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Universidad Nacional de San Juan Facultad de Ingeniería
Unidad II Arquitectura de Computadoras
Cátedra: Computación I (ELO) Informática I (BIO) Departamento de Electrónica y Automatica
COMPUTACIÓN I (ELO) - INFORMÁTICA I (BIO)
Arquitectura de Computadoras
INDICE 2
ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS..................................................................................................................... 2 2.1 CONCEPTOS DE BIT, BYTE Y WORD ................................................................................................................................ 2 2.1.1 El Byte.................................................................................................................................................................... 2 2.2 ARQUITECTURA BÁSICA DE COMPUTADORAS ................................................................................................................ 2 2.2.1 Unidad Aritmética y Lógica................................................................................................................................... 3 2.2.2 Unidad de Memoria ............................................................................................................................................... 3 2.2.3 Unidad de Entrada................................................................................................................................................. 3 2.2.4 Unidad de Salida ................................................................................................................................................... 4 2.2.5 Sincronización. ...................................................................................................................................................... 4 2.2.6 Unidad de Control ................................................................................................................................................. 5 2.2.7 Unidad Central de Procesamiento (CPU) ............................................................................................................. 5 2.3 ARQUITECTURA DE DOS BARRAS .................................................................................................................................... 5 2.4 EVOLUCIÓN DE LOS MICROPROCESADORES .................................................................................................................... 9 2.4.1 Intel 4004 ............................................................................................................................................................... 9 2.4.2 Intel 8086 y 8088 ................................................................................................................................................... 9 2.4.3 Intel 80186 ........................................................................................................................................................... 10 2.4.4 Intel 286 ............................................................................................................................................................... 10 2.4.5 386DX - SX .......................................................................................................................................................... 10 2.4.6 Intel 486SX, DX, etc............................................................................................................................................. 10 2.4.7 Intel Pentium........................................................................................................................................................ 11 2.4.8 Cyrix 5x86 y AMD 5x86....................................................................................................................................... 11 2.4.9 AMD K5 - Cyrix 6x86-120(M1) ........................................................................................................................... 11 2.4.10 Pentium Pro 200 .................................................................................................................................................. 12 2.4.11 Pentium MMX ...................................................................................................................................................... 12 2.4.12 AMD K6 ............................................................................................................................................................... 12 2.4.13 Cyrix IBM 6x86MX .............................................................................................................................................. 12 2.4.14 Intel Pentium II .................................................................................................................................................... 13 2.4.15 Intel Celeron ........................................................................................................................................................ 13 2.4.16 Intel Celeron A..................................................................................................................................................... 13 2.4.17 Intel Pentium III................................................................................................................................................... 13 2.4.18 AMD Athlon ......................................................................................................................................................... 13 2.4.19 AMD Duron ......................................................................................................................................................... 14 2.4.20 Pentium 4 ............................................................................................................................................................. 14 2.5 PLACA PRINCIPAL, PLACA BASE O PLACA MADRE (MOTHERBOARD).......................................................................... 14 2.6 MEMORIAS ................................................................................................................................................................... 17 2.6.1 Descripción General............................................................................................................................................ 17 2.6.2 Clasificación de las Memorias............................................................................................................................. 17 2.6.3 Características de las Memorias ......................................................................................................................... 18 2.6.4 Jerarquías de las Memorias................................................................................................................................. 19 2.7 PERIFÉRICOS ................................................................................................................................................................. 20 2.7.1 Unidades de entrada ............................................................................................................................................ 20 2.7.2 Unidades de salida............................................................................................................................................... 28 2.7.3 Periféricos de Almacenamiento ........................................................................................................................... 42
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Arquitectura de Computadoras
UNIDAD 2 2 Arquitectura de Computadoras 2.1 Conceptos de Bit, Byte y Word En una computadora, la unidad más elemental de información es el dígito binario (bit). Sin embargo, un solo bit puede brindar muy poca información. Por esta razón, la unidad primaria de información en una computadora es un grupo de bits que recibe el nombre de palabra. El tamaño de la palabra es tan importante que a menudo se usa para describir una computadora. El tamaño de la palabra también indica el tamaño de la palabra de la unidad de memoria. Por ejemplo, una computadora de 16 bits es aquella en la cual los datos e instrucciones se procesan en unidades de 16 bits y en consecuencia, una computadora de 16 bits tiene una unidad de memoria que almacena un cierto número de palabras de 16 bits. Los fabricantes de computadoras han utilizado una amplia variedad de tamaños de palabras. Las computadoras más grandes (maxi) tienen tamaños de palabra que van de 16 a 64 bits, con 32 bits como el número más común. Los tamaños de palabra en la microcomputadora van de 8 a 32, donde 16 bits representa la mayoría abrumadora. Muchas microcomputadoras utilizan un tamaño de palabra de 8 bits. Se hicieron varias microcomputadoras de 4 bits que fueron diseñadas para reemplazar a circuitos lógicos digitales. Las microcomputadoras de 16 bits y unas cuantas de 32 bits tienen como objetivo competir con las minicomputadoras. 2.1.1 El Byte A un grupo de 8 bits se le conoce como byte y representa una unidad universalmente utilizada en la industria de la computación. Por ejemplo, una microcomputadora con una palabra de 8 bits se dice que tiene un tamaño de palabra de un byte. Puede decirse que una computadora de 16 bits tiene un tamaño de palabra de 2 bytes. Cuando se trabaja con microcomputadoras que tienen un tamaño de palabra de 8 bits, se usan los términos "palabra" y "byte" en forma intercambiable. Las microcomputadoras "antiguas" de 4 bits tienen un tamaño de palabra de medio byte. Esto se conoce con el nombre de "Nibble". Frecuentemente una computadora necesita procesar datos que no se pueden representar con solo una palabra, pues supera su campo de representación. En tales casos, pueden usarse dos o más palabras de memoria para almacenar los datos en partes. 2.2
Arquitectura Básica de Computadoras
Una computadora digital es una combinación de dispositivos y circuitos digitales que pueden realizar una secuencia programada de operaciones con un mínimo de intervención humana. A la secuencia de operaciones se le llama programa. el programa es un conjunto de instrucciones codificadas que se almacenan en la memoria interna de la máquina con todos los datos que el programa requiere. Cuando a la computadora se le ordena ejecutar el programa, ejecuta las instrucciones en el orden que están almacenadas en la memoria hasta que el programa se completa. Esto lo hace a grandes velocidades y sin cometer errores. ¡Las computadoras no piensan! El programador ofrece un programa de instrucciones y los datos que especifican todos los detalles de lo que debe hacerse, para qué hacerlo y cuándo hacerlo. La computadora es simplemente una máquina de alta velocidad que puede manipular datos, resolver problemas y tomar decisiones, todo bajo el control del programa. Si el programador comete un error en el programa o introduce datos equivocados, la computadora 2
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producirá resultados erróneos. Un dicho popular en el campo de la computación es "si metes basura obtienes basura". Toda computadora contiene 5 elementos o unidades esenciales. La unidad aritmética y lógica (ALU), la unidad de memoria, la unidad de control, la unidad de entrada y la unidad de salida. La interconexión básica entre éstas unidades se muestra en la Figura 2-1. Las flechas en ese diagrama indican la dirección del flujo de los datos, de la información y de las señales de control. En la figura se usan dos flechas de diferente tamaño; las flechas mas anchas representan datos o información, las cuales consisten realmente en un número relativamente grande de líneas paralelas, a las cuales normalmente se le da el nombre de BUS, las flechas finas representan señales de control que por lo general constan de solo una línea, aunque puede corresponder a unas cuantas líneas. Las diversas flechas están numeradas para poder ser referenciadas. 2.2.1 Unidad Aritmética y Lógica La ALU es el área de la computadora en la cual se realizan operaciones aritméticas y lógicas con datos (sumas, restas, transferencias, and, or, negación, etc). El tipo de operación que se realizará queda determinado por las señales de control que le envía la unidad de control (flecha 1). Los datos que serán utilizados por la ALU pueden provenir de la unidad de memoria (flecha 2) o de la unidad de entrada (flecha 3). Los resultados de las operaciones realizadas en la ALU pueden ser transferidos a la unidad de memoria para ser almacenados (flecha 4) o a la unidad de salida (flecha 5). 2.2.2 Unidad de Memoria La memoria almacena grupos de dígitos binarios (palabras), que pueden representar instrucciones (programas) que la computadora ejecutará o datos que serán procesados por el programa. La memoria sirve también como almacenamiento de resultados intermedios y finales de operaciones aritméticas (flecha 4). La operación de la memoria es controlada por la unidad de control (flecha 6), que indica si se trata de una operación de lectura o escritura. Se accede a una locación dada en la memoria a través de un código de dirección adecuado entregado por la unidad de control (flecha 7). Se puede escribir información en la memoria proveniente de la ALU (flecha 4), o de la unidad de entrada (flecha 8), siempre bajo el control de la unidad de control. La memoria puede enviar información a ALU (flecha 2) o a la unidad de salida (flecha 9). 2.2.3 Unidad de Entrada Esta unidad agrupa a todos los dispositivos que se usan para ingresar información y datos del exterior a la computadora, a fin de colocarlos en la unidad de memoria (flecha 8) o en la ALU (flecha 3). La unidad de control determina hacia donde se envía la información de entrada (flecha 10). La unidad de entrada se utiliza para introducir el programa y los datos en la unidad de memoria antes de iniciarse la operación de la computadora. Esta unidad se usa también para introducir datos en la ALU desde un dispositivo externo durante la ejecución de un programa. Algunos de los dispositivos de entrada mas comunes son los teclados, interruptores articulados (Joystick), teleimpresores, lectores de tarjetas perforadas, unidades de discos magnéticos, unidades de cintas magnéticas, conversores analógico-digital, etc.
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Arquitectura de Computadoras
Figura 2-1 - Arquitectura general de una Computadora
2.2.4 Unidad de Salida Esta unidad agrupa a los dispositivos que se utilizan para transferir datos e información de la computadora al mundo exterior. Los dispositivos de salida están dirigidos por la unidad de control (flecha 12) y pueden recibir datos de la memoria (flecha 9) o de la ALU (flecha 5), después de colocarse en forma adecuada para su uso externo. Algunos ejemplos de dispositivos de salida mas comunes son luces indicadoras (display), impresoras, unidades de disco cinta, tubos de rayos catódicos, conversores digital-analógico, etc. Conforme la computadora ejecuta su programa, generalmente tiene resultados o señales de control que debe presentar al mundo exterior. Por ejemplo un sistema de computación grande podría tener una impresora de líneas como dispositivo de salida. Una microcomputadora podría exhibir sus resultados en un simple display. 2.2.5 Sincronización. El aspecto más importante en las unidades de E/S es la sincronización, la cual se refiere a la adaptación de los distintos dispositivos, de manera que puedan funcionar de manera compatible y coordinada. La sincronización de la computadora se define más específicamente como la sincronización de la transmisión de información digital entre la computadora y los dispositivos externos de E/S. Muchos dispositivos de E/S no son directamente compatibles con la computadora debido a las diferencias en sus características como por ej. velocidad de operación, formato de los datos (hex, ASCII, binarios), modo de trasmisión de datos (serie, paralelo) y nivel de señales lógicas. Dichos dispositivos de E/S requieren circuitos especiales de sincronización/adaptación (interfases) que le permitan comunicarse con las unidades de Control, de Memoria, ALU del sistema de cómputo. Un ejemplo muy común es la popular teletipo (TTY), la cual puede operar como dispositivo de E/S. La TTY transmite y recibe datos en forma serie (un bit por vez) mientras que la computadora maneja datos en paralelo. Por lo tanto, una TTY requiere de circuitos sincronizadores para poder enviar datos o recibirlos de un computador.
