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CURSO 2010/11
UNIDAD 2. SISTEMAS INFORMÁTICOS: ESTRUCTURA Y HARDWARE.
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1.- Reseña histórica de los sistemas informáticos. La historia del tratamiento de la información es casi tan antigua como el hombre, dado que siempre se han buscado métodos para realizar cálculos y tareas de la forma más fácil. El primer instrumento conocido es el ábaco, surgido probablemente en China aunque los primeros documentos son de Mesopotamia alrededor del año 2600 a.C.
La primera máquina automática no se hará hasta el siglo XVII cuando Blaise Pascal construye una máquina de sumar mecánica, formada por multitud de engranajes de 10 dientes, representando cada uno de ellos a un dígito.
En 1833, Charles Babbage diseñó la primera máquina que operaba mediante un programa, recibiendo la información externa mediante tarjetas perforadas. Se le conoció con el nombre de máquina analítica.
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En el sigo XIX aparecen los primeros dispositivos gobernados por relés. Hermann Hollerith, que había trabajado en la realización del censo de los EEUU en 1886 diseñó una máquina que permitió en 1890 realizarlo en 4 semanas mientras que en 1880 se emplearon 500 personas durante 7 años. En 1927 Hermann Hollerith fundaría IBM (Internacional Bussiness Machine).
Ya en el siglo XX se pensó en usar el sistema binario en lugar del sistema decimal. Así Honrad Zuse presenta en 1941 la Zuse 3, siendo la primera máquina basada en cálculo binaria aunque no llegó a funcionar correctamente.
La II Guerra Mundial supuso un avance en la informática, así mientras los alemanes usaban su máquina Enigma para cifrar mensajes, los aliados diseñaron Colossus para descifrarlos.
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Terminada la guerra, se presenta el primer ordenador propiamente dicho, el ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculador), desarrollado en la Universidad de Pensilvania, Sus dimensiones eran de 140 metros cuadrados y 30 toneladas. Se inicia así la Primera Generación de ordenadores basada en las válvulas electrónicas.
La vida de estas válvulas era muy corta y el mantenimiento de los ordenadores muy costoso. En 1947, J. Bardeen, W. Sockley y W. Brattain reciben el premio Nobel de Física por la invención del transistor. Este era un dispositivo formado por material semiconductor (germanio o silicio) que amplifica y conmuta la corriente eléctrica. Ocupan mucho menos espacio que las válvulas y son mucho más rápidos. Surge así la Segunda Generación de ordenadores. Vemos en la siguiente imagen el primer transistor.
En 1959, J. Kilby fabrica el primer circuito integrado o chip con el que gana el premio Nobel. Este consistía en la fabricación de varios transistores fabricados en el mismo sustrato, esta miniaturización da paso a la Tercera Generación de ordenadores. En 1965 IBM saca al mercado el primer ordenador de tercera generación, el IBM 360, introduciéndose el término de compatibilidad, ya que todas las máquinas de la serie pueden ejecutar los mismos programas. La Cuarta Generación surge en 1971 al fabricarse el primer microprocesador, el 4004 de Intel, llevando la miniaturización a alcanzar cotas más altas. A partir de este momento surgen muchas empresas de hardware y software como Apple Computer en 1977, fundada por S. Wozniack y S. Jobs, cuyo interés era la fabricación de ordenadores de uso personal, mientras que IBM se dedicaba a fabricar ordenadores con grandes unidades de memoria para aplicaciones de grandes empresas. Al ver el éxito de Apple, IBM se lanzó al 4
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mercado de los equipos personales o de oficina y en 1981 lanza el primer PC (Personal Computer) con un procesador Intel 8086, siendo Microsoft la encargada de crear un sistema operativo que mediante instrucciones cortas y sencillas permitiera manejar un ordenador, surgiendo así el sistema operativo MS-DOS.
Como respuesta a la aparición del PC de IBM, Apple lanza en 1984 su modelo Macintosh que incorpora por primera vez una interfaz gráfica, facilitando su uso. Las compañías siguieron desarrollando microprocesadores más pequeños y rápidos 8088, 80286, 80386, Pentium I, II… En 1990, el entorno gráfico Windows de Microsoft va a ser el soporte básico de los ordenadores hasta nuestros días en sus distintas versiones. Se puede decir que en nuestros días estamos inmersos en una Quinta Generación en la que se buscan nuevas tecnologías y arquitecturas, la utilización del lenguaje natural como medio de comunicación con el ordenador y la Inteligencia Artificial, en la que los sistemas informáticos son capaces de aprender por sí mismos.
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2.- Hardware en los sistemas informáticos. Las operaciones necesarias para cualquier tarea se denominan algoritmo. Las máquinas capaces de ejecutar algoritmos van a ser de 2 tipos: •
De lógica cableada, en la que los algoritmos están instalados físicamente en su interior mediante el cableado de sus circuitos, siendo un ejemplo de estas máquinas las calculadoras.
•
De lógica programada, también llamadas computadoras u ordenadores que disponen de una serie de algoritmos elementales que se asocian para crear otros más complejos, admitiendo la “programación” de nuevas operaciones mediante los lenguajes de programación.
El ordenador es una máquina compuesta de elementos físicos, en su mayoría de tipo electrónico que realizan gran variedad de operaciones con la información dada a gran velocidad y con gran precisión. Básicamente realiza operaciones aritméticas, lógicas, de almacenamiento y recuperación de datos y de adquisición y muestra de información. Todo sistema informático está formado por 2 partes diferenciadas: •
Hardware, constituido por los elementos físicos del ordenador.
