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Después de comprender qué es un computador y cómo evolucionó históricamente, ahora nos enfocamos en su estructura física.

En este episodio analizamos los componentes fundamentales del hardware y, más importante aún, cómo se relacionan entre sí para permitir que el sistema funcione como una unidad coherente.

El objetivo no es describir piezas aisladas, sino entender la lógica técnica que conecta:

• Procesamiento
• Almacenamiento
• Comunicación con el entorno

Video del episodio

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Qué aprenderás en este episodio

Al finalizar este contenido podrás:

• Comprender qué hace realmente el procesador.
• Entender el ciclo básico de ejecución de instrucciones.
• Explicar la jerarquía de memoria y su razón de existir.
• Diferenciar los tipos de memoria según velocidad y función.
• Identificar los dispositivos de entrada y salida.
• Entender cómo se comunican los componentes mediante buses e interrupciones.
• Clasificar el hardware desde distintos criterios técnicos.

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Contenido teórico

Al diseño operacional básico de una computadora se le conoce como su arquitectura. A John Von Neumann, un pionero en diseño de computadoras, se le considera como el arquitecto de los sistemas de cómputo actuales.

Los elementos principales del modelo de Von Neumann son el procesador y la memoria.

¿Qué es el procesador?

El procesador (o CPU) es la unidad encargada de ejecutar instrucciones binarias. Su cometido es controlar la actividad de la computadora y operar como una entidad agente que procesa los datos conforme a un programa.

El procesador trabaja a la manera de un intérprete, y sus tres tareas principales son:

1. Extraer la instrucción correspondiente del programa que se está ejecutando, de la memoria central, y decodificar su significado.
2. Ejecutar la instrucción leída anteriormente.
3. Localizar la siguiente instrucción y volver al paso 1.

Este proceso continúa indefinidamente, y es la ase de la ejecución secuencial de los programas.

No almacena información de forma permanente ni interactúa directamente con el usuario: su función es ejecutar.

Opera bajo el ciclo fundamental:

Fetch → Decode → Execute

Este ciclo se repite millones o miles de millones de veces por segundo.

Componentes internos del CPU

• Unidad de Control (CU). Se encarga de mantener el ciclo de ejecución secuencial de la CPU, efectuando cada una de las etapas descritas más arriba. Igual que la ALU, recurre a varios registros para almacenar cierta información relativa al estado de la máquina, como el control de programa (PC), el Registro de Instrucción (IR) o la palabra de estado (SW).
• Unidad Aritmético-Lógica (ALU). Se encarga de realizar el procesamiento de datos individuales representados como patrones de bits. Estas son sumas, restas, comparaciones, operaciones lógicas, etc. Suele estar asistida por un conjunto de registros de uso general que contienen datos sobre los que operará la ALU.
• Registros internos. El tamaño de estos registros define el tamaño de la palabra de la CPU.
• Caché interna

Interconexión de los componentes de la CPU

Al iniciar la ejecución de un programa, se ubica en el contador de programa (PC) la dirección de memoria donde comienza el mismo. Posteriormente, se carga esta dirección en el registro de dirección de memoria (MAR) y se indica la lectura, tras lo cual se rescata la instrucción desde el registro de intercambio con la memoria hacia el registro de instrucción (IR).

La unidad de control (CU) decodifica la instrucción del registro de instrucción (IR) y descompone su ejecución en una serie de pasos que suelen denominarse micro-operaciones.

Las interrupciones son norma general en las computadoras y plasman la forma en que ésta atiende a los sucesos asíncronos con el programa. El procesador resuelve la interrupción ejecutando otro programa o procedimiento prioritario o procedimiento de servicio o gestión de la interrupción.