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2.2.6 Unidad de Control La función de la unidad de control es la de dirigir todas las operaciones que realizan las otras unidades, proporcionando las señales de habilitación y control. En este sentido, la unidad de control es como el director de una orquesta, quien es responsable de mantener a cada uno de los miembros de la orquesta en la sincronización adecuada. Esta unidad contiene circuitos lógicos y de habilitación que generan las señales necesarias para la ejecución de cada una de las instrucciones de un programa. La unidad de control busca y trae una instrucción de la memoria enviando una dirección (flecha 7) y un comando de lectura (flecha 6) a la unidad de memoria. La palabra de instrucción almacenada en la locación de memoria correspondiente, se transfiere a la unidad de control (flecha 11). Esta palabra de instrucción, que esta en alguna forma de código binario, es decodificada (interpretada) después por los circuitos lógicos de la unidad de control para determinar que instrucción es la solicitada. La unidad de control utiliza esta información para generar las señales necesarias para ejecutar la instrucción. 2.2.7 Unidad Central de Procesamiento (CPU) En la Figura 2-1, la ALU y la unidad de control se muestran combinadas en una unidad central de procesamiento (CPU). Esto se hace comúnmente con el objeto de separar el "cerebro" real de la computadora de las otras unidades. En las microcomputadoras la CPU está contenida en un solo circuito integrado de alta escala de integración (LSI) llamado microprocesador. Las funciones principales de un microprocesador utilizado como CPU de un microcomputador son: • controlar el flujo de información. • realizar operaciones con los datos. • gestionar la memoria. • gobernar toda la actividad del computador de acuerdo a las instrucciones recibidas. En torno al microprocesador prestan sus servicios las restantes unidades ya descritas, y que dan cuerpo a la máquina programable que denominamos computador. El ingreso del microprocesador en éste marco de aplicación ha dado nacimiento a la microinformática. Los microcomputadores o sistemas para el tratamiento de la información basados en un microprocesador, han alcanzado gran difusión. Ciertamente, son incontables las aplicaciones del microprocesador. Podemos encontrarlo constituyendo el núcleo electrónico de instrumentos de medidas, de aparatos electrónicos, de máquinas herramientas, de juegos electrónicos, de microcomputadores. 2.3
Arquitectura de dos Barras
Esta arquitectura surge por la necesidad de reducir el numero de líneas físicas de interconexión entre las distintas unidades de la maquina. Por ejemplo, para una maquina de 8 bits y capacidad de direccionamiento de 65536 bytes con la arquitectura de la Figura 2-1, se requiere de aproximadamente 70 líneas para comandar la Unidad de memoria. Para el caso de la arquitectura de dos barras (buses) se necesitarían de solo 28 líneas. Esta reducción en el número de interconexiones se logra a costa de perdida de velocidad ya que solo dos dispositivos pueden interactuar simultáneamente. El modo de trabajo de un dispositivo con esta arquitectura es prácticamente el mismo que el de la arquitectura general explicado en párrafos anteriores.
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Unidad Central de Procesamiento
Bus de Datos
Bus de Direcciones
Memoria de Programa
Memoria de Datos
Enlace a Periféricos
I
T
M
Figura 2-2 - Arquitectura de dos barras.
A principios de 1970 los procesadores (microprocesadores - CPU) que dominaban la informática eran los de 8 bits, también llamados “micros de ocho bits”, y esta cantidad (8 bits) se refiere al ancho de palabra que podían manejar. Este fue el momento de las así llamadas Home Computers, tales como la línea MSX de Talent que utilizaba el procesador Z80 de Zilog, Radio Shack con un 6809 de Motorola, la Commodore 64 que utilizaba el procesador 6510 de Rockwell y Apple de Macintosh. Por aquellos días la empresa IBM decidió ingresar al mercado con una máquina más potente, naciendo así la IBM PC. La principal característica de esta computadora era el revolucionario procesador que tenía, el Intel 8088. En realidad el primer procesador creado por Intel fue el 8086 y luego modificado para lograr el 8088. Este procesador, el 8088, tenía las siguientes características: • Arquitectura interna de 16 bits: esto significa que el ancho de palabra de datos que maneja internamente es de 16 bits. Si bien esto fue un gran avance, consideremos que para la época todos los circuitos integrados asociados a un sistema de cómputo estaban pensados para procesadores de 8 bits, por lo cual el 8088 se diseñó para una arquitectura externa de 8 bits. Este tipo de arquitectura posibilitaba principalmente una potencia de cálculo varias veces mayor que las CPU's de 8 bits. • El bus de direcciones posee 20 líneas posibilitando un direccionamiento de hasta 1 Megabyte que comparado a los 64 KB de una maquina de 8 bits. • Velocidad de 4.77 Mhz, más del doble que sus predecesores. Posibilidad de agregar un coprocesador matemático (denominado 8087) cuya función era la de relevar a la CPU en cálculos matemáticos en aritmética de punto flotante. 6
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Mientras tanto lntel Corporation continuaba con la evolución en la creación de nuevos procesadores, tanto que hoy se habla de la familia de procesadores 80x86. Debido a las grandes ventajas ofrecida por el IBM PC los usuarios se volcaron masivamente a su adquisición y al desarrollo de software y hardware adecuado para tal sistema. No pasó mucho tiempo y aparece en el mercado el IBM PC-XT llamado así por la incorporación de un disco rígido de 5 Mbytes. También se modifica la velocidad del procesador a 12Mhz (fabricado por NEC y denominado NE V20), potenciando aun más sus características. Casi simultáneamente a este suceso lntel lanza al mercado los procesadores 80186 y 80188 que no tuvieron demasiado eco en IBM y prácticamente no fueron utilizado para PC, ya que su mejora simplemente no era sustancial. Demasiado pronto, el mercado comenzó a exigir mayor potencia en lo sistemas de cómputo. Al mismo tiempo, los ingenieros de Intel vieron la posibilidad de cambiar el rumbo en la familia de procesadores permitiendo que estos alivianaran a nivel de hardware la operación de los Sistemas Operativos multitarea y multiusuario, es decir más de una tarea trabajando simultáneamente y más de un usuario conectado al sistema. Para tal fin, Intel lanza al mercado el procesador 80286 con las siguientes características: • Bus de datos 16 bits • Bus de direcciones 24 bits (16 Mbytes) • Velocidad 8, 10 Mhz • Posibilidad de trabajar en dos modos: real 8086 y protegido. El modo real 8086 hacía que el procesador se comportara como un procesador 8086 mas rápido, no sólo por la velocidad del reloj sino también por su arquitectura total de 16 bits. El modo protegido se refería a que el procesador aceptaba Sistemas Operativos multitareas y multiusuarios tal como UNIX, protegiendo a cada usuario y a cada tarea (imposibilidad de mezcla de información y pérdida del control del procesador). Si bien esto parecía una buena solución existía el problema de que la conmutación entre estos modos no era trivial, por no decir casi imposible. Sin embargo, IBM lanza al mercado el IBM PC-AT con este procesador como CPU. El 80286 también permitía que se agregara un coprocesador matemático llamado 80287, que no era más que un 8087 “más rápido”. Dos años después, Intel crea el procesador 80386 con este último problema solucionado. Las características de este son: • Bus de datos de 32 bits. • Bus de direcciones de 32 bits (4 GigaBytes). • Velocidad 16Mhz. • Posibilidad de trabajar en tres modos: real 8086, protegido y virtual 8086. • Conmutación de modos inmediato. • Paginado y/o segmentación de la memoria. • Unidad de manejo de memoria en el chip. Los modos real 8086 y protegido eran iguales a los del 80286, en cambio el modo virtual 8086 agregado significaba que en un sistema multiusuario el procesador le hacía corresponder a cada usuario un 8086, o visto de otra manera una XT completa. A este procesador se lo llamó 80386DX. Y para aprovechar las placas madres basadas en el 80286 existentes, se lanza también al mercado el procesador 80386SX, que era un procesador con arquitectura interna 386 y externa 286 y con la conmutación entre modos mejorada, en definitiva, un 80286 mas rápido. Con estos procesadores IBM saca los sistemas IBM PC7
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AT386DX y IBM PC-AT386SX. Las primeras son las que mayores ventas tuvieron aunque las SX para ambientes de red como estaciones de trabajo funcionaron muy bien. El sistema DX aceptaba un coprocesador matemático llamado 80387 adaptado a las características del procesador, en cambio el sistema SX aceptaba el 80287. En esta época de la evolución de los procesadores y sistemas aparecen otras fuentes fabricantes de procesadores tales como AMD (Advanced Micro Devices ) y Cyrix con procesadores 386 compatibles. Para hacer frente a tal efecto lntel modifica las velocidades de los procesadores llevándolos a 20, 25, 33, 60 Mhz. Como era de esperar los otros fabricantes hacen lo mismo y en algunos casas hasta superaron la velocidad de los procesadores de Intel. También aparecen en escena los llamados Rapid CAD, o conjunto de procesador y coprocesador extraídos de la misma oblea de silicio en el momento de la fabricación. Debido a que la tecnología en función del precio de los otros dispositivos, tales corno memorias, buses y placas no acompañó el avance de los procesadores, era inútil aumentar la velocidad de los mismos. Para solucionar este problema se utiliza una memoria de baja capacidad (256 Kbytes o 512 Kbytes o 1 Mbyte) pero de alta velocidad para que se comunique con el procesador, y a su vez esta memoria se comunica con la memoria principal a menor velocidad. A esta memoria se le llama memoria Caché. Para que esta sinergia entre procesador y memorias funcione adecuadamente, debe existir un mecanismo que arbitre tal situación denominada Unidad de Manejo de Memoria (MMU). Este tipo de memoria solo existe en sistemas basados en el 80386DX no así en el SX. El próximo procesador que apareció en el mercado fue el llamado 80486, y sus características principales fueron: • Bus de datos 32 bits. • Bus de direcciones 32 bits. • Velocidad 33 y 50 MHz. • Posibilidad de trabajar en tres modos: real 8086, protegido y virtual 8086. Conmutación de modos inmediato. • Paginado y/o segmentación de la memoria. • Unidad de manejo de memoria optimizada. • Coprocesador matemático integrado en el chip. De acuerdo a las características antes mencionadas se desprende de inmediato que la inclusión del coprocesador matemático y de la caché en el chip junto a la CPU hace que este procesador tenga un rendimiento mayor al del 80386. Por lo demás su comportamiento es similar al de su predecesor. Al mismo tiempo aparece el 80486SX que es un 486 sin el coprocesador matemático. Así nace la PC AT486. Las velocidades de trabajo de este procesador hacen que el diseño de las placas madres y de los materiales utilizados para su fabricación sea de buena calidad. No todos los fabricantes de sistemas PC estaban e condiciones de hacer frente a tal exigencia, por tal motivo Intel lanza al mercado el procesador 80486DX2 que tiene la particularidad de trabajar a dos velocidades diferentes, es decir internamente a alta velocidad y externamente a la mitad. Por ejemplo el procesador 80486DX2 de 66mhz de velocidad trabaja a 66Mhz internamente y a 33mhz externamente o para comunicar con el exterior. Luego apareció el DX4 que en lugar de trabajar internamente a 4 veces la velocidad externa lo hace a 3. Por ejemplo el DX4 de 100Mhz trabaja externamente a 33mhz. Otra modificación de los DX4 es su tensión de alimentación de 3,3 volts (llamados procesadores ecológicos o verdes). Ya en la mitad de la década del 90 aparece 8
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en escena el procesador 586, P5 o como se lo conoce habitualmente Pentium, y sus características fueron: • Bus de datos 64 bits. • Bus de direcciones 32 bits. • Velocidad 66, 90, 100 y 133 MHz. • Posibilidad de trabajar en tres modos: real 8086, protegido y virtual 8086. • Conmutación de modos inmediato. • Paginado y/o segmentación de la memoria • Unidad de manejo de memoria optimizada. • Coprocesador matemático integrado en el chip. • Caché interna de 1 Kbyte a 8Kbyte. •
Dispone de dos ALU’s.
