0 para los ordenadores
personales IBM o compatibles, que es el primer sistema operativo con
capacidades reales de multitarea.
- En 1993 aparece el sistema operativo Windows NT para ordenadores
personales IBM o compatibles, que ofrece servicios avanzados tales como
conectividad a redes o multiproceso simétrico.
- En 1994 Apple comercializa el primer ordenador personal, modelo Macintosh,
empleando un procesador con tecnología RISC (Reduced Instruction Set
Computer).
- En 1995 se produce el lanzamiento de Windows 95, sucesor de Windows 3, que
constituye un auténtico sistema operativo, a la vez que sus grandes
posibilidades gráficas, multimedia y de conexión de componentes lo convierten
en el sistema operativo más utilizado. En 1998 se lanza Windows 98,
actualización de Windows 95, que mejora a éste en una mayor robustez y
mayor velocidad de ejecución de aplicaciones. También aparece Windows NT
4.0, que Microsoft en el campo de los sistemas operativos para servidores y
estaciones de trabajo.
- En el año 2000 aparecen Windows Millenium, sucesor de Windows 98, y
Windows 2000 sucesor de Windows NT.
En la actualidad existen dos familias de ordenadores personales netamente
diferenciadas, la primera de las cuales está constituida por los productos fabricados
por IBM y sus compatibles, mientras que la segunda corresponde a los equipos que
forman la gama Macintosh. A pesar de esto, la familia de compatibles IBM está
ganando posiciones respecto a los Macintosh, principalmente debido a su menor precio
y mayor facilidad de ampliación.
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2.3 Hardware versus software
Un ordenador está constituido por un conjunto de circuitos y elementos físicos. A esta
parte se le denomina con el nombre ingles de hardware. El hardware de un ordenador
es totalmente inútil sin la existencia de lo que aporta “inteligencia” a la máquina, y a
ello se le llamo software. Esta palabra fue inventada exprofeso para indicar lo opuesto
a hardware.
3 Estructura básica de un ordenador
Un ordenador está formado por un conjunto de subsistemas o componentes con
funciones específicas dentro del funcionamiento global del mismo.
Siguiendo la arquitectura diseñada por Von Neumann a principios del siglo XX, un
ordenador consta de tres subsistemas fundamentales:
- Unidad Central de Proceso
Es el subsistema encargado de extraer secuencialmente de la memoria las
instrucciones, analizarlas y ejecutarlas, además de coordinar todos los subsistemas del
ordenador.
- Memoria
Se encarga de almacenar las instrucciones que constituyen el programa y,
eventualmente, los datos y los resultados.
- Subsistemas de Entrada/Salida
Permiten la comunicación del ordenador con el exterior.
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Los tres subsistemas se comunican entre sí a través del denominado bus, que es el
medio físico empleado para transmitir la información entre ellos.
El conjunto de programas que gestionan, controlan y optimizan la explotación de dichos
subsistemas reciben el nombre de sistema operativo.
Los componentes mencionados anteriormente son subsistemas comunes a cualquier
ordenador, ya sea personal, central, estación de trabajo, etc. Los ordenadores
personales se diferencian del resto por sus menores prestaciones, su gran versatilidad
y flexibilidad, su facilidad de manejo y por su mayor interacción con el usuario.
Además de los sistemas operativos, existe un segundo conjunto de programas,
denominado equipo lógico de usuario, que proporcionan las distintas funcionalidades a
las cuales puede ser destinado un ordenador personal. El equipo lógico de usuario se
clasifica según su ámbito de utilización en:
- Ofimática, en la cual se incluyen los procesadores de textos, las hojas de
cálculo, los paquetes gráficos y de presentaciones, las bases de datos
ofimáticas y los paquetes de autoedición.
- Multimedia.
- Diseño asistido por ordenador (CAD).
- Desarrollo profesional de aplicaciones.
- Aplicaciones de cálculo científico y de ingeniería.
- Aplicaciones especiales (inteligencia artificial, control de procesos,gestión
de redes, etc.).
- Servidores dedicados a funcionalidades específicas tales como servidorde
comunicaciones, servidor de fax, etc.
Como se ha dicho anteriormente, los ordenadores personales están constituidos,
minimamente, por los siguientes dispositivos:
-Unidad Central de Proceso (UCP)
-Unidad de Memoria
-Unidad de Entrada/Salida
y todos ellos se comunican entre si por medio de buses y ejecutan sus funciones
específicas sincronizados por un reloj.
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3.1 Unidad Central de Proceso
Es el componente encargado de llevar a cabo el proceso de la información y regular la
actividad de todo el sistema del ordenador. Está formada por una unidad de control
que lee, interpreta y realiza las instrucciones del programa en ejecución, una unidad
aritmético-lógica que ejecuta las operaciones lógicas y aritmé ticas, y una zona de
registros o zonas de almacenamiento donde se guardan los datos que se están
procesando. La unidad central de proceso suele denominarse con las siglas CPU (Central
Process Unit) o UCP (Unidad Central de Proceso), procesador o microprocesador.