•
Software, que es el conjunto de elementos lógicos necesarios para que el ordenador realice las funciones que se le encargan, es el encargado de indicar al hardware cómo deben realizarse las instrucciones que permiten llevar a cabo una determinada tarea.
Según su tamaño y potencia, los sistemas informáticos se pueden clasificar en: •
Grandes ordenadores (mainframes), de alta capacidad de procesado y velocidad, frecuentemente usados en grandes centros informáticos de entidades bancarias o fábricas.
•
Miniordenadores, de menor potencia y velocidad.
•
Estaciones de trabajo (workstations), de pequeñas dimensiones pero con gran capacidad de memoria y con prestaciones similares a los miniordenadores pero orientados a un solo usuario.
•
Ordenadores personales o PC, de pequeñas dimensiones y de propósito general, siendo más sencillos que el resto de ordenadores.
Todos los dispositivos electrónicos usan tecnología binaria en la que la información se codifica en unos y ceros, siendo la mínima cantidad de información el bit, que se agrupa en octetos (bytes).
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Volviendo al hardware, se puede decir que el ordenador está compuesto por los siguientes elementos: •
Unidad de sistema: así se conoce a la caja que contiene a los elementos básicos del ordenador. En su interior se encuentran: o La placa madre o placa base, con los elementos básicos del equipo. o Las unidades de disco o almacenamiento de información. o Las tarjetas de expansión para conectar tarjetas gráficas, de sonido, módem interno, etc… o La fuente de alimentación que transforma la tensión de red en una corriente continua que va desde 5 a 12 voltios para alimentar a los diferentes dispositivos de la unidad.
•
Periféricos de entrada, que permiten introducir información al ordenador desde el exterior mediante teclado, ratón, escáner, etc…
•
Periféricos de salida mediante los que se proporciona al usuario la información ya procesada.
•
Periféricos de indistintamente.
entrada/salida
que
permiten
ambas
acciones
Pasamos ahora a ver cada una de estas partes: Elementos de la unidad de sistema. La placa madre o placa base como hemos dicho antes es una gran tarjeta con circuitos impresos que actúa como plataforma a la que se conectan los dispositivos componentes del ordenador y comunica a todos ellos entre sí. Contiene los siguientes elementos: •
Unidad Central de Proceso (CPU).
•
Memoria principal.
•
Ranuras de expansión.
•
Buses.
•
Chipset.
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La Unidad Central de Proceso (CPU) es el componente más importante del ordenador, su función es controlas y/o realizar todas las operaciones del sistema. Tiene 2 partes bien diferenciadas: •
Unidad de Control (CU): se encarga de traducir en interpretar las instrucciones así como de dirigir y controlas su ejecución. También dirige el funcionamiento de los periféricos asociados al sistema implicado en el desarrollo de cada operación.
•
Unidad Aritmético-Lógica (ALU): que realiza las operaciones aritméticas y lógicas bajo la supervisión de la Unidad de Control.
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LA CU y ALU se fabrican en un único dispositivo electrónico (chip) conocido como microprocesador. Este consiste en una fina lámina de silicio sobre la que se han fabricado millones de transistores, está recubierto de una carcasa de plástico que lo protege, dejando al exterior únicamente los terminales de conexión con los que se fija a la placa madre. Se coloca en un zócalo especial de la placa provisto de una palanca de sujeción y se le provee de un disipador que haga que no se caliente en su funcionamiento. La memoria principal o memoria central se encarga de almacenar las instrucciones y los datos necesarios para que un determinado proceso pueda ser realizado. Puede ser de dos tipos: memoria RAM y memoria ROM. Vemos estos tipos a continuación. La memoria RAM (Random Access Memory) permite almacenar de forma temporal la información que el sistema está generando, su tamaño y las características y tipo de memoria RAM determina el funcionamiento del sistema. Para que la CPU pueda procesar la información, ésta debe de estar disponible en un lugar desde el que la CU pueda tomarla rápidamente. La misión de la RAM consiste en tener preparados esos datos y las instrucciones. Así cuando se va a usar un programa, el ordenador lo copia en la RAM, la CPU lee paso a paso las instrucciones y los datos de dicho programa y lo ejecuta. LA RAM almacena temporalmente los resultados que va obteniendo en este procesado. Este tipo de memoria es volátil, es decir, su contenido se borra cuando el equipo se apaga. Si se quiere almacenar la información durante un tiempo indefinido será necesario almacenarla en otro dispositivo. Esta memoria se puede ver como un conjunto de casilleros denominados posiciones de memoria en los que se escriben y leen datos. El tiempo de realización de estas operaciones es muy breve, del orden de los nanosegundos, siendo imprescindible que este sea lo menor posible para un funcionamiento más rápido. Se dice que la RAM es una memoria de acceso aleatorio, esto quiere decir que a cada una de sus posiciones de memoria se accede de forma directa conociendo su dirección con independencia de las demás. Cada posición almacena un byte de información, por lo que será necesaria una gran cantidad de memoria para almacenar las instrucciones y datos de un programa. La memoria RAM se puede fabricar como un chip soldado a la placa madre, aunque lo habitual es que sean tarjetas alargadas que se conectan a las ranuelas dispuestas para tal fin en la placa base. Algunos tipos de memoria RAM, en cuanto a número de contactos, pueden ser las memorias SIMM (Single In-line Memory Module) de 30 o 72 contactos que permiten buses de 8 y 32 bits respectivamente o las más recientes memorias DIMM (Double In-line Memory Module) de 168 contactos y que permiten buses de 64 bits. En cuanto a tecnologías, las memorias que surgieron en los 80 conocidas como DRAM (Dynamic RAM) eran muy lentas ya que necesitaban un refresco constante de los datos aunque eran muy baratas. A continuación, junto con la