Si bien este procesador no satisfizo las expectativas generadas antes de su lanzamiento al mercado podemos decir que dió comienzo de una nueva generación de procesadores de altas prestaciones. El hecho de disponer de dos ALU’s posibilita la ejecución de más de una instrucción simultáneamente, hecho que se refleja directamente en el rendimiento del sistema. Las empresas como Cyrix, AMD, Next y otras tienen sus propios procesadores que compiten con el Pentium, pero por ahora sin resultados satisfactorios debido a un problema tecnológico y de compatibilidad. Entre estos nuevos procesadores mencionamos al M1 y K5 que son dos de los más conocidos que compiten con el Pentium. 2.4
Evolución de los Microprocesadores
2.4.1 Intel 4004 •
Primer microprocesador de un solo chip
• Diseñado para que pueda ser utilizado para diferentes aplicaciones • Bus de datos de 4 bits (1 nibble) Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1971
0.74MHz
2250
Intel
2.4.2 Intel 8086 y 8088 •
Arquitectura básica de todas las PC actuales (286, 386, 486, Pentium, etc.)
• Terminó siendo la más exitosa entre sus competidoras de esa época (Motorola 68000, TI 9900 y Z-800) En parte su éxito se debió a: • Compatibilidad con las 8080/8085 y la familia Z-80 • Relativamente bajo precio • La variante 8088 contenía un diseño de 16 bits internos y 8 para la E/S
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Arquitectura de Computadoras
Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1978
5-12MHz y 4-12MHz
29.000
Intel
2.4.3 Intel 80186 •
Fue principalmente diseñada para reducir costos
• No fué muy vendida porque la 286 salió casi inmediatamente después . Año
Vel. Reloj
1983
6-16 MHz
Transistores
Fabricante Intel
2.4.4 Intel 286 •
La primera 286 fue diseñada después de la 386, pero como la 386 era muy cara y difícil de fabricar se creó la 286 como diseño intermedio lo que produjo el mayor éxito de ventas en 10 años.
• Todavía se ven algunas, trabajando principalmente como cajas registradoras Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1983
8-20 MHz
134.000
Intel y otras fuentes
2.4.5 386DX - SX •
La 386DX-16 fue la primer 386.
• Escencialmente, todas los procesadores posteriores (486, pentium, etc) son básicamente 386 más veloces • Posee un mejor manejo de la memoria, tiene capacidades multitarea, puede cambiar fácilmente entre el modo real, protegido, e introduce el modo virtual • Es posible correr windows 95 y 98 (aunque muy lento), si se tiene la suficiente memoria. • Hasta ahora ninguna máquina de la familia de la x86 ha logrado un salto tan grande como el producido con su aparición en el mercado. • Las Pc’s con 386 eran muy caras (hasta US$ 5000). Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1985
16MHz a 40Mhz, dependiendo del modelo
275.000
Intel
2.4.6 Intel 486SX, DX, etc •
Eran básicamente 386s pero más rápidas, con algunas instrucciones más y más memoria
• Intodujo nuevas técnicas para el procesamiento de las instrucciones (Pipeline) • Algunas no traían co-procesador matemático (486SX) para que intel 10
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Arquitectura de Computadoras
bajara los precios y pudiera con la competencia de AMD y Cyrix. Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1989
33MHz a 120MHz
900.000 a 3.1 millones
Intel
2.4.7 Intel Pentium •
Con su aparición produjo un salto tecnológico muy importante, llevando la tecnología de las grandes computadoras (mainframes) a las computadoras de escritorio PC.
• Primera CPU x86 super-escalar, es decir ejecutaba más de 1 instrucción por ciclo de reloj, por lo que una Pentium 75 MHz podía ser más rápida que una 486-100 Mhz. • Los precios iniciales eran muy altos así como el de las placas principales (mother boards) necesarias para su funcionamiento. • En casos ideales (programas compilados para Pentium) eran de casi el doble de velocidad del 486, pero pocos programas cumplían esta condición. • Los procesadores ya empezaban a requerir disipadores y coolers debido a las altas temperaturas de funcionamiento. Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1993
60MHz - 200MHz
3.1 millones - 3.3 millones
Intel
2.4.8 Cyrix 5x86 y AMD 5x86 •
Sólo eran 486 más rápidas
• Adaptadas para colocarse en sockets de 486 • Tuvieron mucho éxito pero estuvieron poco tiempo en el mercado Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1995
100MHz - 133MHz
1.4 millones - 1.6 millones
AMD - IBM
2.4.9 AMD K5 - Cyrix 6x86-120(M1) •
Cuando salió estaba muy atrás de sus competidores (en velocidad)
• Era técnicamente el más avanzado de su tiempo • Utilizaba un diseño x86RISC (Transformaba instrucciones CISC en "micro-ops" más pequeñas) • Para propósitos prácticos, el primer K5 era equivalente a un Pentium-90 • Ya no eran "clones" de intel, sino que implementaban su propia tecnología Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1996
90MHz - 200MHz
4.3 millones - 3.3 millones
AMD - IBM 11
COMPUTACIÓN I (ELO) - INFORMÁTICA I (BIO)
2.4.10 •
Arquitectura de Computadoras
Pentium Pro 200 Eran 2 chips unidos en uno
• Cache secundario en el micro • Era de gran tamaño, de alta temperatura de trabajo y costoso de producir • Trabajaba a 32 bits (lo cual sólo era aprovechado por sistemas operativos de 32 bits) • Introducía un núcleo RISC Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1995
150MHz - 200MHz
5.5 millones
Intel
2.4.11
Pentium MMX
•
Incluía instrucciones para multimedia (MMX)
• Incluía una suma de pequeñas mejoras que lo convirtieron en el último y mejor de los Pentiums Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1997
166MHz - 233MHz
4.4 millones
Intel
2.4.12
AMD K6
•
Producido por la fusión de las empresas AMD-NexGen
• Tuvo tanto éxito que no se podía satisfacer su demanda, por lo que su precio subió. • Su mayor debilidad era la unidad de punto flotante. • Las posteriores K6-2 incluían extensiones gráficas (3D-Now), además de las MMX Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1997
166MHz - 266MHz
8.8 Millones
AMD
2.4.13
Cyrix IBM 6x86MX
•
Muy rápida
• Extremadamente barata • Tuvo mucho éxito Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1997
150MHz - 200MHz
6.6 millones
IBM
12
COMPUTACIÓN I (ELO) - INFORMÁTICA I (BIO)
2.4.14 •
Arquitectura de Computadoras
Intel Pentium II Tuvo un mayor éxito que el Pentium Pro
• Esencialmente era un Pentium Pro con un encapsulado diferente, con algunas mejoras en la memoria cache. • Tenía una excelente performance en punto flotante. • Utilizaba un socket con forma de cartucho Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1997
233MHz - 450MHz
7.5 millones
Intel
2.4.15
Intel Celeron
•
Fueron creados principalmente para competir con los bajos precios de AMD y Cyrix
• Básicamente es un Pentium II sin memoria caché secundaria Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1998
266MHz
7.5 millones
Intel
2.4.16 •
Intel Celeron A Incluía una memoria caché secundaria
• Se aumentó la velocidad del procesamiento. Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1998
300MHz
7.5 millones
Intel
2.4.17 •
Intel Pentium III Incluía instrucciones para gráficos (SSE) para competir con 3dNow de AMD.
• Introdujo un número de serie grabado, supuestamente para ayudar en las transacciones seguras en internet. Lo que produjo serias protestas. • Básicamente no habían grandes cambios con respecto al Pentium II Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1999
500MHz
9.5 millones
Intel
2.4.18 •
AMD Athlon Fué el procesador más esperado de la historia
• Fué rediseñado desde cero (a diferencia de K6-2 y K6-3, que sólo eran actualizaciones del K6) • Disponía de un espacio mayor para el almacenamiento de las instrucciones a ser procesadas y unidades paralelas múltiples para procesamiento, en 13
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Arquitectura de Computadoras
teoría también era posible utilizar mútiples procesadores • Se presentaba en un cartucho como la Pentium II, pero no para Slot1, si no que introdujo el SlotA. Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
1999
500MHz - ?
22 millones
AMD
2.4.19 •
AMD Duron Era básicamente un AMD Athlon Thunderbird con una memoria caché más pequeña
• Precio realmente barato con muy buena performance Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
2000
600MHz - 1000MHz?
25 millones
AMD
2.4.20 •
Pentium 4 El primer chip en superar a los de AMD desde el Pentium III 550
• La velocidad no era mucho mayor a los de AMD y su precio era elevado Año
Vel. Reloj
Transistores
Fabricante
2000
2000MHz - ?
42 millones
Intel
2.5
Placa Principal, Placa Base o Placa Madre (MotherBoard)
La MotherBoard es una plaqueta en donde se encuentran los componentes más importantes de una computadora. Contiene un zócalo donde va el microprocesador, conectores (slots) para las memorias y también para las plaquetas que la conectan con el mundo exterior, los buses de datos, control y direcciones, la memoria del sistema, la memoria caché externa, el chipset y el BIOS (Basic Input Output System – Sistema Básico de Entrada y Salida). En la actualidad la mayoría de las placas principales contienen las interfaces adaptadoras de los discos rígidos y los puertos de Entrada/Salida en la misma placa del circuito, para ahorrar conectores de expansión.