Las unidades centrales de proceso se caracterizan principalmente por la tecnología
empleada (CISC o RISC), la longitud de la palabra de datos en bits, la utilización de
coprocesadores y por la frecuencia de reloj en MHz.
3.1.1 Unidad Aritmético-Lógica (UAL)
La unidad aritmética y lógica, llamada también unidad de cálculo, es la encargada de
efectuar el conjunto de operaciones con las que está dotado el ordenador. Se compone
de registros y de un conjunto de circuitos lógicos responsables de realizar las
operaciones lógicas y aritméticas prefijadas desde la etapa de diseño del ordenador.
3.1.2 Unidad de Control (UC)
La unidad de control es la encargada de gobernar el funcionamiento del ordenador.
La UC tiene como responsabilidad recibir e interpretar cada instrucción a ejecutar por
el ordenador, para posteriormente transformarla en una serie de microinstrucciones a
muy bajo nivel, particulares para cada arquitectura de ordenador.
La UC dispone de la circuitería necesaria para leer la dirección de memoria que
contiene la instrucción a ejecutar, localizar dicha instrucción y escribirla en un
registro destinado para tal fin en la UC (registro de instrucción). Posteriormente otro
elemento de la unidad de Control (Decodificador) transforma la información de este
registro en una información más amplia e inteligible para el secuenciador.
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El secuenciador analiza e interpreta la salida del decodificador, y en función de esta
información ejecuta un microprograma contenido en la memoria de control, que
produce las microinstrucciones necesarias para que se ejecute la instrucción.
Esta forma de ejecutar las instrucciones (por firmware) es propia de las UC
programadas que son las más extendidas.
Existen otro tipo de UC, llamadas UC cableadas donde las instrucciones están
implementadas por hardware.
Al finalizar la ejecución de la instrucción en curso, el registro contador de programa
contiene información sobre la dirección de memoria en que se encuentra la siguiente
instrucción que debe ejecutarse. Por tanto, una vez finalizada la ejecución de una
instrucción, la circuitería de la UC lee de este registro contador de programa la
dirección de la instrucción siguiente para su ejecución, volviendo nuevamente a
comenzar el ciclo.
Si la instrucción es compleja, generará muchas microinstrucciones y algunas de ellas
necesitarán varios ciclos de reloj para completarse. Como la ejecución de la instrucción
se dará por terminada cuando se hayan ejecutado todas las microinstrucciones, esta
instrucción compleja necesitará varios ciclos de reloj para su finalización.
3.2 Bus
Entre los componentes básicos que definen la estructura de un ordenador hay que
incluir el bus. Constituye el medio físico a través del cual se comunican entre sí todos
los componentes de un ordenador. Su capacidad y rendimiento deben estar en
correspondencia con la demanda de servicio que realizan los componentes a él
conectados, tales como la unidad central de proceso, la memoria, etc.
Un bus se puede caracterizar desde el punto de vista tecnológico por varios factores,
de los cuales los más significativos son su longitud de palabra de datos, el protocolo de
arbitrio y su velocidad de transferencia en MegaBytes/s.
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El bus de datos original de los primeros ordenadores obedece a la arquitectura ISA
(Industry Standard Architecture) que maneja palabras de 16 bits y posee una
velocidad de transferencia de 10 MB/s. Esta arquitectura constituye la base de la
mayoría de los equipos instalados aunque puede ocasionar cuellos de botella cuando se
trata de dar servicio a periféricos de alta velocidad como por ejemplo al sistema
gráfico.
La solución a este problema ha sido abordada desde varias alternativas:
1. La primera es la denominada arquitectura EISA (Extended Industry Standard
Architecture) que está constituida por un bus de 32 bits, proporciona una
velocidad de transferencia de 33 MB/s y mantiene plena compatibilidad con las
tarjetas ISA. Aún siendo tres veces más rápida que la arquitectura ISA, su
rendimiento es inferior a la demanda de servicio realizada por el sistema
gráfico, por lo que su presencia prácticamente se reduce a servidores de red
de área local como segundo bus de baja velocidad.
2. La arquitectura MCA (Micro Channel Architecture) está también constituida
por un bus de 32 bits y una velocidad de transferencia de 40 MB/s. Esta
arquitectura posee como principal inconveniente la incompatibilidad absoluta
con la arquitectura ISA. Ello significa una amenaza potencial a las inversiones
realizadas previamente en tarjetas de ampliación. En la actualidad su
utilización es residual en la línea de equipos PS/2 de IBM.
3. Otra posible solución ha sido propuesta bajo el nombre de VL-Bus (Vesa Local
Bus), que utiliza un bus de 32 bits y ofrece una velocidad de transferencia de
132 MB/s. Esta solución presenta la ventaja de sus elevadas prestaciones a
cambio de soportar un número pequeño de periféricos y ser dependiente de la
unidad central de proceso utilizada. La solución adoptada mayoritariamente por
los fabricantes consiste en la utilización de esta arquitectu ra para los
componentes más rápidos del ordenador, tales como el sistema gráfico y el
sistema de almacenamiento en disco, y el empleo de la arquitectura ISA para
dar servicio a los periféricos más lentos. Esta arquitectura soluciona
eficazmente los problemas más críticos de la arquitectura ISA y resuelve las
necesidades actuales en cuanto a potencia y rendimiento del ordenador.