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tecnología Pentium I surgieron las FPM-RAM (Fast Page Mode RAM) con las que se leían varios datos a la vez, agilizando el proceso. En el 95 se empezaron a usar las memorias EDO DRAM que mientras leía un dato podía escribir otro. Llegamos en la actualidad a otras memorias que pueden hacer 2 transferencias por ciclo de reloj, siendo este un campo en el que se están consiguiendo muchos avances. Un tipo de memoria particular es la memoria caché, que es mucho más rápida que la memoria RAM convencional aunque mucho más cara. El problema que tenía la RAM es que necesita un cierto refresco de los datos al estar constituida por condensadores que se descargan con el tiempo, ralentizando con ello las operaciones de lectura y escritura. La memoria caché tiene unos tiempos de acceso mucho menores que las memorias RAM típicas, y en ella se almacenan las instrucciones y datos que se utilizan con más frecuencia. La memoria caché se encuentra en la placa madre entre el microprocesador y la RAM. La memoria ROM (Read Only Memory) es una memoria únicamente de lectura, al contrario que la RAM que es de lectura y escritura. El fabricante graba información del sistema que no se pierde al apagar el equipo. Suele estar constituida por un único chip soldado directamente a la placa base. La ROM contiene la BIOS (Basic Input/Output System), que es el software necesario para la puesta en marcha del ordenador, ya que contiene los programas esenciales para controlar las operaciones de entrada y salida de datos así como datos técnicos de los distintos componentes conectados al ordenador. Cuando el ordenador se arranca, la BIOS chequea los componentes durante el POST (Power On Self Test) en el siguiente orden: microprocesador, buses, reloj del sistema, memoria RAM, teclado y unidades de disco. A continuación, la información obtenida se compara con la almacenada en la RAM-CMOS, que contiene información sobre recursos del sistema que pueden ser modificados como el disco duro. La RAM-CMOS es una pequeña cantidad de memoria que guarda información acerca de la configuración del ordenador, es del tipo RAM por lo que al apagar el equipo se perdería, por lo que se necesita una pequeña pila de botón que mantiene esa información. La BIOS detecta cualquier cambio en la configuración del sistema al realizar esta comparación. Si el resultado del chequeo es correcto, se carga el sistema operativo, en caso contrario se emite un mensaje de error informativo. En cualquier caso, una memoria se asemeja a una matriz de celdas a las que se asocian 2 informaciones: la dirección o situación de la celda y el contenido o dato presente en la celda. Un conjunto de celdas formarán un dato o palabra binaria, de forma que si un procesador utiliza códigos de 8, 16 ó 32 bits para indicar el valor de un dato, se formarán memorias cuyo ancho sea igual al utilizado por el microprocesador, es decir, de 1, 2 ó 3 bytes respectivamente. De esta forma, se conectará directamente el bus de datos del microprocesador a dicha memoria.
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Por otra parte, la situación espacial de un dato en la memoria se define por medio del direccionamiento. La cantidad de datos o palabras binarias que se pueden almacenar en la memoria disponible de un microprocesador equivaldrá a la longitud de la memoria. Así para definir la capacidad de una memoria se utiliza el sistema binario de la siguiente forma: CAPACIDAD 1Kb 1Mb 1Gb 1Tb
Nº Palabras binarias almacenables 210 bytes= 1024 bytes 220 bytes= 1.048.576 bytes 230 bytes= 1.073.741.824 bytes 240 bytes= 1,099511*1012 bytes
Obsérvese que la cantidad de líneas en un bus de direcciones que hacen falta para acceder a todas las direcciones de una memoria crece según el exponente binario que define su capacidad. Así, viendo la tabla de arriba, para acceder a una memoria de 1Kb serán necesarias 10 líneas de dirección como vemos en la primera fila de la tabla. Para el caso de una memoria de 1Mb van a ser necesarias 20 líneas, y así sucesivamente. Dado que la utilización del sistema binario puede resultar muy engorrosa, se suele utilizar para la definición de una línea de dirección el sistema hexadecimal. Por lo tanto, para acceder a una posición cualquiera en una memoria de 1Kb, se ofrecerá en el bus de direcciones un número hexadecimal entre un valor con todos los bits a 0 y un valor con todos los bits a 1. Así, el valor hexadecimal 3FF indicará el valor de la posición 1024 en la memoria. De la misma forma, en una memoria de 1Mb, se podrá acceder a la primera dirección (0 en hexadecimal) hasta la última (1111.1111.1111.1111.1111 en binario y FFFFF en hexadecimal), con lo que se tendrán que utilizar 20 líneas para poder acceder a cualquier dirección. Las ranuras de expansión son unos zócalos alargados situados en la placa madre en la que se introducen las tarjetas de expansión, que permiten conectar diferentes periféricos exteriores del ordenador como pueden ser la tarjeta de sonido, la tarjeta de vídeo o las controladoras de disco). Algunos de estos dispositivos aparecen instalados directamente sobre la placa como puede ser el caso de los controladores de disco duro y de las disqueteras e incluso las tarjetas gráficas en los portátiles.