14
COMPUTACIÓN I (ELO) - INFORMÁTICA I (BIO)
Arquitectura de Computadoras
Figura 2-3 - Esquema funcional de una placa base moderna
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COMPUTACIÓN I (ELO) - INFORMÁTICA I (BIO)
Arquitectura de Computadoras
Figura 2-4 - Imagen de una placa base moderna
16
COMPUTACIÓN I (ELO) - INFORMÁTICA I (BIO)
2.6
Arquitectura de Computadoras
Memorias
2.6.1 Descripción General Llamaremos memoria a todo dispositivo electrónico capaz de almacenar información, de tal manera que el elemento que se sirva de él pueda acceder a la información solicitada en cualquier momento. En consecuencia, no consideramos como memorias las cintas y tarjetas perforadas, pero sí a la cinta magnética una vez montada en el dispositivo de lectura. Prácticamente la totalidad de las memorias emplean el almacenamiento binario, es decir, que la información mas elemental registrada es el bit, a cuyo soporte físico se lo suele llamar celda de memoria o punto de memoria. La celda de memoria puede ser perfectamente definida e individualizada como en el caso de un biestable electrónico o un núcleo de ferrita, en otros casos puede corresponder a una zona de una superficie continúa, como sucede en una cinta magnética. Vcc
MEMORIA Bus de Direcciones
Bus de Datos
R/W CS Masa R/W: Señal de lectura o escritura. CS: Señal de habilitación del dispositivo (Chip Select). Vcc: Tensión de Alimentación Figura 2-5- Diagrama en bloques de una memoria .
2.6.2 Clasificación de las Memorias Existen muchas formas de clasificar las memorias: 1- Según la forma de acceso: a) Memorias llamadas de acceso aleatorio o directo, en éstas la información está guardada en una dirección precisa. Se puede alcanzar directamente ese punto con la ayuda de la dirección; es el caso de las memorias centrales de núcleos o con circuitos integrados. En este tipo de memoria, tanto en el proceso de lectura como en el de escritura, el tiempo de acceso no depende de la dirección. b) Memorias de acceso secuencial. En este tipo de memorias tales como la cinta magnética, es preciso hacer pasar la cinta y, por consiguiente, toda la información grabada, para tener acceso a la dirección de la información deseada. Por lo tanto el tiempo empleado para realizar alguna operación depende de la posición de información buscada respecto a una referencia. 17
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Arquitectura de Computadoras
Algunos elementos de almacenamiento utilizan una combinación de ambos tipos de acceso, por ejemplo en ciertos discos de cabezas móviles, es aleatoria la elección de la cabeza y su posicionamiento, o sea la elección de la pista y secuencial la búsqueda de la información dentro de dicha pista. 2- Según la operación que realiza. a) Memorias de lectura y escritura: En estas memorias, también llamadas vivas, es posible realizar las dos operaciones posibles en una memoria, lectura y escritura. La lectura puede ser destructiva (la información leída se borra de la memoria) o no destructiva. La escritura puede exigir o no de un borrado previo. Las memorias de Circuitos Integrados (C.I.) son de lectura no destructiva y no necesitan de un borrado previo, las memorias de núcleos eran de lectura destructiva y exigía de un borrado previo a la escritura. A las memorias de lectura-escritura se las denomina comúnmente memorias RAM (Random Access Memory), memorias de acceso aleatorio, lo cual no simboliza su tipo. b) Memorias de sólo lectura: Estas memorias también llamadas muertas o fijas, solo pueden leerse, son en general de acceso aleatorio y se las denomina comúnmente como ROM (Read Only Memory). Como casos particulares de este tipo de memorias podemos citar: •
PROM (Programable Read Only Memory), memoria programable de sólo lectura, la cual puede ser grabada por el usuario una sola vez.
•
EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), programable por el usuario que se puede borrar mediante rayos de luz ultravioleta.
•
EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory): Se puede borrar selectivamente byte a byte con corriente eléctrica.
•
FLASH: Está basada en las memorias EEPROM pero permite el borrado bloque a bloque y permite mayor densidad de información.
3- Según la permanencia del dato en memoria. a) Volátiles y no Volátiles: Son Volátiles cuando la memoria pierde su contenido al cortarse la tensión de alimentación, como por ejemplo las RAM de semiconductores. Son no volátiles cuando mantienen la información aún cuando se corta la alimentación, en este tipo encontramos las ROM de semiconductores y las RAM de núcleos magnéticos. b) Estáticas y Dinámicas: Cuando la información permanece en memoria indefinidamente, mientras este alimentada, se dice que es Estática. En cambio si el contenido se altera en el tiempo aunque no se suprima la alimentación, y además para mantener la información es necesario generar periódicamente una operación, llamada refresco, se dirá que la memoria es dinámica. 2.6.3 Características de las Memorias En muchos casos es necesario diferenciar las memorias por sus características más importantes. • Tiempo de escritura: es el tiempo que transcurre entre el momento en que se proveen a la entrada la información a guardar y su dirección, y el instante en que la información queda realmente registrada. • Tiempo de lectura: es el que transcurre entre la aplicación de la dirección y el instante en que la información está disponible a la salida. 18
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• Tiempo de acceso: sin otra aclaración es comúnmente la media de los tiempos de escritura y de lectura. Deberá distinguirse entre el tiempo de acceso medio y el tiempo de acceso máximo cuando se trata de memorias secuenciales. • Cadencia de transferencia o caudal: así se llama al número máximo de informaciones leídas o escritas por unidad de tiempo. Para las memorias de acceso por bloques se supone que las informaciones están situadas en lugares sucesivos de memorias. Generalmente se la mide en bits por segundo o Kbits por segundo. • Capacidad: es el número de palabras o de bits que la memoria puede guardar. Se denomina también "volumen". Se hablará por ejemplo de una memoria de 64 Kbits, de un disco de 30 Mbits, donde un Kbits representa a 210 = 1024 bits. • Densidad de información: es el número de informaciones por unidad de volumen físico. 2.6.4 Jerarquías de las Memorias En una máquina, lo ideal sería disponer de una memoria central muy rápida y de gran capacidad, pero esta solución sería demasiado costosa y técnicamente irrealizable. Por consiguiente se ha llegado a establecer una jerarquía de las memorias sobre todo a dos niveles: una memoria central relativamente rápida pero de capacidad limitada; una memoria auxiliar de mucha mayor capacidad pero con un tiempo de acceso considerable. De hecho pueden distinguirse tres niveles de memoria, en cuanto a su utilización y localización en la arquitectura de la máquina. • Las memorias borrador (memoria caché o scratch-pad memory): son memorias de acceso aleatorio muy rápidas y de baja capacidad. Se utilizan memorias de circuitos integrados realizados con las tecnologías de mayor velocidad. • La memoria central (o principal): es de acceso aleatorio, puesto que en ella busca la unidad central la información que necesita, se utilizan memorias de circuitos integrados realizados con tecnología que permite alta escala de integración, siendo de menor velocidades que las anteriores. • Memorias de masa (memoria virtual): Se caracterizan por ser de gran capacidad, tiempos de acceso considerables y grandes velocidades de transferencia. Se accede en ellas a bloques de información que son transferidos a la memoria central para ser utilizados allí. Para este tipo de memoria se utilizan generalmente unidades de disco.
Velocidad
Tecnología
Costo x GB
Tiempo de acceso
SRAM
$10000
1 ns
DRAM
$100
100 ns
Disco Rígido
$1
Caché Memoria Principal
Memoria Virtual
Capacidad
10.000.000 ns Componentes de una jerarquía de memorias con características típicas al 2006.
19
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2.7
Arquitectura de Computadoras
Periféricos
2.7.1 Unidades de entrada Un periférico de entrada recoge datos u ordenes (comandos) del mundo exterior y los transmite al computador bajo la forma de códigos binarios. Analizaremos algunos de ellos. • Teclado • Ratón o Mouse • “Joystick “o palanca manual de control • Lápiz óptico • Lector óptico • Lector de caracteres imantables • Lector de bandas magnéticas • Lector de tarjetas “Chip” o inteligentes (Smart Card) • Reconocedores de voz • Pantalla sensible al tacto 2.7.1.1 El Teclado El teclado es el más común de los periféricos de entrada que, además de poseer una parte electrónica, dispone de otra mecánica. En un principio los teclados formaban un conjunto integrado en el computador. Posteriormente, y por comodidad, se les separo de la CPU, estableciendo entonces la comunicación por medio de un cable, de forma que pueda ser colocado por el usuario donde lo desee. Se pueden distinguir claramente dos partes en un teclado: Una electrónica y la otra mecánica como se mencionó anteriormente. La primera sirve para codificar de manera comprensible para la CPU, la información de cual ha sido la tecla pulsada; la segunda es para que nuestras manos introduzcan la información deseada con comodidad y fiabilidad al computador. Las teclas están unidas a un contacto eléctrico que puede estar diseñado de diversas maneras. Aunque existe una gran variedad de teclados en el mercado se pueden clasificar en: Profesionales y No profesionales. Los teclados No profesionales en general tienen teclas de material elástico, demasiado pequeñas, muy juntas y suelen fallar casi constantemente. Estos son teclados económicos y como es lógico no sirven para trabajo permanente. Este es el caso del teclado de la computadora ZX SPECTRUM. Los así llamados Profesionales, poseen teclas de material duro (plástico) y formas anatómicas para que los dedos se adapten con mayor facilidad. Algunos de estos suelen tener algunas teclas con puntos en sobre relieve (la K en General) para permitirle al usuario disponer de un punto de referencia para la posición de los dedos. Si bien la disposición de las teclas se ajusta a las de las máquinas de escribir, también depende de la nacionalidad del computador. Por este motivo, existe la posibilidad de elección. mediante software, del teclado de diseño nacional o del comúnmente estándar americano denominado QWERTY (denominación que corresponde a la disposición de las teclas en la esquina superior izquierda en la primera fila de letras). Para aplicaciones industriales existen teclados totalmente sellados que soportan ambientes agresivos, como por ejemplo aire, agua y atmósferas de vapores.
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Estructura de un teclado Un teclado profesional en la actualidad posee 102 teclas (84 en versiones antiguas) separadas en: • doce teclas de función. • diecisiete teclas en el panel numérico tipo calculadora. • diez teclas de cursor y edición. • cincuenta y cuatro teclas alfanuméricas. • nueve teclas de funciones especiales.
Figura 2-6 -Imagen de un teclado moderno (Gentileza IBM)
La mayoría de las teclas alfanuméricas se encuentran en la misma posición y realizan las mismas funciones que sus equivalentes en una maquina de escribir. Sin embargo, existen también ciertas teclas adicionales que solas o en combinación con otras ejecutan funciones especiales, según se detalla a continuación: CAPS LOCK Conmuta el teclado de minúsculas a mayúsculas. Al pulsar esta tecla se enciende un luz en el panel luminoso, y las teclas alfabéticas pasan a mayúsculas (para acceder a minúsculas hay que presionar ). Las teclas numéricas, de edición y los símbolos no se ven afectados y para acceder a los caracteres de la parte superior hay que presionar . Pulsando nuevamente se desactiva esta función. ENTER La Tecla cuando se presiona finaliza una línea (similar al retorno de carro de una maquina de escribir). Sirve también para ingresar un comando: primero se selecciona o escribe el comando, y al presionar comienza su ejecución. PrtScrn Presionando y simultáneamente se envía una copia de la pantalla a la impresora.