4. La cuarta alternativa, denominada arquitectura PCI (Peripheral Component
Interconnect) está también constituida por un bus de 32 bits con velocidad de
transferencia de 33 Mhz en sus primeras versiones, y de 64 bits con 66Mhz de
velocidad en las más actuales. La arquitectura PCI presenta como principales
ventajas sus elevadas prestaciones, la configuración automática de periféricos
y su independencia con respecto a la unidad central de proceso utilizada. El
enfoque adoptado por los fabricantes es similar al utilizado en la arquitectura
VL-Bus: conectan al bus PCI los componentes más rápidos de ordenador y
emplean la arquitectura ISA para dar servicio a los periféricos más lentos.
Esta arquitectura ha sido diseñada para trabajar con unidades centrales de
proceso de altas prestaciones (Pentium, PowerPc, etc.) y ha conseguido el
respaldo de los grandes fabricantes de ordenadores.
En la práctica la arquitectura VL-Bus domina los equipos basados en 486 mientras que
la arquitectura PCI constituye la base de la mayoría de equipos basados en Pentium y
Pentium II.
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La asociación de fabricantes PCMCIA (Personal Computer Memory Card International
Association) ha desarrollado un bus de 32 bits que presenta, como principales
ventajas, la capacidad de configuración automática de los periféricos y la posibilidad
de insertar o extraer tarjetas del equipo sin necesidad de apagarlo, pero al mismo
tiempo adolece de inconvenientes potenciales en cuanto a posibilidad de intercambio de
tarjetas entre equipos de distintos fabricantes. La arquitectura PCMCIA se diseñó por
requisito exclusivo de la industria de ordenadores portátiles y hoy en día es el
estándar de este tipo de ordenadores. Existen distintos tipos de tarjetas PCMCIA
dependiendo de su grosor: tipo I (3,3 mm), tipo II (5 mm) y tipo III (10,5 mm). Lo más
conveniente en un portátil es que posea el mayor número posible de ranuras del tipo
III, pues en ellas se podrá conectar cualquier tarjeta PCMCIA.
Sin embargo, hay que tener en cuenta que el bus del puerto de vídeo funciona a 33
Mhz, con lo que sólo puede alcanzar una velocidad de transferencia de 133 MB/s,
cantidad que se alcanza fácilmente con una aplicación de elevada potencia gráfica..
Para solucionar este problema, se ha desarrollado un nuevo bus denominado AGP
(Puerto Gráfico Acelerado), empleado exclusivamente para el puerto de vídeo, pues son
las aplicaciones gráficas las que mayor uso hacen del bus. Una ventaja del puerto AGP
es que libera al bus PCI de todas las tareas gráficas, aumentando de esta manera el
ancho de banda del resto de periféricos que utilizan dicho bus.
Merece una mención aparte el USB (Universal Serial Bus), mediante el cual se
pretende la desaparición de los puertos de conexión en serie, en paralelo, el puerto del
ratón, teclado, etc. Este bus permite conectar hasta 128 periféricos, que serán
reconocidos automáticamente por los sistemas operativos que soporten este estándar.
Con este bus se facilita la conexión de los distintos periféricos que pueden conectarse
a la placa de un ordenador personal.
Reloj
El ordenador posee un funcionamiento síncrono gobernado por un reloj, de tal manera
que el tratamiento de la información se realiza con arreglo a una secuencia ordenada
de operaciones en el tiempo.
El reloj genera los impulsos eléctricos que permiten sincronizar las operaciones, esto
es, marca el principio, la duración y el final de cada operación. El número de impulsos
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generados se mide en Megahertzios (MHz) que indica el número de millones de pulsos
generados por el reloj en un segundo.
La frecuencia de reloj determina la velocidad en la transferencia de un dato entre dos
dispositivos conectados al mismo bus (por ejemplo, lectura de una palabra de memoria
por parte de la UCP). Para la transferencia completa de un dato pueden ser necesarios
varios ciclos de reloj, en cada uno de los cuales son ejecutadas las operaciones más
elementales que conforman dicha transferencia.
El incremento de la velocidad de proceso en los ordenadores personales se ha
conseguido gracias a la utilización de los últimos avances tecnológicos. Con el empleo de
la tecnología VLSI (Very Large Scale Integration, Integración a Escala Muy Grande)
disminuyen los costes asociados a todos los circuitos electrónicos.
Longitud de la palabra de datos
La longitud de la palabra de datos determina la cantidad de información que es capaz
de procesar simultáneamente la unidad central de proceso en cada pulso de reloj. Se
mide en bits. A mayor longitud de palabra mayor complejidad y circuitería necesaria en
la UCP, pero mayor potencia de proceso.