Existen diferentes tipos de ranuras de expansión, entre las que destacamos las siguientes: •
Ranuras ISA: son las más antiguas y lentas (8Mhz) pero son unas prestaciones suficientes como para conectar tarjetas de sonido y módem.
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Ranuras IDE: a ellas se conectan dispositivos de almacenamiento como discos duros, CD-ROM o DVD.
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•
Ranuras PCI: son las más habituales, constituyendo el tipo estándar actual. Tienen una velocidad de 33Mhz y son adecuadas para casi todas las aplicaciones.
•
Ranuras AGP: son las que mayores tasas de transferencia ofrecen, siendo utilizadas para las tarjetas gráficas 3D.
El número y las características de las ranuras de expansión presentes en la placa madre determinan el número y el tipo de dispositivos que podemos conectar al ordenador. Los buses son el conjunto de canales o líneas que comunican entre sí los diferentes componentes del ordenador. Transportan información binaria en forma de señales eléctricas (un bit por línea). El número de líneas de cada bus se denomina ancho de bus y determina la cantidad de bits que se pueden transmitir a la vez. El ancho de bus depende del tipo de microprocesador. La velocidad real del proceso dependerá no solo del procesador sino también de la velocidad de transferencia de la información a través de los buses y de la capacidad de éstos. Los buses se dividen en 5 tipos diferentes según las características de los equipos o componentes a los que se conectan: •
Bus de clase 0: son los propios de las conexiones internas en los circuitos integrados o chips, con lo que son utilizados en exclusiva por los fabricantes de los mismos.
•
Bus de clase 1: forman el conjunto de conexiones del microprocesador o CPU. Esta se encarga de determinar la dirección del elemento del sistema que debe de proporcionar o recibir la información (que puede ser de la memoria o de los puertos de entrada o salida), para lo cual se utiliza el bus de direcciones. Una vez elegido el receptor o transmisor, se transfiere la información a través de otro conjunto de líneas denominado bus de datos. Finalmente existe otro conjunto de líneas por las que circulan señales auxiliares de control y sincronización que forman el bus de control. En la siguiente figura se muestra un esquema relativo a estos buses.
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•
Buses de clase 2 y 3: se utilizan para realizar las interconexiones entre las placas de los módulos que componen el ordenador, siendo típicas las conexiones entre la placa madre y las placas de expansión o tarjetas controladoras de los dispositivos externos. Algunos ejemplos de buses de este tipo son las tarjetas ISA o PCI, destinadas a las transmisiones de microprocesadores de 32 ó 64 bits.
•
Bus de clase 4: mediante estos buses se conectan las placas de expansión a cierto tipo de periféricos. Por ejemplo, los conectores de las tarjetas confinadas en los slots de un ordenador personal se acoplan a la impresora mediante el bus o conector paralelo Centronics (que describiremos más adelante). También usan esta clase de bus aquellos equipos de medida y laboratorio mediante el bus IEEE 488 o las unidades externas de disco mediante el bus SCSI.
•
Bus de clase 5: este tipo de buses también conecta periféricos a un ordenador. Para ello, utiliza conexiones serie (serán vistas en un apartado posterior) que permiten la conexión de equipos a grandes distancias, llegando hasta los 1000 metros. Entre los más usados destacan el bus RS-232-C y el USB, mediante los que se pueden conectar periféricos como el ratón, el teclado o el escáner.
El chipset consiste en un conjunto de circuitos integrados (chips) que implementan, controlan y coordinan las funciones de los buses y los dispositivos que comunican (microprocesador, memoria, principal, tarjetas,…) A continuación, después de conocer los elementos de la placa base, pasamos a describir cómo se realiza el procesamiento de la información a través de los mismos. La Unidad de Control consta de los siguientes elementos: •
Registro de instrucciones (RI): contiene la instrucción que se está ejecutando en un momento determinado.
•
Contador (C) que almacena la dirección de memoria donde se encuentra la siguiente instrucción a ejecutar.
•
Reloj: proporciona una secuencia de pulsos eléctricos a intervalos constantes, que marcan los instantes en que han de comenzar los distintos pasos que constituyen cada instrucción. El reloj determina la velocidad de trabajo del ordenador ya que ésta depende de la frecuencia de operación, es decir, del número de instrucciones que procesa por segundo, midiéndose ésta en Hz.
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•
Decodificador (D): se encarga de analizar e interpretar la instrucción en curso (que está en el RI), determinando las órdenes necesarias para su ejecución.
•
Secuenciador (S): en base a la información suministrada por el decodificador, genera la secuencia de órdenes elementales que, sincronizadas con los impulsos del reloj, hacen que se vaya ejecutando la instrucción que se encuentra cargada en el RI. En la práctica, el conjunto decodificador-secuenciador constituye un único bloque.
Por otro lado, la ALU se compone de los siguientes elementos: •
Banco de registros (BR): almacena temporalmente los datos que intervienen en las operaciones que está realizando la ALU.
•
Circuitos operadores (CIROP): realizan las operaciones elementales aritméticas y lógicas.
•
Registro de resultados (RR): en él se depositan los resultados que proceden de los circuitos operadores.