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BACKSPACE La Tecla (retroceso), mueve el cursor hacia la izquierda, borrando un carácter cada vez que se la presiona (excepción de algunos programas que no reconocen esta característica). BARRA ESPACIADORA Al presionarla, mueve el cursor hacia la derecha. Con esta acción "escribe" un espacio, o mueve el carácter siguiente hacia la derecha. CTRL La tecla de CONTROL no actúa sola, sino siempre en combinación con otras, enviando códigos de control a la computadora, cuyas funciones variaran de acuerdo al software que se utiliza. En general: • interrumpe la ejecución de un programa o comando, y regresa al sistema operativo. • reinicia el sistema (Reset - Warm start). ESC Las funciones de esta tecla están determinadas por el software especifico que se utiliza. En la mayoría de los programas, esta función es la de cancelar una operación. TAB Esta tecla mueve el cursor hacia la derecha un cierto numero de espacios llamado tabulado. Presionando mueve el cursor hacia la izquierda hasta el tabulado anterior. SHIFT El teclado posee dos teclas SHIFT. Cualquiera de las dos, cambia las teclas alfabéticas a mayúsculas. En las demás, números y símbolos, aparecerán los caracteres marcados en la parte superior de las teclas. ALT Tecla de funciones alternativas. Su función depende del software que se esta utilizando. NUMLOCK Al presionar , las teclas del panel numérico 0 a 9 pasan a su función numérica, es decir, al digitarlas aparecerán los números en la pantalla. Mientras esta función este activa la luz indicadora permanecerá encendida. SCROLL LOCK Mientras esta activa (luz encendida), permite mover la pantalla hacia arriba o hacia abajo, hacia la derecha o izquierda con las teclas cursor. INS y INSERT Activa el modo inserción o el de sobre escritura (reemplazo). En modo inserción, el carácter que se escriba se insertará en la posición del cursor y todo el texto a continuación del mismo se desplazara un lugar hacia la derecha. En modo reemplazo, el carácter que se escriba reemplazará al carácter existente, en la posición en que este el cursor. DEL y DELETE Borra el carácter que ocupa la posición del cursor. 22
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+|-|*|/ Estas teclas hacen aparecer los símbolos que poseen en la pantalla. CURSOR ↑ Esta tecla corresponde a la tecla 8 del panel numérico cuando la función Num Lock no esta activada o al panel de cursor separado. Su función es la de mover el cursor hacia arriba. CURSOR ↓ Esta tecla corresponde a la tecla 2 del panel numérico cuando la función Num Lock no esta activada o al panel de cursor separado. Su función es la de mover el cursor hacia abajo. CURSOR → Esta tecla corresponde a la tecla 6 del panel numérico cuando la función Num Lock no esta activada o al panel de cursor separado. Su función es la de mover el cursor hacia la derecha. CURSOR ← Esta tecla corresponde a la tecla 4 del panel numérico cuando la función Num Lock no esta activada o al panel de cursor separado. Su función es la de mover el cursor hacia la izquierda. HOME Pertenece al panel de edición o al panel numérico, tecla 7 cuando la función Num Lock no esta activa. Su función, en la mayoría de los casos es mover el cursor a la línea 1, columna 1 del trabajo que se esta realizando. END Pertenece al panel de edición o al panel numérico, tecla 1 cuando la función Num Lock no esta activa. Su función, en la mayoría de los casos es mover el cursor al final del trabajo que se esta realizando. PG UP Pertenece al panel de edición o al panel numérico, tecla 9 cuando la función Num Lock no esta activa. Su función, en la mayoría de los casos es mover la pantalla y mostrar la anterior. PG DN Pertenece al panel de edición o al panel numérico, tecla 3 cuando la función Num Lock no esta activa. Su función, en la mayoría de los casos es mover la pantalla y mostrar la siguiente. F1 a F12 Las teclas de función permiten enviar a la computadora una serie de comandos, ya sea cuando se presionan solas o en forma simultanea con . Las funciones que ejecuten pueden ser muy diversas dependiendo del software especifico de aplicación. 2.7.1.2 El Mouse (RATON) El mouse es un pequeño periférico de aspecto, semejante al de un ratón, de ahí lleva su nombre. En el momento de activar el ratón, se asocia su posición con la del cursor en la pantalla. Si desplazamos sobre una superficie el mouse o ratón, el cursor seguirá dichos movimientos. Es muy empleado en aplicaciones dirigidas por menús o entornos gráficos, como por ejemplo Windows ya que con un pulsador adicional en cualquier instante se pueden obtener en programa las coordenadas (x,y) donde se encuentra el cursor en la pantalla, seleccionando de esta forma una de las opciones de un menú.
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Es un dispositivo, con uno o más pulsadores en la parte superior, conectada mediante un cable (la cola) a la computadora. Los mecánicos poseen una bola de goma o metal que gira con componentes de rotación en x-y cuando el usuario desliza el mouse sobre una superficie plana. Los ópticos producen el mismo efecto pero mediante luz láser. Estos dispositivos tienen algunas pequeñas diferencias ya que se conectan al computador a través de una interfase serie RS-232, del puerto PS2 o USB. Existen. También han aparecido en el mercado los TRACKBALL, que poseen la diferencia de que en lugar de desplazar el dispositivo haciendo girar la bola se hace girar la bola con los dedos reduciendo de esta manera el movimiento de la mano.
Figura 2-7 - Imagen de un mouse moderno (Gentileza Saitek)
2.7.1.3 El Joystick Se trata de un potenciómetro doble situado en un soporte que le permite girar en dos direcciones perpendiculares entre si. Una palanca controla el mecanismo de rotación y además permite accionar simultáneamente el potenciómetro doble, en proporciones variables según la inclinación de la palanca. El Joystick produce a la salida dos tensiones que se pueden enviar a las respectivas entradas del computador y que son, una de ellas proporcional al desplazamiento de la palanca en la dirección "x", y la otra proporcional al desplazamiento en la dirección "y". De esta forma el Joystick se puede transformar, según el programa, en el mando de un avión o de un misil, podrá ser utilizado para dibujar o para dirigir unos infatigables hombrecitos mientras juegan a la pelota. Existen versiones económicas de Joystick que en lugar de tener potenciómetros poseen cuatro contactos eléctricos y el programa del computador es el encargado de traducir el tiempo en que el contacto esta cerrado en el movimiento del cursor en la pantalla y con esto la coordenada x-y.
Figura 2-8 - Imagen de un joystick moderno
2.7.1.4 Lápiz óptico. Físicamente tiene la forma de una pluma o lápiz grueso, de uno de cuyos extremos sale un cable para unirlo a un monitor. El lápiz contiene un pulsador, transmitiéndose información hacia 24
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el monitor sólo en el caso de estar presionado. Al activar el lápiz óptico frente a un punto de la pantalla se obtienen las coordenadas del lugar donde apuntaba el lápiz. 2.7.1.5 Lector Óptico Nos referiremos en este apartado únicamente a los detectores de marcas, detectores de barras y detectores de caracteres manuscritos e impresos. Lector Óptico De Marcas Los lectores ópticos de marcas son sistemas que aceptan información escrita a mano y la transforman en datos binarios inteligibles por la computadora, central. El usuario se limita a marcar con su lápiz ciertas áreas preestablecidas del documento que representan posibles opciones o preguntas. Estos documentos pueden ser leídos posteriormente, a gran velocidad, por un computadora con un lector óptico de marcas. Este detecta las zonas preestablecidas que están marcadas. Esta forma de introducir datos en la computadora es útil, por ejemplo, para corregir exámenes de tipo test, escrutar quinielas, valorar encuestas, etc. Una variante sencilla de este sistema la constituye el método de reconocimiento de marcas. En este caso el dispositivo de lectura puede reconocer cuándo ciertas áreas se han ennegrecido con un lápiz u otro instrumento de escritura. Entre los documentos sometidos a esta forma de lectura se encuentran los cupones de las quinielas, los formularios para la lectura de los contadores de gas y luz, y los cuestionarios con respuesta de elección múltiple. Los métodos de OCR y de reconocimiento de marcas tienen la ventaja de que se pueden emplear para leer los datos directamente de los documentos originales, pero son lentos y sensibles a los errores, en comparación con otros métodos. Detector de caracteres manuscritos e impresos Los lectores ópticos de caracteres pueden detectar caracteres (alfabéticos y/o numéricos), o bien impresos o mecanografiados, o bien manuscritos. Los lectores de caracteres impresos suelen utilizar patrones normalizados. Los lectores de caracteres manuales son mucho más complejos, sirviendo frecuentemente sólo para detectar unos pocos caracteres. Usualmente en el manual del dispositivo se indica la caligrafía "preferida" por el dispositivo. El reconocimiento óptico de caracteres (OCR) está basado en el uso de un dispositivo de exploración óptica que puede reconocer la letra impresa. Muchos documentos comerciales, como las facturas de gas, luz o teléfono, disponen de una banda que figura en la parte inferior que se puede leer mediante un dispositivo de OCR. Los nuevos pasaportes de la Comunidad Europea disponen de una página de texto OCR en la que se incluyen todos los detalles del titular del pasaporte. Se emplea un tipo de impresión especial para facilitar su lectura (algunos dispositivos de OCR pueden leer tipos de imprenta comunes, y otros, como los empleados por las administraciones postales para los procesos de clasificación, pueden reconocer la letra manuscrita siempre que ésta sea suficientemente clara). Detector de barras impresa. En la actualidad han adquirido un gran desarrollo los lectores de códigos de barras. Estos se usan con mucha frecuencia en centros comerciales. En el momento de fabricar un producto se imprime en su envoltorio una etiqueta con información sobre el mismo según un código formado por un conjunto de barras separadas por zonas en blanco. La forma de codificar cada dígito decimal consiste en variar el grosor relativo de las barras negras y blancas adyacentes. 25
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Con estas marcas se puede controlar fácilmente por computadora las existencias y ventas de una determinada empresa, e incluso gestionar los pedidos a los suministradores de forma totalmente automática, lo cual genera un ahorro de costes considerable. El usuario pasa una lectora óptica de tipo pistola por la etiqueta, introduciéndose así, sin necesidad de teclear, y con rapidez, la identificación del artículo. La computadora contabiliza el producto como vendido y lo da de baja en la base de datos de existencias. El lector óptico suele formar parte de una caja registradora que en realidad es un terminal interactivo denominado terminal punto de venta (TPV). Los códigos de barras se están transformando en la forma estándar de representar la información en los productos de mercado en un formato accesible para las máquinas, particularmente en los centros comerciales. Un código de barras consiste en un conjunto de barras verticales pintadas en negro (o en un color oscuro) sobre un fondo blanco (o claro). Los caracteres se codifican empleando combinaciones de barras anchas y estrechas y siempre se incluyen caracteres de comprobación. Un lector de código de barras interpreta la secuencia de barras y produce el conjunto de caracteres equivalente. Los lectores de códigos de barras tiene la forma de un lápiz, que se pasa sobre el código a leer o bien son dispositivos mayores de carácter fijo, que disponen de una ventana sobre la que se pasa el producto cuyo código se quiere leer. En este último tipo la lectura se realiza mediante un haz láser. Los lectores de códigos de barras se incorporan generalmente a algún tipo de terminal, como en el caso de los más recientes tipos de cajas registradoras para supermercados. Las experiencias hasta la fecha indican que los códigos de barras constituyen un método de codificación bastante rápido y fiable. Lector de caracteres magnéticos Los caracteres magnéticos se utilizan en los talones y cheques bancarios, y en las etiquetas de algunos medicamentos en algunos países, pues en España se usa el código EAN. En estos documentos se imprimen, de acuerdo con unos patrones, los caracteres que identifican el cheque o talón. La tinta utilizada es imantable (contiene óxido de hierro) y además es legible directamente por el hombre. La impresión se hace con una máquina auxiliar denominada inscriptora electrónica. Este dispositivo ofrece una serie de ventajas como: • Permitir la captación directa de datos. • Los documentos no necesitan cuidados especiales, se pueden doblar, escribir encima con tinta no magnética. • Se consiguen velocidades de lectura muy apreciables. • Los caracteres usados son legibles. Los inconvenientes que presentan son: • Alto costo. • Impresión cara y específica. Detector de bandas magnéticas Las bandas magnéticas se emplean en productos como tarjetas de crédito, tarjetas de la Seguridad Social, tarjetas de acceso a edificios y etiquetas de algunos productos. Contienen datos como números de cuenta, códigos de productos, precios, etc.