Coprocesador
La arquitectura de un PC también puede contar con coprocesadores. Estos son
microprocesadores especializados en la ejecución de determinados cálculos, que
descargan de estas funciones a la unidad central de proceso. Su necesidad depende de
la complejidad de las aplicaciones que van a ser ejecutadas.
3.3 Sistema de memoria
Clasificación
Se pueden elegir muchos criterios de clasificación de los tipos de memoria, uno de
ellos es por la posibilidad de escritura en ella:
- De acceso directo (o aleatorio): La selección de una unidad direccionable de
memoria requiere siempre el mismo tiempo, independientemente de su
situación física. Este tipo de memoria es conocida como RAM (Random Access
Memory). Se caracteriza por poder leer y escribir en ella. La memoria principal
del ordenador es de este tipo.
- ROM (Read Only Memory), que viene grabada en el proceso de fabricación y no
es posible reescribir sobre ella. Dentro de ellas, se pueden distinguir:
o ROM configuradas en el momento de su fabricación, una vez
configuradas no pueden ser borradas.
o EPROM (Erasable Programmable ROM). Este tipo de memorias se
pueden borrar (sometiéndolas a una exposición de rayos ultravioleta) y
posteriormente pueden ser programadas.
o EEPROM (Electrically Programmable ROM). Son memorias EPROM
borrables eléctricamente sin necesidad de recurrir a una extracción de
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su zócalo para ser sometida a la acción de los rayos ultravioleta. Un
ejemplo de ellas es la BIOS.
Memoria Principal
La memoria principal es la unidad del ordenador en donde se almacenan los datos y las
instrucciones de los programas en ejecución, que recupera y graba en ella la unidad
central de proceso a través de las dos operaciones básicas definidas sobre ella, una de
lectura y la otra de escritura. Para su comunicación se conectan directamente al mismo
bus ambas unidades, la UCP y la memoria.
La memoria principal puede ser central o expandida. La memoria central está dividida
en celdas formadas generalmente por un octeto. Cada uno de esos octetos es una
unidad direccionable en la memoria. El mapa de memoria se corresponde con el espacio
de memoria direccionable. Este espacio viene determinado por el tamaño de las
direcciones, es decir, por el tamaño del bus de direcciones.
Las características más importantes de la memoria principal son:
- Capacidad: Es la cantidad de información que puede almacenar, medida en
unidades de bits, octetos (Bytes) o palabras, junto con los prefijos K (kilo,210 =
1024 ), M (mega, 1K . 1K ), G (giga, 1M . 1K). Así, si decimos “esta memoria es
de 32 M”, estamos queriendo decir que tiene 32 . 220 bytes.
- Expansión: La máxima capacidad de memoria RAM determina el potencial del
ordenador para su futuro crecimiento. Esta máxima capacidad instalable
representa el rango de memoria que el ordenador puede soportar. Para ello, en
algunos modelos se pueden utilizar tarjetas de memoria además de la memoria
montada en la propia placa base. La memoria caché externa también puede ser
ampliada para cada procesador. Esta capacidad afecta al potencial del
ordenador para mejorar su rendimiento.
- Tiempo de acceso: El tiempo transcurrido desde que se solicita una lectura
hasta que la información está disponible en un registro fuera de la memoria
principal.
- Ciclo de memoria: tiempo requerido en la ejecución de una operación de
memoria y la solicitud inmediata a la memoria de otra operación idéntica.
La memoria central es direccionable por octetos, mientras que la expandida lo es por
páginas, lo cual indica mayor complejidad de circuitería para la memoria central, y por
tanto mayor coste.
La memoria expandida tiene como misión fundamental colaborar con la memoria central
en los procesos de paginación. Estos procesos sirven para dotar a los trabajos de una
memoria mayor de la que físicamente posee el ordenador.
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Cuando algún programa en ejecución necesita más memoria, envía una parte de la
memoria central, dividida en porciones iguales (llamadas “páginas de memoria”), a
memoria expandida o a disco. Preferentemente lo hará sobre memoria expandida,
dependiendo de si tiene suficiente cantidad libre, puesto que en el caso de que se
necesite recuperar de nuevo una información que ha sufrido un proceso de paginación,
el tiempo de recuperación será mucho más rápido si se encuentra en memoria
expandida que si se encuentra sobre memoria auxiliar (disco).
En la siguiente figura podemos ver los diferentes tipos de memoria organizados en
orden jerárquico de tiempo de acceso. Vemos que cuanto mayor es su velocidad de
transferencia (con la CPU) menor es su capacidad de almacenamiento y viceversa. El
objetivo de esta organización es adecuar la velocidad de la unidad central de proceso a
la velocidad de transferencia de la memoria al menor coste posible.
Antememoria (memoria caché) interna
La antememoria es una memoria auxiliar de acceso aleatorio (RAM) de baja capacidad y
muy rápida, que se añade entre la memoria principal y la UCP para mejorar el
rendimiento del ordenador. En la memoria caché, el sistema guarda las posiciones de la
memoria principal que más frecuentemente prevé que van a ser usadas, ganando mucha
velocidad en el acceso a éstas.
