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CAPITULO III
Hardware de la Computadora
3.1 Objetivos de Aprendizaje
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Conocer los dispositivos de hardware más importantes de un sistema de cómputo y entender el funcionamiento básico de cada dispositivo.
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Identificar las unidades funcionales de una computadora y entender las interacciones entre ellas.
3.2 Conceptos de Hardware El hardware es el componente físico y tangible de una computadora. Existen cuatro elementos principales en todo sistema de cómputo: (1) procesador, (2) memoria, (3) dispositivos de entrada, y (4) dispositivos de salida. La Figura 1 muestra el diagrama de bloques de una computadora.
Fig. 1. Diagrama de Bloques de una Computadora
La parte activa de una computadora, la parte que realiza los cálculos y controla todas las otras partes es el Procesador. El procesador contiene relojes electrónicos que controlan la temporización de todas las operaciones; circuitos electrónicos que llevan a cabo operaciones aritméticas como suma y multiplicación; circuitos que identifican y ejecutan las instrucciones que contiene un programa; y circuitos que traen los datos de la memoria. Las instrucciones y los datos son guardados en la memoria principal. El procesador los extrae cuando considera necesario. Los controladores supervisan los dispositivos de entrada, como teclado y mouse; dispositivos de salida, como impresora y monitor, y dispositivos de almacenamiento como el disco duro. El procesador y los controladores de periféricos trabajan juntos para transferir información entre la computadora y los usuarios. Algunas veces, el procesador se encargará de los datos tomados de un dispositivo de entrada; la transferencia a través del controlador; mover los datos a través del bus y cargarlos directamente en el procesador (Figura 2). La salida de datos sigue la misma ruta en sentido contrario pasar del procesador, a través del bus, a través de un controlador y a un dispositivo directamente en, o fuera de, la memoria principal. La Placa Madre (Mother Board) Es la placa principal de circuitos en la computadora. Sostiene el procesador y la memoria, proporciona los slots de expansión para los periféricos, y, ya sea directa o indirectamente, conecta todas las partes de la computadora. El principal propósito de la Tarjeta Madre es proporcionar las conexiones eléctricas y lógicas para que los otros componentes del sistema se comuniquen.
Los principales componentes de la Tarjeta Madre son: •
Microprocesador o Procesador: (CPU – Unidad de Procesamiento Central) el cerebro del computador montado sobre una pieza llamada zócalo o slot
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Memoria principal temporal: (RAM – Memoria de acceso aleatorio) montados sobre las ranuras de memoria llamados generalmente bancos de memoria.
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Las ranuras de expansión: o slots donde se conectan las demás tarjetas que utilizará el computador como por ejemplo la tarjeta de video, sonido, modem, red, etc.
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Chips: como puede ser la BIOS, los Chipsets o controladores.
Figura 2. Ejemplo de una Tarjeta Madre o Principal:
Sistema de Buses de una Computadora Los diferentes elementos que componen una computadora se tienen que comunicar de alguna manera, y esta comunicación se realiza por los llamados buses. Los buses son un conjunto de hilos o conexiones que llevan información de todo tipo de un elemento a otro, transportando la información en paralelo, (esto quiere decir, que los datos van por todos los hilos del bus simultáneamente).
Fig. 31. Diagrama Esquemático de los componentes básicos de una computadora.
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Fuente: www.uow.edu.au/~nabg/ABC/C1.pdf
El nombre del bus es generalmente determinado por el tipo de señal que está transmitiendo o el método de operación. Normalmente, los buses internos de la computadora se agrupan en tres áreas según sus usos más comunes. Estas áreas son las siguientes: •
Buses de control (también llamado bus de control y temporización), dirección y datos (también conocido como bus de memoria).
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Instrucción (I), operando (O), Entrada/Salida de la Memoria (I/O MEM) o de Entrada/Salida del Controlador (IOC), Sistema de Interconexión del Computador (CIS)
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Tiempo de bus multiplexado
A continuación se describen brevemente tres tipos de buses internos: control, dirección y datos. Bus de Control: Es utilizado por el procesador para dirigir y monitorear las acciones de las otras áreas funcionales de la computadora. Se utiliza para transmitir una variedad de señales individuales (lectura, escritura, interrupción, reconocimiento, y así sucesivamente) necesarias para controlar y coordinar las operaciones de la computadora. Bus de Dirección: Está formado por todas las señales necesarias para definir cualquiera de las posibles ubicaciones de dirección de memoria en la computadora. Una dirección se define como una etiqueta, símbolo, u otro conjunto de caracteres que se utilizan para designar un lugar o registro donde se almacena la información. Antes de que los datos o instrucciones puedan ser escritos dentro o leídos desde la memoria por el procesador o secciones E/S, una dirección debe ser transmitida a la memoria a través del bus de direcciones.