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Las bandas magnéticas se leen mediante dispositivos de lectura manuales, similares a un lápiz, o por detectores situados en los dispositivos en los que se introducen las tarjetas, incluso disponibles en algunos teclados. La ventaja de este método es que la información es prácticamente imposible de alterar una vez que se ha grabado en la banda, salvo que se le aplique un campo magnético de intensidad suficiente. Esto proporciona un notable grado de seguridad frente a los sistemas convencionales. Reconocedores de voz Uno de los campos de investigación actual más relevantes relacionados con la Informática es el reconocimiento de la voz. Se pretende una comunicación directa del hombre con la computadora, sin necesidad de transcribir la información a través de un teclado u otros soportes intermedios de información. Usualmente los dispositivos de reconocimiento de la voz o de la palabra tratan de identificar fonemas o palabras dentro de un repertorio o vocabulario muy limitado. Un fonema es un sonido simple o unidad del lenguaje hablado. Un sistema capaz de reconocer, supongamos, 7 palabras, lo que hace al detectar un sonido es extraer características o parámetros físicos inherentes a dicho sonido, y compararlos con los parámetros (previamente memorizados) de las 7 palabras que es capaz de reconocer. Si, como resultado de la comparación, se identifica como correspondiente a una de las 7 palabras, se transmite a la memoria intermedia del dispositivo el código binario identificador de la palabra. Si el sonido no se identifica, se indica esta circunstancia al usuario (iluminándose una luz, por ejemplo) para que el usuario vuelva a emitir el sonido. Existen dos tipos de unidades de reconocimiento de la voz: • Dependientes del usuario: En estos sistemas es necesario someter al dispositivo a un período de aprendizaje o programación, al cabo del cual puede reconocer ciertas palabras del usuario. En el período de aprendizaje el sistema retiene o memoriza las características o peculiaridades de los sonidos emitidos por el locutor, y que luego tendrá que identificar. • Independientes del usuario: Estos sistemas están más difundidos, pero el vocabulario que reconocen suele ser muy limitado. Los parámetros de las palabras que identifican vienen ya memorizados al adquirir la unidad. Son utilizados, por ejemplo, para definir el movimiento de cierto tipo de robots. En este caso el operador da verbalmente órdenes elegidas de un repertorio muy limitado, como puede ser : parar, andar, arriba, abajo, etc. La unidad cuando capta un sonido comprueba si corresponde a uno de los del repertorio. En caso de identificación se transmite a la computadora central la información necesaria para la ejecución del programa que pone en marcha y controla la acción requerida. 2.7.1.6 Pantalla sensible al tacto. Son pantallas que pueden detectar las coordenadas (x,y) de la zona de la propia pantalla donde se acerca algo (por ejemplo, con un dedo). Este es un sistema muy sencillo para dar entradas o elegir opciones sin utilizar el teclado. Se utiliza para la selección de opciones dentro del menú o como ayuda en el uso de editores gráficos. Con frecuencia se ve en los denominados kioscos informativos, cada vez más difundido en grandes empresas, bancos y en puntos de información urbana. Existen pantallas con toda su superficie sensible, y otras en las que sólo una parte de ella lo es. 27
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2.7.1.7 Digitalizador. Los digitalizadores o tabletas digitalizadoras o tabletas gráficas son unidades de entrada que permiten transferir directamente al computadora gráficos, figuras, planos, mapas, o dibujos en general. Esto se hace pasando manualmente una pieza móvil por encima de la línea a digitalizar y automáticamente se transfieren las coordenadas (x,y) de los distintos puntos que forman la imagen, unas detrás de otras. Es decir, con el digitalizador, partiendo de un dibujo se obtiene una representación digital de él, en el interior de la computadora. Todo digitalizador consta de tres elementos: • Tabla: Donde se ubica el dibujo a digitalizar (puede ser opaca o transparente). • Mando: Con el que el usuario debe recorrer el dibujo. Este suele tener forma de lápiz o cursor, y está unido al resto del sistema por un cable flexible. En el último caso el cursor tiene una ventana cerrada con una lupa, en cuyo interior se encuentra embebida una retícula en forma de cruz para señalar o apuntar con precisión el punto a digitalizar. El mando puede disponer de uno o varios pulsadores para controlar la modalidad de funcionamiento, forma de transmisión y selección de opciones del programa que gestiona la digitalización. • Circuitos electrónicos: Controlan el funcionamiento de la unidad. Los digitalizadores, junto con los trazadores de gráficos (plotters) y pantallas gráficas, son elementos fundamentales de los sistemas gráficos, que tienen en la actualidad gran importancia en diversas aplicaciones de la Informática. 2.7.1.8 Scanner. Es un dispositivo que recuerda a una fotocopiadora que se emplea para introducir imágenes en un computadora. Las imágenes que se desee capturar deben estar correctamente iluminadas para evitar brillo y tonos no deseados. Son dispositivos de entrada de datos de propósito especial que se emplean conjuntamente con paquetes software para gráficos y pantallas de alta resolución. La mayor parte de los scanners capturan imágenes en color. Dada la cantidad de espacio de almacenamiento que se necesita para una imagen no suelen capturarse imágenes en movimiento. Los programas que controlan el scanner suelen presentar la imagen capturada en la pantalla. Los colores no tienen porqué ser necesariamente los originales. Es posible capturar las imágenes en blanco y negro o transformar los colores mediante algún algoritmo interno o modificar y mejorar la imagen. Sin embargo, y en general, los colores que produce un scanner suelen ser los correctos.
2.7.2 Unidades de salida Se agrupan en esta categoría a todos los periféricos que permiten al sistema enviar sus datos al mundo exterior, por lo que ha dicha categoría pertenecen: • Impresoras • Trazador de gráficos o “plotter” • Monitor • Adaptador de video • Sintetizado de voz 28
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• Visualizado • Instrumentación científica o industrial 2.7.2.1 Impresoras. La impresora es quizás el periférico más próximo al hombre, y sin duda el más tradicional. Proporciona en un soporte permanente (papel) una información comprensible para el usuario e inmediatamente utilizable. La importancia de tener una impresión es evidente: en papel se puede razonar mejor, se puede tener una visión mas amplia del conjunto de datos, como si se leyera un libro, y se pueden efectuar también mas fácilmente correcciones. Las impresoras pueden clasificarse según la técnica que utilicen para imprimir. Entre ellas podemos citar: Impresoras sin Impacto: A este tipo de impresoras pertenecen todas aquellas que imprimen los caracteres sin la ayuda de algún medio de percusión mecánico. Las tecnologías de no percusión son numerosas pero existen tres principios ampliamente difundidos, estos son: a) Térmicas: Muy usadas en los comienzos de la computación con las home computers, actualmente han caído en desuso. Un denominador común de esta es la reducida longitud de línea de impresión, como máximo 80 caracteres y la velocidad de impresión varia de 2 a 5 líneas por segundo, aunque hay algunas de 20 líneas por segundo. El papel sobre el que se imprimen los caracteres esta tratado por medios químicos con una sustancia sensible al calor (papel termo sensible). Este se arrastra a velocidad constante o, dicho de otra manera, a pequeños saltos hacia adelante, uniformemente separados. Mientras se desplaza, un rodillo lo oprime contra un soporte, denominado cabeza de impresión, en donde hay una serie de diminutos elementos llamados agujas que se pueden o no calentar. El calor generado por cada aguja activa es suficiente como para oscurecer el papel en el punto que, en ese instante, esta en contacto con el elemento de impresión. Con el desplazamiento de la cabeza perpendicularmente al sentido de arrastre del papel, se consigue incidir en una serie ordenada de puntos para crear un a serie de caracteres cuya definición depende exclusivamente del tamaño del punto generado y de la proximidad de las agujas entre si. Su única ventaja es que son pequeñas y portátiles, pero la impresión tiende a desaparecer del papel con el tiempo y los caracteres no tienen buena definición. b) De chorro de tinta: Estas disponen de una cabeza móvil que se desplaza perpendicularmente al sentido de arrastre del papel. En la practica este cabezal básicamente dispone de un depósito de tinta líquida, de una pequeña bomba y de un inyector. La bomba impulsa la tinta a través del inyector, el cual pulveriza el chorro así generado. Las micro gotas de tinta obtenidas se depositan sobre el papel (de forma controlada) situado delante generando los caracteres.
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Figura 2-9 - Impresora a chorro de tinta (EPSON)
La Figura 2-10 muestra la forma de el cabezal de una impresora "ink-jet" (de chorro de tinta). La velocidad de impresión es baja, pero la calidad obtenida es excelente, pudiendo inclusive generar gráficos. El costo por página es elevado, pero es una alternativa válida si deben generarse impresiones de alta calidad.
Figura 2-10 - Cabezal de una impresora de chorro de tinta.
1) Láser: Son las impresoras de última generación. Utilizan el láser y las técnicas de las fotocopiadoras para generar impresiones de calidad profesional. Son generalmente usadas por los editores de libros, revistas y diarios. Poseen una infinidad de tipos de letras posibles (fonts) y pueden imprimir hasta 17 páginas por minuto y un funcionamiento totalmente silencioso. Su principal desventaja es su costo elevado.
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Figura 2-11 - Impresora Láser (XEROX)
2) Impresoras de Impacto: Este tipo se impresoras utiliza el principio de funcionamiento de la maquina de escribir tradicional, o sea marca el carácter sobre el papel golpeando una cinta entintada con algún elemento mecánico. Este tipo de impresoras se puede subclasificar en: a) De matriz de puntos: Están formadas por un conjunto de pequeñas agujas o martillos alineados verticalmente y dispuestos sobre una cabeza de impresión como se observa en la Figura 2-12. En la practica cada uno de estas agujas o micro martillos tienen un diámetro de algunas décimas de milímetro y terminan en el núcleo de un electroimán. Si se excita el electroimán, la aguja será empujada hacia afuera y sobresaldría algunos milímetros, cuando se desconecta el electroimán un muelle hace retroceder a la aguja a su posición de reposo. De esta manera, las agujas van golpeando sobre una cinta entintada por delante de la cual se desplaza la cabeza. Para marcar cualquier carácter lo que se haría sería activar cada uno de los puntos necesarios.
El cabezal, en negro, imprime seleccionando los puntos precisos para cada carácter. La barra, en gris, hace que el folio vaya subiendo.