El proceso se desarrolla de la siguiente forma: 1.- La CU recibe desde la RAM las instrucciones a través del bus de datos, de forma que la instrucción en curso llega al RI. 2.- El decodificador se encarga de interpretarla para que la ALU pueda operar con ella. 3.- El secuenciador genera la serie de órdenes elementales necesarias para que se ejecute la instrucción, que es enviada a las ALU. 4.- La ALU realiza las operaciones indicadas y envía los resultados a la ALU que los almacena en la RAM. 5.- El reloj sincroniza el sistema marcando los instantes en que ha de comenzar cada nueva instrucción. 6.- El contador determina a través del bus de direcciones dónde se encuentra la próxima instrucción. Cuando haya terminado de ejecutarse la instrucción en curso, pasará al RI y se repetirá el proceso. La arquitectura clásica de un sistema informático se basa en el propuesto por Von Neumann en 1945, que aunque ha sufrido diversas modificaciones, todavía es la arquitectura en la que se basan los sistemas actuales. Esta arquitectura se representa a continuación y sirve de esquema para la comprensión de los pasos explicados anteriormente para el procesamiento de la información.
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A continuación pasamos a ver las unidades de almacenamiento. Hemos dicho que la Cpu recoge información de la RAM y una vez procesada envía de nuevo el resultado a la misma pero como ya hemos dicho, la memoria RAM es volátil y por ello vamos a necesitar de algún tipo de almacenamiento que permita guardar la información durante el tiempo que lo necesitemos, de forma que pueda ser recuperada cuando la vayamos a usar. Esa labor es realizada por los dispositivos de almacenamiento, que pueden recibir el nombre de memoria auxiliar o secundaria. Estos dispositivos pueden ser de varios tipos según la tecnología usada para grabar la información: •
Dispositivos magnéticos: en los que la información se graba en un soporte magnético. Ejemplos de este tipo son el disco duro y el disquete.
•
Dispositivos ópticos: que utilizan tecnología óptica para grabar la información como sucede en los CD-ROM o los DVD.
•
Dispositivos de memoria flash: en los últimos años han aparecido memorias basadas en memoria ROM eléctricamente borrables, programables y reescribibles (EEPROM) que mediante transistores guardan la información, por lo que esta no se pierde como sucede en las memorias RAM. De este tipo de memoria son las tarjetas fotográficas como las SD, Memory Stick, Compact Flash, etc.
Vemos a continuación algunos de ellos. 15
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Los discos flexibles, también denominados disquetes o floppy disks son manipulados por la disquetera. Están formados por una lámina de plástico recubierta por ambos lados con una capa de material magnético cuyo estado de imantación puede ser modificado por la acción de un campo magnético, consiguiendo así grabar información. Los bits de datos se almacenan y se detectan mediante cambios en la orientación de las partículas magnéticas. Este disco está protegido por una carcasa de plástico rígido con un núcleo metálico que se usa para hacerlo girar; la carcasa además dispone de una ventana que permite el acceso a los cabezales lectores al disco. En un lateral hay una pequeña abertura para proteger el disco contra la escritura. Existen varios tipos pero los más frecuentes son los de 3 pulgadas y media. Los denominados discos de alta densidad (HD) tienen una capacidad de 1,44Mb. También existen discos de 2,88Mb. Su uso está ya poco extendido. La información almacenada se distribuye en sentido circular a lo largo de pistas concéntricas.
La unidad de disco flexible o disquetera suele situarse en la caja de la unidad de sistema y dispone de dos cabezales dotados de unos transductores electromagnéticos que leen y escriben en las 2 caras del disco. Un motor hace girar el disco para ir desplazando la superficie bajo los cabezales. Los discos duros o hard disks son discos fijos formados por un conjunto de discos de metal recubiertos de un material magnético. Se disponen apilados unos sobre otros en un eje común y dentro de una caja rígida que suele estar montada en el interior de la caja de la unidad de sistema aunque en la actualidad existen unidades portátiles de este tipo. Entre los discos se sitúan las cabezas de lectura y escritura de forma que se puede leer y escribir en las dos caras del disco. La distribución de la información en pistas es similar a la de los discos flexibles. La capacidad de un disco duro va a depender del número de discos de que disponga y de la densidad (número de pistas que puede escribir en cada superficie) del disco. Permiten almacenar gran capacidad de información, llegándose en la actualidad a los Terabytes.
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Otro dispositivo de almacenamiento de tipo magnético son las cintas magnéticas que son capaces de almacenar gran cantidad de información en cartuchos similares a los de las cintas musicales, de forma que se configuran como medios de acceso secuencial de datos, es decir, para acceder a la información grabada en cierto punto es necesario pasar por toda la información anterior. Presentan una gran capacidad de almacenamiento y suelen usarse para realizar copias de seguridad (backup) en grandes sistemas.