Bus de datos (Bidireccional): A veces llamado el bus de memoria, se ocupa de la transferencia de todos los datos e instrucciones entre las áreas funcionales de la computadora. El bus de datos bidireccional sólo puede transmitir en una dirección a la vez. El bus de datos se utiliza para transferir instrucciones desde la memoria al procesador para su ejecución. Lleva los datos (operandos) a y desde el procesador y memoria según sea requerido en la traducción de instrucciones. El bus de datos también se utiliza para transferir datos entre la memoria y la sección E/S durante operaciones de entrada y salida. La información sobre el bus de datos es escrita en la memoria en la dirección definida por el bus de direcciones o también, se realiza la lectura de datos de la dirección de memoria especificada por el bus de direcciones. La Figura 3 es un ejemplo de sistema de bus de una computadora; buses de control, dirección y datos.
Figura 42. Diagrama de un Sistema de Buses de una Computadora; control, 2
Fuente: http://www.tpub.com/content/fc/14100/css/14100_129.htm
dirección y datos. 3.3 Unidades Funcionales de una Computadora
Las computadoras digitales tienen tres unidades funcionales principales: procesador, memoria y E/S. También deben ser consideradas otras dos áreas: el sistema de buses y suministro eléctrico, las cuales cumplen un papel importante junto con las áreas funcionales de la computadora. Los buses, son el medio por el cual el procesador, la memoria y E/S se comunican entre ellos mismos, y el suministro de potencia proporciona los requerimientos de voltaje necesarios para la computadora. La Figura X muestra un diagrama de bloques típico de las unidades funcionales de una computadora. Para completar el sistema de cómputo, la computadora usa instrucciones para realizar las operaciones. Y a través de las interfaces hombre/máquina, el usuario puede controlar las operaciones de la máquina.
Figura 53. Diagrama de bloques de unidades funcionales de la computadora 3.4 El Procesador
El procesador es el cerebro de la computadora. Todas las operaciones computacionales (lógicas y aritméticas) y decisiones operacionales son realizadas por el procesador, ya que este se encarga de controlar todas las operaciones de la computadora. La organización del procesador se hace incrementalmente más compleja en tanto nos traslademos de un relativamente sencillo microprocesador a una supercomputadora. Sin embargo, las funciones básicas de un procesador son las mismas aunque hablemos de un mainframe, computadora personal o una sencilla microcomputadora. El procesador comprende dos unidades que interactúan entre sí: unidad de control 3
Fuente: http://www.tpub.com/content/fc/14100/css/14100_105.htm
y la unidad aritmética lógica (ALU). La unidad de Control dirige la secuencia de operaciones en el procesador, interpreta las instrucciones, y proporciona temporización y señales de control para ejecutar las instrucciones. La unidad aritmética lógica implementa operaciones aritméticas y/o lógicas requeridas por éstas instrucciones. El procesador generalmente está constituido de temporizadores, circuitos, registros, selectores, comparadores, sumadores y diferenciadores. Unidad de Control Como un “director de tráfico”, la unidad de control decide cuándo iniciar y parar (control y temporización), qué hacer (instrucciones de programa), dónde guardar la información (memoria), y quién se comunica con quién (E/S). Controla el flujo de todos los datos que entran y salen de la computadora, desde el inicio hasta el fin de las operaciones. Esto lo hace comunicándose o interconectándose con la ALU, memoria y áreas de E/S. Figura X3. Unidad Aritmética Lógica (ALU) La unidad aritmética lógica (ALU), está diseñada para realizar las operaciones las operaciones aritméticas y lógicas del procesador. La ALU se comunica con la unidad de control, la cual le envía los datos y le indica las operaciones a realizar.