La memoria caché puede ser integrada, si está incluida en el propio procesador, o
externa, si está fuera del procesador. Esta última es instalable por el usuario. La
memoria caché en algunos sistemas se divide en caché de instrucciones y caché de
datos.
La arquitectura de la memoria caché puede ser mapeada directamente o responder a
una arquitectura (caché secundario unificado, Harvard Architecture, etc.) que
resuelve algunos de los inconvenientes que presenta la primera.
En la arquitectura mapeada directamente cada dirección de la memoria principal se
corresponde con una posición de la memoria caché. Pero cada posición de la caché
puede aceptar datos de multitud de direcciones de la memoria principal, aunque no de
más de una simultáneamente. Esta última circunstancia, la relación de varios a uno
entre la memoria principal y la memoria caché puede ser causa de cuellos de botella en
el acceso a datos.
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La memoria caché puede ser de dos tipos:
1. Caché de lectura: cuando la UCP intenta realizar una operación de lectura
sobre un dispositivo de memoria, principal o auxiliar (disco),antes
comprueba si esa información existe ya en la memoria caché. En el caso de
que así fuera, toma el dato de la memoria caché ahorrando tiempo de
proceso y operaciones de entrada/salida. Si la información solicitada se
encuentra en la memoria principal y no en la memoria caché, se recuperaría
de la memoria principal y se escribiría también en la memoria caché para un
posible uso posterior. Si la información no existiera en la memoria caché ni
en la memoria principal, se recuperaría del disco a la memoria principal y se
escribiría también en la memoria caché para un posible uso posterior. Si la
memoria caché estuviera llena, escribiría también la información
recuperada pero borraría la información que fue requerida hace más
tiempo. El objetivo de la memoria caché en lectura es mejorar el
rendimiento reduciendo el número de operaciones entrada/salida, para lo
cual el sistema situará en el caché los datos más utilizados.
2. Caché de escritura: en este tipo de caché las operaciones de escritura no
se apuntan directamente sobre memoria principal, sino que se escriben en
memoria caché, con lo cual la operación de entrada/salida se da por
finalizada y puede continuarse con el proceso de la siguiente instrucción.
Posteriormente esta información se transfiere de forma asíncrona a
memoria principal. El objetivo de la memoria caché en escritura es mejorar
el rendimiento liberando lo antes posible las operaciones de escritura.
Antememoria (memoria caché) externa
Las controladoras de las unidades de almacenamiento también pueden disponer de
memorias caché externas, en donde se copian los datos que van a ser grabados o leídos
de la unidad de almacenamiento, para mejorar las velocidades de transferencia de
datos a estos dispositivos
Configuración de memoria según el DOS
La memoria reside en la tarjeta del sistema principal del PC o en tarjetas de expansión
de memoria. A continuación se describen los tipos de memoria que podría tener un PC:
- Memoria convencional: Hasta los primeros 640 KB de memoria de un equipo.
Debido a que DOS administra por sí mismo la memoria convencional, no
necesita un administrador adicional.
- Area de memoria superior: Son los 384 KB de memoria que se encuentran a
continuación de los 640 KB de memoria convencional. El área de memoria
superior es utilizada por el hardware del sistema, como por ejemplo el
adaptador de vídeo. Las partes de la memoria superior que no se usan se
llaman bloques de memoria superior (UMB). Los bloques UMB se podrán
utilizar para ejecutar controladores de dispositivos y programas residentes
en memoria.
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- Memoria extendida (XMS): Es la memoria que se encuentra por encima de 1
MB. Esta memoria requiere un administrador de memoria extendida.
- Área de memoria alta (HMA): Son los primeros 64 KB de memoria
extendida.
- Memoria expandida (EMS): Es la memoria extra (además de la
convencional) que pueden utilizar algunas aplicaciones basadas en DOS. La
mayoría de los equipos pueden acomodar memoria expandida. La memoria
expandida se instala en una tarjeta de memoria expandida y viene
incorporada en el administrador de memoria expandida. Los programas
emplean memoria expandida en bloques de 64 KB dirigiéndose a una parte
del área de memoria superior llamada marco de página EMS. Debido a que un
administrador de memoria expandida proporciona acceso a sólo una cantidad
limitada de memoria expandida a un tiempo, el uso de ésta será más lento
que el de la memoria extendida.
Esta estructura de memoria ha desaparecido con el DOS, ya que OS/2, Windows 95 y
Windows 98 tienen un esquema de memoria plano.
Tipos de módulos de memoria
La memoria se inserta en el ordenador empleando unos conectores específicamente
diseñados para esto. Dichos conectores se presentan en dos formatos, que admiten dos
tipos de módulos de memoria distintos:
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Módulo Características
Módulos SIMM Utilizados en ordenadores
(Single Inline Memory con procesadores 486 y
Module) Pentium. Estos módulos
están en desuso. Existen
dos modelos: de 30
contacto y de 72 contactos,
siendo recomendables estos
últimos por su mayor
eficacia en la transferencia
de datos, y por poder
emplear módulos de mayor
de capacidad que alcanzan
hasta los 32 MB.