Pasamos ahora a comentar los dispositivos de almacenamiento óptico. El primer dispositivo que vemos es el CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), de funcionamiento análogo a un CD musical. Este disco está formado por un conjunto de hendiduras o surcos de tamaño microscópico llamadas pit, mientras que la superficie entre dos hendiduras se denomina land y se corresponderían con los valores binarios 0 y 1 respectivamente. La información se graba mediante un láser que recorre la superficie del disco, quemando su superficie para crear las hendiduras que almacenarán la información. La información del CD-ROM se almacena en una única pista en forma de espiral que comienza desde el centro del disco y termina en el borde exterior. Para que un ordenador lea la información contenida en él, debe estar dotado de una unidad lectora de CD-ROM, que también permite reproducir CD de audio. Una vez en el interior de la unidad, un motor hace girar al disco mientras un haz láser recorre la superficie del mismo. El láser se refleja en la superficie del disco y es captado por un receptor fotosensible. Cuando el rayo incide sobre alguna de las hendiduras, el ángulo de reflexión varía y solo una pequeña parte de la radiación alcanza el receptor, que es así capaz de identificar la presencia de los pits y lands. De esta forma se lee la información de la superficie del disco y posteriormente se convierte en datos digitales. Un CD convencional es capaz de almacenar unos 700Mb. Su alta capacidad los hace aptos para aplicaciones multimedia.
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La evolución de los CD-ROM trajo consigo 2 variedades de dispositivos grabables a nivel de usuario, siendo estos de dos tipos: •
CD-R (CD Recordable) que permite grabar información una sola vez, de forma que esta ya no puede ser modificada. Los CD-R tienen una estructura muy similar a los CD-ROM, pero en lugar de tener hendiduras grabadas, los datos se almacenan quemando una pequeña capa de colorante orgánico que recubre el disco. Para grabar los datos, un potente rayo láser, que genera temperaturas de hasta 300ºC, crea un hueco en la capa de colorante. Como estos cambios en el colorante reflejan menos luz son interpretados como ceros y cuando no hay surcos se registra el valor de uno. En los CD-R los cambios en la capa de grabación son irreversibles, por ello, sólo se puede escribir una vez pero puede leerse en múltiples ocasiones.
•
CD-RW (CD Rewritable): en ellos se puede grabar y guardar información tantas veces como se desee de forma análoga a los disquetes. Utilizan una tecnología distinta a la de los CD-R. En lugar de emplear una capa de colorante, poseen una fina capa de aleación de plata, indio, antimonio y telurio que tiene la capacidad de cambiar su reflexibilidad. Si se hace incidir sobre ella un láser de menor temperatura, es posible reestablecer el estado de reflexibilidad original y por tanto, puede ser reescrita. La grabación de un CD es una operación compleja y es necesario disponer de una unidad grabadora de CD junto con el software adecuado.
Otro dispositivo de almacenamiento óptico es el DVD (Digital Versatile Disc), que es semejante a los CD-ROM aunque el tamaño de las pistas y de los pits es más pequeño por lo que pueden almacenar más información. Frente a los 700 u 800Mb de un CD, un DVD puede almacenar incluso 17,1Gb en el caso del formato DVD-18. Este es un DVD que tiene las 2 caras grabables y doble capa en cada una de ellas, es decir, tiene dos superficies grabables en cada una de las caras. Una primera semitransparente en la que se graban y leen datos. Cuando se ha acabado de leer o escribir en esta capa, el láser “salta” a la capa inferior para seguir con el proceso. Actualmente el DVD está siendo sustituido por el Blu-Ray Disc (que desbancó al HD-DVD en 2008). El Blu-Ray, como su nombre indica, usa para grabar los datos un láser de color azul, cuyo haz es más estrecho que el de los DVD
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convencionales, de color rojo, así puede grabar más información en cada una de las capas, llegándose a 33,4Gb por capa. Periféricos de entrada Estos dispositivos permiten introducir información en el ordenador desde el exterior. Los más representativos son los siguientes: •
Teclado: es el medio principal de introducción de datos en el ordenador. El teclado incluye un microcontrolador, que es un dispositivo electrónico semejante a un pequeño microprocesador. Cuando se pulsa una tecla se envía una señal eléctrica predefinida al microcontrolador, que identifica la señal y la envía al controlador del teclado, situado en la placa base. Existen varios tipos de teclados, entre los que destaca el teclado expandido, que dispone de 102 teclas. Estas teclas presentan una disposición similar a la de una máquina de escribir convencional, además de cierto número de teclas específicas.
•
Ratón: está formado por una carcasa de plástico con dos o tres botones que al ser pulsados desencadenan diversas acciones. Cuando el ratón está funcionando aparece en la pantalla un indicador o cursos que se desplaza cuando se mueve el ratón. Hay varios tipos de ratones, pueden ser alámbricos o inalámbricos (como sucede también con el teclado) y pueden transmitir la información óptimamente o mecánicamente mediante una bola en la base. Los movimientos del ratón se convertirán en impulsos eléctricos que pueden ser interpretados por el ordenador y convertidos en coordenadas en la pantalla. Los botones permiten realizar operaciones concretas en función del programa que se esté usando, incluso permiten la programación de estas funciones. Las formas de actuación del ratón son de tres tipos: o Pulsación simple (clic) de un botón cuando el indicador se halla en alguna posición concreta de la pantalla. Normalmente activa órdenes u opciones. o Pulsación doble (doble clic) de un botón, es decir, soltar y pulsar dos veces seguidas, separadas por un corto intervalo de tiempo. 19
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o Arrastre, consistente en mantener pulsado un botón del ratón mientras se desplaza éste. Se utiliza para desplazar objetos virtuales sobre la pantalla. •
Joystick: consiste en una palanca que se puede inclinar según un eje vertical. La cantidad de inclinación en cada dirección y la combinación de ambas determina algún tipo de desplazamiento o giro en los objetos virtuales representados en la pantalla. Puede poseer teclas de control. Este dispositivo se usa para controlar el funcionamiento de máquinas y robots industriales, aunque su mayor difusión es para el control de juegos de ordenador, tarea que también lleva a cabo otro dispositivo de entrada denominado gamepad o mando.