Figura 64. Diagrama de bloques de la ALU de una computadora
Hay muchas diferentes operaciones básicas que el procesador realiza a través de la ALU. A continuación veremos ejemplos de estas operaciones:
• Sumar o restar dos números binarios • Multiplicar o dividir dos números binarios • Incrementar o decrementar un número binario en 1 • Aplicar la operación lógica AND a dos números binarios (aplicando a cada par de bits de izquierda a derecha) • Aplicar la operación lógica XOR a dos números • Determinar si un número es cero, es positivo o es negativo 4
Fuente: http://www.tpub.com/content/fc/14100/css/14100_123.htm
• Determinar después de una operación aritmética si se ha cometido un error (por ejemplo, si el resultado es demasiado grande) • Determinar si dos números son el mismo número
3.7 Memoria La memoria de un computador guarda (almacena) instrucciones de programa (órdenes para realizar), datos (información), operandos (datos afectados o manipulados) y cálculos (resultados de la ALU). El procesador controla la información guardada en memoria. La información es llamada (lectura), manipulada y/o escrita dentro de la memoria uso inmediato o posterior. La memoria interna de una computadora es también llamada como memoria principal. No se debe confundir con la memoria auxiliar o secundaria proporcionada por diversos dispositivos periféricos. Para una mejor comprensión, se ha clasificado la memoria en dos categorías generales: memoria de lectura/escritura y memoria de solo lectura. Dentro del grupo de lectura/escritura se encuentran memorias magnéticas (núcleo) y memorias de semiconductor (estáticas y dinámicas). La memoria de solo lectura puede ser subdividida dentro de partes programadas llamadas memory readonly (ROM) y dispositivos programable de usuario llamados programmable readonly memory (PROM). Esta clasificación es mostrada en la figura T.
Figura 7. Clasificación de la memoria de una computadora Memoria RAM Memoria de la computadora, denominada Memoria de Acceso Aleatorio, es un área de almacenamiento a corto plazo para cualquier tipo de dato que la computadora está usando. Atendiendo a sus características físicas las memorias RAM se divide en dos grandes grupos: Estáticas SRAM ("Static RAM") y dinámicas DRAM ("Dynamic RAM"). Ambas comparten la característica de perder su contenido cuando se apaga el sistema, pero las DRAM tienen además la necesidad de que su contenido sea constantemente actualizado. Los dos tipos difieren en la tecnología que usan para almacenar los datos. La RAM dinámica necesita ser refrescada cientos de veces por segundo, mientras que la RAM estática no necesita ser refrescada tan frecuentemente, lo que la hace más rápida, pero también más cara que la RAM dinámica. Ambos tipos son volátiles, lo que significa que pueden perder su contenido cuando se desconecta la alimentación. Ambos tipos de RAM son volátiles, significando que pierden su contenido cuando se interrumpe el suministro de poder.
Memoria ROM Su nombre viene del inglés Read Only Memory que significa Memoria de Solo Lectura ya que la información que contiene puede ser leída pero no modificada. En ella se encuentra toda la información que el sistema necesita para poder funcionar correctamente ya que los fabricantes guardan allí las instrucciones de arranque y el funcionamiento coordinado de la computadora. No son volátiles, pero se pueden deteriorar a causa de campos magnéticos demasiados potentes. La BIOS de una PC (Basic Input Operative System) es una memoria ROM, con la facultad de configurarse según las características particulares de cada máquina. Esta configuración se guarda en la zona de memoria RAM que posee esta BIOS y se mantiene sin borrar cuando se apaga la computadora gracias a una pila que se encuentra en la placa principal. 3.8 Disco Duro El disco duro es un dispositivo de almacenamiento no volátil, es decir conserva la información que le ha sido almacenada de forma correcta aun con la perdida de energía. Emplea un sistema de grabación magnética digital; donde en la mayoría de los casos se encuentra almacenado el sistema operativo de la computadora. En este tipo de disco se encuentra una serie de platos metálicos dentro de la carcasa, los cuales giran a gran velocidad. Sobre estos platos se sitúan los cabezales encargados de leer o escribir los impulsos magnéticos. Hay distintos estándares a la hora de comunicar un disco duro con la computadora. Existen distintos tipos de interfaces las más comunes son: •
IDE (Integrated Device Electronics) también llamado ATA. Estándar más
utilizado hasta hace poco, por su versatilidad y bajo precio. •
SCSI (Small Computers System Interface) son discos duros de gran capacidad de almacenamiento, generalmente usados en servidores.
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SATA (Serial ATA) es un nuevo estándar de conexión que utiliza un bus serie para la transmisión de datos, estandarizado desde el año 2004.