Figura 2-12 - Estructura de un cabezal y matriz de puntos.
Naturalmente la percusión se produce únicamente cuando las agujas son impulsadas hacia afuera. En el papel, arrastrado por un rodillo de goma dura se imprimen así tantos puntos como agujas activas o excitadas se en encuentren. La cinta suele ser de Nylon con una tinta muy poco grasa. La mecánica de arrastre es muy simple, la cabeza se desplaza en sentido perpendicular al movimiento del papel y durante este movimiento las agujas son sacadas y guardadas repetidamente. La Figura 2-13 ilustra este mecanismo. Cada carácter a imprimir se forma fila tras fila, según un esquema que emplea una matriz de puntos almacenada la memoria que posee la impresora. En cada pasada del cabezal, de izquierda a derecha (y también de derecha a izquierda, si la impresión es bidireccional), se imprime una línea completa. 31
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Figura 2-13 - Mecanismo de impresión.
La principal ventaja de estas impresoras reside en su bajo costo y en la posibilidad de lograr impresiones de aceptable calidad a velocidades medias. Existen de 9 , 18 y de 24 agujas teniendo estas últimas una mayor definición en la impresión, lo que le permite realizar gráficos medianamente complicados. En cuanto al tamaño, podemos clasificarlas en: de carro angosto (también llamadas de 80 columnas) y de carro ancho (también llamadas de 132 columnas).
Figura 2-14 - Impresora de matriz de puntos
3) Impresoras de margarita: Son impresoras de calidad de impresión, sin embargo son relativamente lentas. Los caracteres se encuentran modelados en la parte más ancha (más externa) de los sectores (pétalos) de una rueda metálica o de plástico en forma de margarita. La margarita forma parte del cabezal de impresión. Un motor posiciona la hoja de margarita del carácter a imprimir frente a la cinta entintada, golpeando un martillo al pétalo contra la cinta, escribiéndose el carácter sobre el papel. El juego de caracteres se puede cambiar fácilmente sin más que sustituir la margarita. Son análogas a las máquinas de escribir. Actualmente están fuera de uso.
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Figura 2-15 - Mecanismo de una Impresora de Margarita.
Características técnicas de una impresora. Las características mas importantes a la hora de evaluar una impresora son: • Ancho del papel: Se expresa en milímetros, o bien en pulgadas. • Densidad de caracteres por línea: Indica el numero de caracteres que pueden imprimirse en cada línea. Las densidades comerciales mas comunes son 80 y 132 caracteres por línea. • Densidad de líneas: Indica el espaciado entre líneas y expresa el numero de líneas por pulgada. • Forma de alimentación del papel: El arrastre del papel puede realizarse por fricción o por tracción. Cuando el mecanismo es de fricción, el arrastre del papel se produce al girar en sentido contrario los rodillos entre los que se desplaza. Las impresoras con mecanismo de tracción emplean el denominado papel continuo, plegado hoja a hoja de forma complementaria (fan fold), en cuyos laterales existen franjas troqueladas con agujeros que se insertan en el mecanismo de arrastre accionado por un motor. • Velocidad de escritura: Se expresa en caracteres por segundo (CPS), o bien en líneas por minuto. Por ejemplo una impresora Epson LX-810 posee una velocidad de impresión de 180/192 cps en modo Draft (impresión de baja calidad). • Tamaño del Buffer: Dado que el computador entrega los datos a una velocidad mucho mayor que la de escritura de la impresora, todas ellas van equipadas con una memoria llamada "Buffer". La capacidad de esta memoria es el tamaño del Buffer. Valores comerciales son 16kbytes, 32 kbytes. • Velocidad de transmisión de caracteres: También se expresa en caracteres por segundo y se refiere a la velocidad de transmisión de los mismos entre el computador y la impresora. • Tipo de interfase: Se refiere a la conexión de la impresora al computador. Los tipos de interfases normalizados y mas frecuentes son: "Centronics", "RS-232C", "Lazo de 20 mA", "IEEE 488". 33
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• Fonts: Normalmente las impresoras pueden escribir con distintos tipos de letras llamados "fonts". Algunos tipos frecuentemente encontrados son: Draft (normal baja calidad), NLQ (calidad carta), ROMAN, Itálica, Gótica, etc. • Posibilidad de escritura de caracteres especiales: El alfabeto de algunos idiomas incluyen caracteres especiales. Este es el caso del castellano en el que existe la letra "ñ" o los acentos. Otros caracteres especiales son los caracteres gráficos tales como "─ │ ┌ ┘ ┴ ┬ ├ ┤ └ ┐ " etc. • Espaciado proporcional: El espaciado entre los caracteres se mantiene proporcional, compensando la escritura sucesivas de letras anchas ("m") y finas ("i"). • Posibilidad de subrayado: Algunas impresoras admiten el subra-yado de caracteres y otras no. • Máximo numero de copias: Indica el numero máximo de copias que se pueden imprimir simultáneamente utilizando papel carbónico. Por ejemplo las impresoras térmicas no disponen de esta posibilidad. • Capacidad Gráfica: Indica la capacidad de una impresora de realizar gráficos. Por ejemplo una impresora de matriz de puntos. Una impresora de margarita obviamente no dispone de esta característica. 2.7.2.2 Plotters. Estos dispositivos permiten el trazado de gráficos con alta definición y a varios colores. Constan de una o más plumas las cuales son las encargadas de realizar el dibujo, y de toda una estructura mecánica de alta precisión encargada de provocar el deslizamiento de la pluma sobre el papel. Esto último hace que su costo total sea alto, pero los plotters son indispensables en aplicaciones tales como diseño asistido por computadora (CAD) para la obtención de planos civiles, mecánicos e incluso para el diseño de plaquetas de circuito impreso para el montaje de componentes electrónicos. Según la forma en que se realiza el dibujo, los registradores se pueden clasificar en tres tipos: • de pluma. • electrostáticos. • de inyección En los registradores de pluma el dibujo se realiza mediante un cabezal en el que se insertan los elementos de escritura: plumas, bolígrafos o rotuladores. Cada elemento de escritura puede subirse o bajarse hasta entrar en contacto con el papel, todo ello controlado por programa. Los registradores electrostáticos son impresoras electrostáticas. El sistema de tracción de papel es similar al de una impresora convencional. El dibujo se realiza línea a línea. El elemento de escritura está constituido por una serie de agujas cuya densidad puede variar. Por lo que respecta a los de inyección, trabajan de forma análoga a una impresora de inyección de tinta, que se describen en el apartado correspondiente. 2.7.2.3 Monitores Los monitores o pantallas de video son periféricos que tienen una gran importancia dado que permiten la visualización, por parte del usuario, de los datos que son entregados a la computadora, como así también los resultados que la misma genera. De esta forma se logra, en conjunción con el teclado, una comunicación mas o menos fluida con el usuario. 34
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Existen monitores de variadas características, de acuerdo con la aplicación a la que están destinados. Es por ello que el tipo de monitor empleado será diferente según se trate de una aplicación de CAD (diseño asistido por computadora) o esté destinado al procesamiento de textos. En el primer caso se requerirá de un monitor gráfico de alta resolución y que soporte colores, y en el segundo caso sólo será necesario un monitor monocromático que permita presentar textos en pantalla de forma eficiente. Téngase en cuenta que no es suficiente con la sola presencia del monitor adecuado, sino que también se hace necesario contar con la provisión de hardware asociado que permita el manejo correcto de dicho monitor, aprovechando al máximo las características del mismo.
Figura 2-16 -Imagen de monitor (FUJIYAMA)
Adaptadores de Video De lo anteriormente expuesto se deduce que existirá, en conjunción con el monitor, un conjunto de circuitos electrónicos que conectados a la computadora van a hacer efectiva la presentación de la información en la pantalla del mismo. Este conjunto de circuitos electrónicos se denomina Adaptador de Video, y en la actualidad se encuentra disponible una amplia variedad de modelos de acuerdo a la resolución deseada. Y a propósito del término resolución, cabe aclarar que el mismo se refiere a la capacidad (del monitor y/o del adaptador de video) de representar un número determinado de puntos (pixels) por línea de la pantalla. Está claro que la resolución de un adaptador de video debe ser acorde a la del monitor para lograr una visualización correcta. Entre los tipos de adaptadores de video actualmente disponibles y más utilizados podemos mencionar: • MDA (Monochrome Display Adapter): Es el adaptador más antiguo, soporta un único modo de video, el modo texto (sin gráficos) con una resolución de 720x350 pixels arreglados como 80 caracteres por línea con 25 líneas cada pantalla, cada caracter se construye con una matriz de 9x14 pixels cada uno). En 1982 fue reemplazado por el adaptador de video HERCULES que agregaba a lo anterior un modo gráfico de 720*348 pixels. • CGA (Color Graphic Adapter): Es el primer adaptador de video estándar para PC que IBM introdujo en el mercado en 1981 para actuar con monitores color. Permite mostrar cuatro colores en modo gráfico y ocho colores en modo texto, aún cuando el monitor asociado (IBM Color Display) es capaz de representar 16 colores. Este adaptador dispone en modo grafico de dos resoluciones de trabajo: a- 640x200 pixels a dos colores y b- 320x200 pixels a cuatro colores. En modo texto puede trabajar en los modos de 80 35
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caracteres por 25 líneas o en el de 40 caracteres por 25 líneas. Actualmente es poco empleada por las deficiencias de visualización que presenta (nieve). • EGA (Enhanced Graphic Adapter): Es el sucesor inmediato de CGA, con una resolución máxima de 640x350 pixels y 64 colores seleccionables en paletas de 16 colores cada una. Es totalmente compatible con CGA, pues esta la emula en todos sus modos y elimina el problema de la nieve. • VGA (Video Graphic Adapter): Desarrollada como una mejora de EGA, presenta una resolución maxima de 640x480 y es la pionera en técnicas analógicas de video. Puede trabajar en varios modos lo que la hace compatible con MDA, CGA y EGA. Es quizás la de mayor uso actualmente, donde se necesite una resolución gráfica medianamente respetable. Su principal desventaja reside en el hecho de que su origen se remonta a la PS/2 de IBM y no a las PC convencionales, lo que produce ciertas incompatibilidades en el desarrollo del hardware y software. • Súper VGA (ó VGA Plus): Nacida de las desventajas de VGA, SVGA presenta una resolución de 1024x768 pixels y 256 colores, aunque actualmente existen resoluciones de 1280x1024. Sin embargo la tecnología empleada para su construcción hace necesario el empleo de drivers (programas especiales) para su manejo. Aún no se ha logrado su estandarización por lo que plantea problemas a la hora de compatibilizar software. En la actualidad algunos fabricantes se han reunido y han estandarizado el modo de 800x600 a 16 colores de la SuperVGA. Se espera que en los próximos años logren estandarizar modos con resoluciones mayores. El modo estándar recibe el nombre de modo VESA. Cabe aclarar que los mencionados no son los únicos tipos de adaptadores existentes. Se encuentran disponibles otros adaptadores de video como XGA y IBM 8514/A que presentan la misma resolución de SVGA pero con 65536 colores y coprocesadores gráficos destinados a producir un incremento en la velocidad de generación de las imágenes y descargar al procesador central del procesamiento de las mismas. Monitores Ergonómicos El término ergonómico se refiere al diseño físico del monitor, de forma tal que resulte lo más cómodo posible en su utilización al usuario. Bajo este punto de vista se diseña el monitor bajo ciertas normas: 1) El monitor debe poder adaptarse a las distintas características físicas de los usuarios (p.ej. altura). Para ello se construyen los monitores con bases orientables con el objeto de ajustar la ubicación del mismo al mejor ángulo de visión de quien lo utiliza. 2) La pantalla del monitor debe ser fácilmente legible y no reflejar la luz ambiente, con el objeto de no producir un agotamiento prematuro de los órganos visuales del usuario. Para cumplir con esta premisa se construye el monitor con pantalla antirreflejo y se colorea el fósforo de la pantalla con verde, ámbar o blanco (este último constituye la tendencia actual). Otras condiciones a tener en cuenta son la persistencia de la imagen en la pantalla, controles de brillo y contraste y todas aquellas características que permitan una fácil utilización por parte del usuario. Placas aceleradoras gráficas Antes de elegir una tarjeta gráfica tendremos que evaluar nuestras necesidades. Si, por ejemplo, somos usuarios a nivel de paquetes de gestión, o programadores, la elección irá dirigida a las tarjetas aceleradoras de Windows, en dos dimensiones (2D) por supuesto. Si, por 36