Módulos DIMM Empleados en los
(Dual Inline Memory ordenadores basados en los
Module) procesadores Pentium más
avanzados Pentium II y III.
Son módulos de 168
contactos, que emplean
tecnologías de
transferencia de datos más
avanzadas que los módulos
SIMM, y por ello su
eficacia en la transferencia
de dato s.
La fabricación de los módulos de memoria se realiza empleando tres tipos de
tecnología diferentes:
- FPM (Fast Page Mode), que ya ha quedado anticuada por ser la más antigua y la
que ofrece unas peores prestaciones, aparece en los módulos SIMM de 30 y 72
)contactos, y suele aparecer en ordenadores basados en procesadores 486 y en
los primeros Pentium.
- EDO (Extended Data Out) es la que se encuentra instalada en la mayoría de
los ordenadores personales que cuentan con procesadores Pentium y Pentium
Pro. Ofrece unas prestaciones muy superiores a la tecnología FPM, que ofrece
un tiempo de acceso y una velocidad de transmisión mucho mejor que las
memorias de tipo FPM, y se encuentra montada tanto en módulos SIMM de 72
contactos como en módulos DIMM de 168 contactos.
- Por último se encuentra la tecnología SDRAM (Synchronous Dynamic RAM),
aparecida en 1997, cuyos tiempos de acceso y transferencia son todavía
mejores que las memorias de tipo EDO. Esta memoria se distribuye con los
ordenadores que incorporan los últimos modelos de Pentium II, y se distribuye
en módulos DIMM de 168 contactos.
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4. Unidades de almacenamiento
Las unidades de almacenamiento son soportes físicos destinados a contener grandes
volúmenes de información. Son reutilizables indefinidamente y permiten dos
operaciones básicas: escritura y lectura.
Las unidades de almacenamiento se caracterizan fundamentalmente desde el punto de
vista tecnológico por la velocidad de transferencia en MB/s y por el tiempo medio de
acceso en milisegundos.
La unidad de almacenamiento tratada en este epígrafe es el disco duro.
4.1 Estructura física de un disco duro
Un disco duro se compone de muchos elementos; citaremos los más importantes de
cara a entender su funcionamiento.
En primer lugar, la información se almacena en unos finos platos o discos, generalmente
de aluminio, recubiertos por material sensible a alteraciones magnéticas. Estos discos
cuyo número varía según la capacidad de la unidad, se encuentran agrupados uno sobre
otro y atravesados por un eje, y giran continuamente a gran velocidad. Así mismo, cada
disco posee dos diminutos cabezales de lectura/escritura, uno en cada cara. Estos
cabezales se encuentran flotando sobre la superficie del disco sin llegar a tocarlo, a
una distancia de unas 3 ó 4 micropulgadas. Estas cabezas generan señales eléctricas
que alteran los campos magnéticos del disco, dando forma a la información
(dependiendo de la dirección hacia donde estén orientadas las partículas, valdrán 0 ó
1).
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Antes hemos comentado que los discos giran continuamente a gran velocidad; este
detalle, la velocidad de rotación, incide directamente en el rendimiento de la unidad,
concretamente en su tiempo de acceso. Es el parámetro más usado para medir la
velocidad de un disco duro, y lo forman la suma de dos factores: tiempo medio de
búsqueda (es él que tarda el cabezal en desplazarse a una pista determinada) y la
latencia (tiempo que emplean los datos en pasar por el cabezal). La velocidad de
rotación de las unidades antiguas era de 3.600 rpm, actualmente esta velocidad es
7.200 rpm e incluso 10.000 rpm.
4.2 Estructura lógica del disco
La superficie del disco se divide en una serie de anillos concéntricos, denominadas
pistas. Al mismo tiempo, las pistas son divididas en tramos de una misma longitud,
llamados sectores; normalmente un sector contiene 512 bytes. Otro concepto es el de
cilindro, usado para describir las pistas que tienen el mismo número pero en diferentes
discos. Finalmente, los sectores suelen agruparse en clusters o unidades de
asignación.
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La capacidad de un disco se mide con estos tres valores: número de sectores por
pistas, número de cabezas y número de cilindros (notación CHS).
4.3 Controladora del disco duro
Es un componente electrónico que gestiona el flujo de datos entre el sistema y el
disco, siendo responsable de factores como el formato en que se almacenan los datos,
su tase de transferencia, velocidad, etc.
Interfaz Disco Duro Velocidad Transferencia
IDE 1 - 4 MB/s
EIDE 11 MB/s
SCSI 5 MB/s
SCSI-2 10-40 MB/s
Las velocidades de transferencia expuestas son las máximas alcanzables y dependen en
todo momento de la arquitectura del bus al que estén conectados.
Si bien el interfaz IDE (Integrated Drive Electronics) no ofrece las prestaciones del
SCSI o SCSI-2, es el interfaz con mayor base instalada en el mercado. Este interfaz,
conectado a una buena arquitectura de bus, puede ofrecer unas prestaciones
adecuadas a la mayoría de usuarios finales.