•
Micrófono: permite introducir datos de tipo sonoro en el ordenador. Su funcionamiento es semejante al de los micrófonos tradicionales que convierten el sonido en señales eléctricas. El funcionamiento es controlado por la tarjeta de sonido que también se encarga de controlar la reproducción de sonidos en el ordenador. Esta tarjeta digitaliza la señal obtenida a partir del micrófono para que pueda ser entendida por el ordenador.
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Escáner: este dispositivo permite obtener una imagen digital a partir de puntos de cualquier documento o fotografía. Su aspecto es similar al de la parte superior de una fotocopiadora: bajo una tapa abatible hay una ventana de cristal sobre la cual ponemos el original que deseamos escanear, con la cara que nos interesa hacia abajo. Una fuente de luz va iluminando línea a línea la imagen original y tras ser reflejada en ella es recogida por un dispositivo CCD (Charge Couple Device) que convierte las señales luminosas en impulsos eléctricos. El CCD es un chip sensible a la luz encargado de capturar la imagen. Tiene una estructura reticular en forma de celdas; cada una de ellas es un elemento fotosensible que adquiere más o menos carga eléctrica según la luz incidente y genera una señal eléctrica que se digitaliza a continuación por medio de un convertidor analógico/digital. A medida que el haz de luz va recorriendo el original se va codificando la imagen, de forma que el ordenador la almacena en su memoria y será capaz de reconstruirla a partir de los datos recogidos, Posteriormente podremos mostrarla en pantalla, imprimirla, etc. Muchos escáneres disponen también del sistema OCR (Reconocimiento Óptico de Caracteres) que permite que los caracteres no se introduzcan como imágenes sino como texto y puedan ser modificados en un procesador de texto.
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Otros dispositivos de entrada que podemos recordar son las fotocopiadoras y las impresoras multifunción que recogen en un solo aparato las funciones de impresora, fotocopiadora y escáner.
Periféricos de salida
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Estos dispositivos recogen y proporcionan al exterior la información de salida después de ser procesada por el ordenador. Destacan los siguientes: •
Monitor: es el medio principal de comunicación del ordenador con el usuario. Permite visualizar el resultado de la información procesada y además muestra mensajes y opciones de los programas. Los más habituales son los monitores de rayos catódicos CRT cuyo funcionamiento es semejante al de un televisor. Dispone de un tubo de rayos catódicos que envía 3 haces de electrones hacia la pantalla que se encuentra recubierta en su interior por un material fluorescente, de forma que emite luz cuando los haces de electrones caen sobre ella. Cada punto de la pantalla que emite luz se denomina píxel. La imagen se forma píxel a píxel, pero el proceso es tan rápido que siempre se ven imágenes completas. Para recorrer toda la pantalla los haces de electrones efectúan un barrido horizontal (para cubrir las líneas horizontales de la pantalla) y un barrido vertical (que va desplazando los haces línea a línea). Al terminar un barrido vertical completo, se vuelve a empezar por la primera línea. Los tres haces de electrones se corresponden con los tres colores básicos (azul, verde y rojo) y los diferentes colores se forman mediante la mezcla de estos tres con mayor o menor intensidad. La resolución del monitor depende del número de píxeles; se calcula multiplicando el número de líneas por el número de píxeles en cada línea. Según su resolución podemos considerar los siguientes tipos de monitores:
o VGA: 640 x 480 con 16 colores. o SVGA: 899 x 600 con 256 colores. o XVGA: 1024 x 768 con 65.536 colores. o En la actualidad se trabaja con monitores con resolución 1280 x 1024 y 16,7 millones de colores. El monitor dispone de varios controles que permiten mover la imagen, cambiarla de tamaño y variar su brillo y contraste. Un tipo especial de monitor es el de los portátiles, denominado monitor LCD (Liquid Crystal Display). Estas pantallas tienen dos placas de cristal con cristales líquidos en el medio. El cristal líquido es una materia orgánica transparente que al recibir un impulso eléctrico se vuelve opaca impidiendo que pase la luz. Estos cristales no emiten rayos luminosos sino que simplemente dejan pasar o bloquean la luz de una pantalla trasera. Los tres colores básicos se añaden a la luz mediante unos filtros
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coloreados situados entre la pantalla emisora y los cristales líquidos. Este tipo de monitores consume poca energía y despiden poca luz. Las imágenes que se forman en el monitor son controladas por la tarjeta gráfica. Esta tarjeta transforma la información digital que le proporciona la CPU en una señal eléctrica analógica que es enviada al monitor. La tarjeta gráfica suele estar conectada en una de las ranuras de expansión pero también puede estar integrada en la placa base. Dispone de un microprocesador y una memoria denominada VRAM. La calidad de la imagen depende tanto de la resolución del monitor como de la tarjeta gráfica. •
Impresora: permite obtener información impresa en un soporte físico como puede ser el papel. Dependiendo de su tecnología, las impresoras se pueden clasificar en: o Matriciales: tienen un cabezal con agujas (de 9 a 24) que al golpear una cinta impregnada en tinta, escriben puntos sobre el papel; la combinación de estos puntos forman los diferentes caracteres. La calidad de la impresión depende del número de agujas. Son ruidosas y lentas pero son las más económicas. Solamente imprimen en blanco y negro. Se utilizan cuando no se necesita mucha calidad en la impresión, aunque están cayendo en desuso. o De inyección: también conocidas como impresoras de chorro de tinta. Los caracteres se forman proyectando gotas de tinta, procedente de un depósito o cartucho sobre el papel a través de unos pequeños inyectores. Producen impresiones de calidad media pero son algo lentas. Pueden imprimir en blanco y negro o en color. Son las más empleadas por su buena relación calidad/precio. o Térmica: se transfiere calor a un papel termosensible para realizar la imagen. o Láser: utilizan un mecanismo de serigrafía semejante al de las fotocopiadoras. Utilizan una fuente de luz producida por un láser para cargar eléctricamente la superficie de un rodillo fotosensible; a las partes cargadas de este rodillo se adhieren unas pequeñas partículas de tinta sólida procedentes de un tóner que posteriormente, al fundirse por aplicación de calor son transferidas al papel. Pueden imprimir en blanco y negro y color. Produce impresiones de alta calidad y son las más rápidas pero también las más caras.