Direccionamiento
Hay varios conceptos para referirse a las zonas del disco: ●Plato: Cada uno de los discos que hay dentro del disco duro. ●Cara: Cada uno de los dos lados de un plato. ●Cabeza: Número de cabezales. ●Pista: Una circunferencia dentro de una cara; la pista 0 está en el borde exterior. ●Cilindro: Conjunto de varias pistas; son todas las circunferencias que están alineadas verticalmente (una de cada cara). ●Sector: Cada una de las divisiones de una pista. El tamaño del sector no es fijo, siendo el estándar actual 512 bytes. Antes que los datos puedan ser guardados en un disco duro, el disco debe primero ser dividido en áreas numeradas, para que los datos puedan ser
fácilmente recuperados. Dividir el disco para que los datos puedan ser fácilmente escritos y recuperados es lo que se conoce como formatear el disco, que consiste en dividir cada superficie de datos en pistas y sectores.
Figura 85. Pistas sobre un segmento de un disco duro
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Fuente: http://www.tpub.com/content/fc/14100/css/14100_255.htm
Figura 96. Sectores y pistas de un disco. Estructura física Dentro de un disco duro hay varios platos (entre 2 y 4), que son discos (de aluminio o cristal) concéntricos y que giran todos a la vez. El cabezal (dispositivo de lectura y escritura) es un conjunto de brazos alineados verticalmente que se mueven hacia dentro o fuera según convenga, todos a la vez. En la punta de dichos brazos están las cabezas de lectura/escritura, que gracias al movimiento del cabezal pueden leer tanto zonas interiores como exteriores del disco. Cada plato tiene dos caras, y es necesaria una cabeza de lectura/escritura para cada cara (no es una cabeza por plato, sino una por cara). Cada uno de los brazos es doble, y contiene 2 cabezas: una para leer la cara superior del plato, y otra para leer la cara inferior.
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http://www.tpub.com/content/fc/14100/css/14100_256.htm
Las cabezas de lectura/escritura nunca tocan el disco, sino que pasan muy cerca (hasta a 3 nanómetros) ó 3 millonésimas de milímetro. Si alguna llega a tocarlo, causaría muchos daños en el disco, rayándolo gravemente, debido a lo rápido que giran los platos (uno de 7.500 revoluciones por minuto se mueve a 120 km/h en el borde).
Figura 107. Brazo de acceso de disco buscando en el cilindro 20 Características de un disco duro Las características que se deben tener en cuenta en un disco duro son: ●Tiempo medio de acceso: Tiempo medio que tarda la aguja en situarse en la pista y el sector deseado; es la suma del Tiempo medio de búsqueda (situarse en la pista) y la Latencia media (situarse en el sector). ●Tiempo medio de búsqueda: Tiempo medio que tarda la aguja en situarse en la 7
Fuente: http://www.tpub.com/content/fc/14100/css/14100_257.htm
pista deseada; es la mitad del tiempo empleado por la aguja en ir desde la pista más periférica hasta la más central del disco. ●Latencia media: Tiempo medio que tarda la aguja en situarse en el sector deseado; es la mitad del tiempo empleado en una rotación completa del disco. ●Velocidad de rotación: Revoluciones por minuto de los platos. A mayor velocidad de rotación, menor latencia media. ●Tasa de transferencia: Velocidad a la que puede transferir la información a la computadora una vez la aguja está situada en la pista y sector correctos. Puede ser velocidad sostenida o de pico. Actividades de Afianzamiento y evaluación
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Explique cuál es la principal función de la tarjeta madre (Motheboard)
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Identificar los componentes de las siguientes tarjetas madre: TM 598 LMR TM 830 TM 805 TM 755
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Realice las actividades del archivo encontrado en el siguiente link:
http://www.ie.itcr.ac.cr/marin/mpc/tmadre/anim4.html •
Explique en qué consiste el modelo de Computadora de Von Newman.
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Explique qué elementos intervienen de qué forma se realiza la suma de dos números.
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Consulte las características de las memorias de computadora más comunes usadas actualmente (semiconductoras) y realice un paralelo con las memorias
magnéticas. •
Explique las diferencias entre las interfaces de discos duros IDE, SCOSI y SATA.
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Explique cómo se realiza el grabado de datos en un disco duro.
Links de Interés http://www.mundopc.net/ginformatico/p/procesad.php http://html.rincondelvago.com/memoria-ram-rom.html http://es.wikipedia.org/wiki/Memoria_RAM http://e-hardware.es/componentes-hardware/%C2%BFque-es-la-memoria http://es.wikipedia.org/wiki/Disco_duro http://www.monografias.com/trabajos/discoduro/discoduro.shtml http://html.rincondelvago.com/tipos-de-computadoras.html