El interfaz EIDE (Enhanced IDE) es una mejora del interfaz IDE a nivel de velocidad
de transferencia, número total de unidades gestionadas bajo la misma controladora
(máximo cuatro) y ofrece la posibilidad de conectar unidades CD-ROM, así como
superar el límite de los 500 MB de capacidad del interfaz IDE.. Similar al interfaz
EIDE es el sistema Fast ATA-2, que ofrece unas prestaciones muy parecidas al
anterior.
Los interfaces SCSI (Small Computer System Interface) y SCSI-2 presentan como
ventaja adicional sobre los interfaces anteriores su capacidad de controlar hasta ocho
periféricos en cadena con una única tarjeta. Sobre el interfaz SCSI hay que indicar
que su empleo en la actualidad es residual, estando más extendido en el mercado el
SCSI-2. No obstante su utilización está más enfocada hacia servidores de redes de
área local.
Dentro de la interfaz SCSI-2 hay que distinguir los siguientes tipos de protocolos:
- Fast SCSI-2 que permite una velocidad de trasferencia de 10 MB/s.
- Wide SCSI-2 que alcanza una tasa de transferencia de 20 MB/s.
- Fast Wide SCSI-2 que proporciona una velocidad de transferencia
asíncrona de 40 MB/s.
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Existe un conjunto de especificaciones para interfaces EIDE, denominada Ultra-DMA,
que permite alcanzar tasas de transferencia de 16,6 MB por segundo, con ráfagas
cercanas a los 30 MB.
El número máximo de unidades de almacenamiento bajo la misma controladora y la
capacidad máxima de almacenamiento son factores con una influencia directa en la
escalabilidad del ordenador.
Capacidad del disco
La capacidad de almacenamiento del disco duro puede llegar a decenas de GB y el
tiempo medio de acceso es habitual que esté por debajo de los 14 milisegundos, si bien
debido a las limitaciones de la BIOS del ordenador, tanto MS-DOS, como Windows NT
3.51, como las primeras versiones de Windows 95 no permitían discos duros con más de
8.4 GB en una sola partición. Sin embargo, el sistema de ficheros de Windows 95
versión OSR2,Windows 98 y Windows NT sí que permiten discos duros de mayor
capacidad.
La capacidad de un disco duro se mide en tres valores: número de sectores por pista,
número de cabezas y número de cilindros (notación CHS); el estándar IDE soporta
65.536 (216 ) cilindros, 16 cabezas y 255 sectores por pista, lo que nos da una capacidad
de unos 137 Gigas.
Por su parte, la BIOS (Basic Input/Output System) del PC soporta 1.024 (210 )
cilindros, 255 cabezas y 63 sectores; ya que ambos deben funcionar en conjunción
(disco duro y BIOS), es el mínimo común denominador de ambos el que marcará la
capacidad definitiva, que será de 1.024 cilindros (máximo de la BIOS), 16 cabezas
(máximo del IDE) Y 63 sectores (máximo de la BIOS), lo que nos va a dar un total de
(1.024 x 16 x 63 x 512 bytes por sector) 528 Megas.
Para superar esta traba, la BIOS debe implementar el modo de trabajo conocido como
LBA (Logical Block Adreesing), que traduce el esquema CHS a otro de direccionamiento
lógico. Esta operación es totalmente transparente al sistema opera tivo y al software
en general, y aporta la evidente ventaja de poseer acceder a todo el espacio disponible
del disco duro del ordenador.
Cuando una BIOS no soporta esta técnica, es preciso emularla por software; para ello,
el fabricante de la unidad suele poner a disposición del usuario utilidades especiales
que, en forma de driver (software específico para el controlor de un dispositivo)
residente, logran engañar al sistema y obtener el mismo efecto que el LBA por BIOS.
5. Periféricos
Los periféricos son elementos físicos externos al ordenador que permiten la
comunicación entre la unidad central de proceso y el exterior. Por el sentido de la
comunicación, desde el punto de vista de la unidad central de proceso, se dividen en
tres grupos:
5.1. De entrada
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Son aquellos por los cuales se introduce la información al ordenador. Son periféricos
de entrada:
- Teclado.
- Ratón.
- Tableta digitalizadora.
- Escáner
- Lápiz óptico.
5. 1.1 Teclado
Es el dispositivo físico de entrada por el que se introducen datos en el sistema de
manera interactiva. La circuitería del teclado es la responsable de que cuando se pulsa
un determinado carácter, el terminal lo envíe al ordenador, bien agrupándolo en
paquetes o transmitiéndolo individualmente. También la circuitería del teclado podrá
tener otras funciones adicionales según esté diseñado, como buffering de un número
determinado de caracteres, repetición de tecla, etc.
El tipo estándar de teclado es el denominado QWERTY, llamado así por la disposición
de las primeras teclas asociadas a letras situadas en la parte superior izquierda del
teclado. La disposición de teclas en este tipo de teclado no es óptima ya que fue
diseñado en el siglo pasado para dar respuesta a los requisitos técnicos de las máquinas
de escribir de la época. Hoy día se podría buscar una disposición más optimizada pero
el teclado QWERTY ha quedado ya como un estándar.