El origen de una interrupción puede ser:

• Externo al programa
  • Hardware: Falla de alimentación, anomalías en el hardware, petición de E/S de un periférico.
  • Software: Desbordamiento o excepción matemática, gestión de tiempo compartido por el sistema operativo.
• Interno al programa
  • Utilización de una instrucción de nivel de máquina convencional (NMC) inexistente, violación de la protección de memoria, petición del programador.

Conceptos Clave

• Frecuencia (GHz)
• Núcleos
• Hilos
• Arquitectura

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Memoria y Jerarquía

¿Por qué existe una jerarquía de memoria?

Existe una limitación física:

• La memoria rápida es pequeña y costosa.
• La memoria grande es más lenta

Para resolver este conflicto se organiza una estructura jerárquica.

Niveles típicos

1. Registros
2. Caché (L1, L2, L3)
3. Memoria principal (RAM)
4. Almacenamiento secundario (SSD/HDD)
5. Almacenamiento externo

• Registros de procesador. interactúan continuamente en la CPU, y tienen un tiempo de acceso muy pequeño, aunque con una capacidad mínima, generalmente del ancho de palabra del procesador. El número de estos en la CPU va desde el orden de decenas hasta un máximo de algunos centenares. no forman parte de la memoria direccionable de la máquina.
• Registros Intermedios. Constituyen un paso intermedio entre el procesador y la memoria. Actúan como eslabones con la memoria central y tampoco forman parte de la memoria direccionable de la máquina.
• Memoria Caché. (Del francés cacher: ocultar) O anti-memorias, son de poca capacidad en comparación con la memoria central, aunque con un tiempo de acceso sensiblemente menor. Suelen haber varios niveles de caché: L1 en el mismo chip del procesador, L2 en la tarjeta de soporte, siendo L1 más rápida y de menos capacidad que L2. Todas son no direccionables y su modo de organización es asociativo.
• Memoria Central o Principal. Es la memoria física, y es direccionable por la CPU. Tienen un tiempo relativamente rápido y gran capacidad.
• Extensiones de la Memoria Central. Son de la misma naturaleza que la memoria central, que amplían su capacidad de forma modular. Tienen una capacidad mayor y tiempo de acceso similar. no son direccionables directamente por la CPU, pero sí con algún dispositivo de apoyo.
• Memorias masivas o auxiliares. Son aquellas que residen en perféricos como cintas, cartuchos, discos, etc. En ellas se almacenan datos organizados típicamente en archivos. Suelen tener gran capacidad, pero un tiempo de acceso variable en función del dispositivo, pero mucho mayor que la memoria central.

Las memorias se pueden clasificar también según se diseñen para ser actualizadas o para ser leídas únicamente, en dos grupos: memoria de lectura y escritura (RAM) y memoria de lectura (ROM).

• RAM. (Random Access Memory). Originalmente eran o de ferritas o electrónicas. En este último grupo, pueden ser estáticas (SRAM: Static RAM) o dinámicas (DRAM: Dinamic RAM). En la DRAM es pertinente realizar un refresco periódico de la información mediante circuítos adicionales. En realidad persiste un equívoco al respecto, pues bajo el acrónimo RAM no se hace referencia a lectura-escritura sino al modo de acceso.
• ROM. (Read Only Memory). Estas memorias, durante su ciclo de uso normal, sólo se pueden leer. Existen varias posibilidades: ROM de fábrica (o por máscara), cuyo contenido viene fijado en su fabricación; ROM programables una sola vez (PROM), PROM borrables mediante rayos ultravioleta (Erasable-PROM); PROM borrables eléctricamente (Electrically EPROM). Estas últimas también se denominan NVRAM (No Volatil RAM).

Principios fundamentales

• Localidad temporal
• Localidad espacial
• Volatilidad
• Tiempo de acceso

La memoria no es un bloque único: es un sistema optimizado por eficiencia.

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Entrada y Salida (I/O)

Función de la Entrada/Salida

Permite que el computador interactúe con el mundo exterior.

Sin I/O, el sistema no tendría aplicación práctica.