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Plotter: se trata de un dispositivo que se utiliza en las aplicaciones de diseño asistido por ordenador (CAD). Está constituido por un brazo robótico que actúa bajo las órdenes de un ordenador. En el extremo del brazo hay una pluma que va moviéndose sobre el papel según una
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cierta dirección, mientras que el papel se desplaza en otra. Permite imprimir planos, mapas, dibujos técnicos, etc. Puede utilizar papel de grandes dimensiones y presenta una mayor calidad de dibujo. •
Altavoces: permiten la emisión de sonidos procedentes del ordenador. Su funcionamiento es controlado mediante la tarjeta de sonido. Esta tarjeta convierte los datos digitales en impulsos eléctricos que envía a los altavoces. También permite la reproducción de CD musicales. La calidad del sonido depende de la frecuencia de muestreo de los datos y del número de bits de cada muestreo (por ejemplo, la calidad de un CD de audio es de 44Khn y 16 bits).
Periféricos de entrada/salida Estos dispositivos permiten tanto la introducción como la salida de datos del ordenador. Entre los dispositivos existentes podemos citar las pantallas táctiles que muestran información a la vez que sirven para la introducción de datos e instrucciones en el ordenador y el módem (modulador-demodulador) del que vamos a hablar más en profundidad. El módem se usa para enviar o recibir información a través de una línea telefónica, lo que permite comunicar entre sí 2 o más ordenadores separados físicamente, e incluso a gran distancia. De esta forma puede intercambiarse información entre los ordenadores conectados, permitiendo también el acceso a la red Internet. El ordenador procesa la información codificada en binario y por tanto, envía señales digitales a sus dispositivos. Sin embargo la línea telefónica solamente transporta señales analógicas en forma de ondas eléctricas. El módem se encarga de transformar un tipo de señales en otras, a través de los procesos de modulación y demodulación: •
Modulación: transforma las señales digitales proporcionadas por le ordenador en señales analógicas y las envía a través de la línea telefónica.
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Demodulación: recibe señales analógicas de la línea y las transforma en digitales de modo que pueda entenderlas y procesarlas.
El módem puede ser interno al ordenador, es decir, se conecta directamente en una ranura de expansión de la placa base, o bien externo. La velocidad del módem se expresa en bps (bits por segundo) y representa la rapidez con la que puede mandar y recibir información. Todos los periféricos exteriores al ordenador se conectan a través de unos conectores especiales situados en la caja de la unidad del sistema, denominados puertos de comunicación. Se encuentran situados en las tarjetas de expansión que a su vez se conectan a la placa madre a través de las ranuras de expansión.
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Existen 2 tipos de puertos: •
Puertos serie: suelen usar un conector tipo RS-232C formado por varias filas de pines como se puede ver en la siguiente imagen:
Utilizan una única línea, enviando un bit tras otro y al llegar al dispositivo se van configurando los datos distribuyendo los bits de forma adecuada; esto hace que transfieran información de forma lenta, por lo que se usan para conectar el ratón y otros dispositivos que no necesitan transmitir mucha información a la vez. Se identifican con las siglas COM. El módem también se conecta en puertos serie, a través de un tipo de conector particular, debido a que la línea telefónica presenta limitaciones en cuanto a transferencia de información similares a las de estos tipos de puertos. Los puertos denominados PS/2 a los que se conectan teclados y ratones, que están cayendo en desuso, y que podemos encontrar en las partes traseras de las unidades en color verde y morado (como se ve en la figura), son otro tipo de conectores serie.
Un tipo particular de conexión serie cada vez más extendidos es la USB (Universal Serie Bus) que permite mayores velocidades de transferencia, llegando en la actualidad a 480Mbps.
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Puertos paralelos: suelen utilizar un conector tipo Centronics, formados por varias filas de agujeros. Permite una mayor velocidad ya que se envían los bits que configuran la palabra al mismo tiempo a través de varios canales. Se suelen emplear en impresoras, escáners, etc. Se identifican con las siglas LPT.
A pesar de ser más rápidos, tienen la desventaja de que al disponer de varios canales paralelos se pueden producir interferencias entre ellos y son menos fiables a medida que aumenta la distancia del dispositivo. Después de realizar la instalación física del periférico, es necesario que el sistema reconozca los componentes que tiene instalados. Esto se realiza mediante un tipo particular de software, denominado programa controlador o driver, que suele ser proporcionado por el fabricante.
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