El teclado más usual es el extendido, que consta de 101/102 teclas, incluyendo las
teclas de funciones. Las teclas de función son programables y su pulsación desencadena
una serie de acciones que han sido programadas previamente.
La tecnología de fabricación de los teclados está basada en una matriz de
interruptores. Estos interruptores pueden ser mecánicos (teclados mecánicos) o
electrónicos (teclados de membrana). Cuando se pulsa una tecla, se cierra un circuito
eléctrico y se manda una señal digital al ordenador. Cada tecla y ciertas combinaciones
de dos o más teclas generan una única señal digital.
5.1.2 Ratón
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Es un simple dispositivo manual situado sobre una superficie plana, que transforma el
movimiento de la mano en movimiento del cursor en la pantalla.
Según se realice esa transformación se pueden distinguir los siguientes tipos de
ratones:
- Mecánicos: Por medio de una bola giratoria alojada en el interior del ratón,
que al desplazarse sobre la superficie plana provoca el giro de dos cilindros
perpendiculares entre sí, al estar éstos en contacto con la bola. Los
cilindros dirigen codificadores electromecánicos que envían señales
eléctricas al ordenador, traducidas por software en movimiento del cursor.
Este tipo de ratones son los más utilizados.
- Optomecánicos: Trabajan según el mismo principio que los mecánicos, pero
aquí los cilindros están conectados a codificadores ópticos que envían
pulsos luminosos al ordenador en vez de señales eléctricas.
- De ruedas: Sustituyen la bola giratoria por unas ruedas de material
plástico, perpendiculares entre sí, dirigiendo así a los codificadores
directamente.
- Ópticos: Poseen unos fotosensores que detectan el movimiento de aquellos
sobre una superficie especial de tamaño limitado, formado por una rejilla
reflectante.
5.1.3 Tabletas digitalizadoras
Son dispositivos que generan las coordenadas de un puntero móvil en el plano o
en el espacio (modelos tridimensionales). El puntero puede ser un lápiz o un
cursor móvil, que el usuario desplaza siguiendo un dibujo u objeto.
5.1.4 Escáner
El escáner es un dispositivo que cada vez goza de mayor popularidad y
aceptación entre todos los usuarios, y no sólo entre los profesionales de la
imagen. Ya que se utiliza no sólo para el retoque fotográfico, sino que también
es usado para la digitalización de páginas de texto para su tratamiento OCR
(reconocimiento de caracteres ópticos), o para el escaneado de documentos
para su gestión en soporte magnético.
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El principio de funcionamiento de un escáner es la digitalización, es decir, la
conversión de una información analógica a datos comprensibles por el
ordenador. Para ello, se sirve de una serie de componentes internos que
posibilitan este objetivo. Una fuente de luz va iluminando, línea por línea, la
imagen o documento, y la luz reflejada en la imagen es recogida por los
elementos que componen el CCD (Charged-Couple Device), dispositivo que
convierte la luz recibida en información analógica. Por último, un DAC (Digital-
Analog Converter) convierte los datos analógicos en valores digitales.
Resolución. Cuando sea habla de una resolución óptica de 600 ppp (puntos por
pulgada), estamos indicando que su dispositivo CCD posee 600 elementos.
Cuanto mayor sea la resolución, más calidad tendrá el resultado; en la
actualidad, lo mínimo son 300 ppp, aunque 600 ppp es una resolución más
conveniente si vamos a digitalizar fotografías. No obstante, la mayoría de los
escáneres pueden alcanzar mayor resolución, mediante la interpolación; se
trata de un algoritmo por el cual el escáner calcula el valor situado entre dos
píxeles digitalizados, a partir del valor de estos. Por ello, hay que saber
diferenciar entre la resolución óptica y la interpolada.
Profundidad de color. Este parámetro, expresado en bits, indica el número de
tonalidades de color que un píxel puede adoptar; lo normal es un valor de 24
bits por pixels.
Método de conexión al ordenador. Cada escáner puede tener diferentes
formas de conectarse al ordenador, cada una tiene sus ventajas e
inconvenientes.
- Por puerto paralelo. Nos evita tener que abrir el ordenador, pero es
notoriamente más lenta que el resto de las soluciones.
- Conexión SCSI. Es mucho más rápido y fiable, aunque es preciso abrir
el equipo y configurar la cadena de dispositivos SCSI.
- Tarjeta PCI. Es una solución intermedia entre las dos anteriores, el
problema, al igual que en el caso de la conexión SCSI, si deseamos usar
el escáner en otro sistema, este deberá poseer una tarjeta idéntica, o
tendremos que desmontar la nuestra y pincharla en el otro equipo.
Tipos de escáner
1. De mano. Son los más baratos, puesto que elimina el mecanismo de
tracción, ya que es el usuario quien mueve el escáner sobre la imagen o
documento. La ventaja económica y de ahorro de espacio tiene su
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