Un periférico es cualquier elemento que pueda realizar un intercambio de datos con la CPU o la memoria. Todo aquello que hace referencia a la comunicación de la CPU y la memoria con los periféricos se conoce como entrada/salida (E/S). La cantidad y variedad de periféricos es grande, y el sistema de E/S debe proveer soluciones para los siguientes problemas:

• Direccionamiento: suelen existir varios periféricos, y las operaciones de lectura, escritura y control se deben realizar independientemente.
• Velocidades diferentes: los periféricos pueden tener un rango de velocidades muy amplio.
• Acceso lectura/escritura: existen periféricos sólo de lectura, otros de escritura y otros de lectura-escritura. Siempre que se hable de estas operaciones se hace desde el punto de vista de la CPU.

Un periférico puede comunicarse o bien directamente con la CPU o bien directamente con la memoria. En el primer caso nos referimos a E/S programada, y en el segundo se habla de acceso directo a memoria (DMA – Direct Memory Access).

Buses e interfaces de E/S:
Un bus es un camino que permite comunicar selectivamente un cierto número de componentes o dispositivos de acuerdo a ciertas normas de conexión. Su operación básica se denomina ciclo de bus que es el conjunto de pasos necesarios para realizar una transferencia elemental entre dos dispositivos conectados al bus.
Al conectar ciertos dispositivos con la computadora se requieren buses especiales denominados interfaz de dispositivo con registros y circuitos necesarios para:

• reconocer la dirección del dispositivo.
• almacenar el estado de éste.
• proporcionar un espacio de almacenamiento a los datos.
• las señales de temporización y control.

La jerarquía de los buses es la siguiente:

• Buses internos de los circuítos integrados: muy rápidos y de longitudes muy pequeñas. Vienen integrados en el soporte del circuito.
• Buses del circuíto impreso: más lentos. Longitud por el orden de centímetros. Síncronos. Conectan las unidades funcionales insertadas en una misma placa de circuito integrado, como el procesador, la memoria, etc.
• Buses de panel posterior (backplane): Conectan los diferentes circuitos impresos que constituyen la computadora y su longitud varía desde fracciones menores de un metro hasta poco mas de un metro. Se conocen también como buses locales o de expansión.
  • ISA BUS. Industry Standard Arquitecture. Diseñado por IBM. 8 bits de datos.
  • ISA AT BUS: Expansión de ISA para 16 bits de datos de transferencia.
  • EISA: Extended Industry Standard Arquitecture. 32 bits, 33 MHz. Modo de control maestro del bus.
  • VLBUS. Alternativa económica a EISA.
  • PCI. Peripheral Component Interconnected. Mejora de INTEL a VLBUS.

Dispositivos de Entrada

• Teclado
• Mouse
• Cámara
• Micrófono
• Sensores

Dispositivos de Salida

• Monitor
• Impresora
• Altavoces
• Actuadores

Conceptos técnicos asociados

• Buses de datos
• Controladores
• Interrupciones

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Integración del Sistema

El computador funciona como un sistema coordinado:

• El procesador ejecuta.
• La memoria suministra instrucciones y datos.
• los dispositivos de entrada/salida permiten interacción.
• Los buses interconectan todo.

Ningún componente oper de forma aislada.

Clasificación del Hardware

Desde el punto de vista funcional:

• Procesamiento
• Almacenamiento
• Entrada
• Salida
• Comunicación

Desde el punto de vista estructural:

• Interno
• Externo
• Integrado
• Periférico

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Cómo se conecta este episodio con el resto del curso

En el próximo episodio analizaremos cómo estos componentes se organizan formalmente en niveles de arquitectura y cómo la arquitectura IBM-PC consolidó un estándar dominante en la industria.

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Episodio 1.1 – Cómo está organizado un computador

Episodio 1.3 – Arquitectura de computadores: niveles, IBM-PC y tendencias actuales (próximamente)