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el contrario, lo nuestro son los videojuegos o el diseño en 3D (programas de modelado, render o CAD) hay que buscar una aceleradora 3D. Chip o controlador gráfico Actualmente existen chips para tarjetas gráficas muy potentes, la mayoría de las veces con potencia de cálculo superior a la del procesador principal, pero también muy diferentes entre sí. Hace algunos años, no se le prestaba en absoluto atención a la calidad de la tarjeta VGA. Después, tras la aparición de la placa de video SVGA, fue el punto de partida a la hora de mejorar estas tarjetas, ya que, junto con la evolución de la tecnología en los monitores, cada vez soportaban mayores resoluciones al incorporar memorias entre 1 y 3 Mb. Pero la auténtica revolución gráfica fue en el sector tridimensional, el 3D, donde se necesitan potencias de cálculo muy superiores que el microprocesador central no puede soportar. Fundamentalmente, lo que hace un chip 3D es quitar la labor del procesador de generar los triángulos y el relleno de texturas, haciendo que la tarjeta gráfica lo haga sola liberando al procesador de otras tareas. Con esto, se obtiene una mejora muy grande en lo que se refiere a la velocidad, y además se han incorporado multitud de efectos gráficos fáciles de usar por los programadores que mejoran sustancialmente la calidad de los gráficos. Las primeras tarjetas con 3D para el mercado de consumo fueron aquellas Diamond Edge 3D, 3D Blaster, o la S3 Virge, todas sin ser demasiado rápidas y con un soporte de juegos muy limitado. La decisión de elegir un chip u otro es bastante compleja. Dentro del campo 2D, gracias al estándar VESA, todas las tarjetas son compatibles entre sí. Sin embargo, en los chips 3D (o la parte 3D de los chips 2D/3D) esto no ocurre. 2.7.2.4 Sintetizador de voz. Las unidades sintetizadoras de voz son dispositivos que dan los resultados de un programa emitiendo sonidos (fonemas o palabras) similares al habla humana. Estos periféricos de salida suelen incluir un microprocesador, memoria ROM con programas y datos, un conversor D/A, un amplificador de audiofrecuencia y altavoz. La mayor parte de los dispositivos sintetizadores de voz tienen memorizados digitalmente cada uno de los fonemas o palabras que son capaces de emitir. Los datos que recibe un sintetizador procedentes de la computadora corresponden a la identificación de los fonemas o palabras a emitir. Una vez que se analiza el dato, se activa una rutina encargada de generar el sonido correspondiente. Los sonidos resultan muy metálicos. Por lo general, estos sistemas incluyen programas que enriquecen las posibilidades de los mismos, como por ejemplo, generar frases o combinaciones de palabras, incluso hay sistemas que traducen cantidades. 2.7.2.5 Visualizadores ("displays”). Los visualizadores son pequeñas unidades de salida que permiten al usuario leer una instrucción, un dato o un mensaje. Los caracteres se forman partiendo de estructuras en módulos, cada uno de los cuales sirve para visualizar un carácter. Cada módulo contiene una serie de segmentos, siendo los más habituales de 7. Un carácter concreto se visualiza activando determinados segmentos, dependiendo de la forma del carácter. El visualizador es el elemento de salida típico de las calculadoras de bolsillo y de los relojes digitales.
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2.7.2.6 Interfases Bajo el nombre de interfase se conoce a todo elemento destinado a servir de nexo entre dos o más dispositivos. En el caso que nos ocupa se trata del nexo entre una computadora tipo PC y otros periféricos externos estándar o no (por ej. una impresora, un modem, un robot, etc.) Según la forma en que se transmite la información sobre dicha interfase se pueden clasificar en: • Interfases Serie • Interfases Paralelo Para entender lo que ello significa debemos recordar que en una computadora la información se encuentra codificada en forma de unos y ceros (notación binaria), donde cada uno de ellos representa un BIT de información. Estos bits se hallan agrupados en conjuntos de ocho (BYTE), de dieciséis (WORD), etc. Entonces una interfase será tipo serie si la información a través de ella se transmite de a un bit por vez con una cierta cadencia predeterminada y será paralelo si se transmiten conjuntos de bits simultáneamente. Interfases Serie En el estado actual de la técnica se han establecido estándares en lo que ha interfases se refiere. Con esto se busca una total compatibilidad en el proceso de transferencia de información aún en el caso de dispositivos distintos. Dentro de esta categoría podemos citar: • RS-232-C: Es la interfase serie por excelencia. Su diseño es antiguo pero se ha difundido tanto que se encuentra presente en la mayoría de la PC actuales. La velocidad de transferencia se encuentra normalizada en una serie de valores que van desde los 110 bits por segundo hasta los 19200 bits por segundo. Los niveles de salida son de 12 a 25 Volts para un bit cero y de -12 a -25 Volts para un bit uno, teniendo una zona muerta desde -3 a +3 Volts para aumentar la seguridad en el reconocimiento de la información. La distancia que se puede cubrir con este tipo de enlace es de aproximadamente veinte metros, pero es mayor si se utilizan las menores velocidades de transferencia. También permite la comunicación bidireccional simultánea (full-duplex) o unidireccional (half-duplex). • RS-422: Sus características de transferencia son similares a la RS-232, pero a diferencia de esta la transmisión no se realiza por niveles de tensión (25 a -25 Volts) sino que se realiza a través de un lazo de corriente de 0 mA (para el nivel lógico 1) o de 20 mA (para el nivel cero). Esta técnica permite una mayor distancia de comunicación debido a que reduce la posibilidad de reconocer pulsos de ruido espúreos como información válida. • Interfase MIDI (Musical Instruments Digital Interfase): Esta es una interfase serie muy especial, dado que está destinada a la comunicación con periféricos no estándar como lo son los instrumentos musicales electrónicos. Su transmisión se realiza con niveles de tensión como en la RS-232, pero a una tasa fija de transferencia de aproximadamente 30.000 bits por segundo, con un protocolo de comunicación especialmente adaptado. Interfases Paralelo: De la misma forma que en las interfases serie, también se han normalizado algunas interfases paralelo. Entre ellas podemos citar: • Interfase CENTRONICS: Al igual que la interfase RS-232, su diseño es de antigua data. Es el estándar en toda PC, y está a tal punto difundida que no se concibe a una PC que no incluya de norma una interfase de este tipo. Esto se debe a que los fabricantes de impresoras han adoptado esta interfase como principal medio de enlace con las 38
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computadoras. Esta interfase dispone de ocho líneas de datos (transmite ocho bits simultáneamente) y de seis o siete líneas de protocolo, todas ellas con niveles de salida TTL compatibles ( 0 Volts para el cero, 5 Volts para el uno). Problemas tecnológicos limitan toda comunicación paralela a unos pocos metros y CENTRONICS no es la excepción, pero como contraparte permite una velocidad de transferencia muy elevada, típicamente del orden de 500 KBytes por segundo (teórico). • Interfase IEEE-488: También llamada HP-IB, que se ajusta a una norma desarrollada por Hewllet-Packard para la comunicación con instrumentos de medidas electrónicas inteligentes por ejemplo: Analizadores Lógicos, Osciloscopios Digitales, etc. Provee una tasa de transferencia sumamente elevada. Interfases Industriales: Aparte de los tipos de interfases ya enumerados, existen otros que por su particular aplicación no encuadran con ninguno de los tipos anteriores y que clasificaremos como Industriales. Este tipo de interfase puede clasificarse a grandes rasgos en: • Interfases Analógicas • Interfases Digitales Esta clasificación responde a la habilidad de cada interfase de manejarse con señales de variación continua en el tiempo (analógicas) o con señales de variación binaria (digitales). El fin que persigue este tipo de interfase es lograr un nexo efectivo entre las señales del mundo exterior y la naturaleza digital de la computadora. Las señales del mundo que nos rodea son casi exclusivamente analógicas (temperatura, presión ,caudal, nivel, etc.) por lo que las interfases analógicas revisten una gran importancia de aplicación. Es así que para medir o controlar una magnitud externa (por ej. temperatura), el empleo de este tipo de interfases se vuelve imprescindible. Por otra parte, habitualmente se hace necesario interactuar con el mundo exterior a través de señales de naturaleza digital (por ej. abrir o cerrar una válvula, encender o apagar un calefactor, etc.). Esta función puede implementarse mediante una interfase de salida digital que, por ejemplo, accione a un relay o contactor. Este tipo de interfase no ha sido normalizada, por cuanto responden a necesidades muy específicas, sin embargo se han diseñado y se encuentran disponibles ciertos tipos de aplicación general las cuales se proveen con todo el software apropiado para su manejo. 2.7.2.7 Puertos USB Hoy día resulta muy interesante observar como los avances tecnológicos nos sorprenden por la evolución tan rápida que presentan y algo que gusta es que cada vez son más fáciles de usar para cualquier persona, es decir, se están volviendo muy amigables y no necesitas ser un experto para poder comprender su funcionamiento, usarlos o instalarlos, este es el caso de Universal Serial Bus, mejor conocido como USB. En un principio teníamos la interfaz serie y paralelo, pero era necesario unificar todos los conectores creando uno más sencillo y de mayores prestaciones. Así nació el USB (Universal Serial Bus) con una velocidad de 12Mb/seg. y como su evolución, USB 2.0, apodado USB de alta velocidad, con velocidades en este momento de hasta 480Mb/seg, es decir, 40 veces más rápido que las conexiones mediante cables USB 1.1. USB es una nueva arquitectura de bus o un nuevo tipo de bus desarrollado por un grupo de siete empresas (Compaq, Digital Equipment Corp, IBM PC Co., Intel, Microsoft, NEC y Northern Telecom) que forma parte de los avances plug-and-play y permite instalar periféricos sin tener que abrir la máquina para instalarle 39
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hardware, es decir, basta con que se conecte dicho periférico en la parte posterior del computador. La interfase USB (Universal Serial Bus) es una interfase plug&play entre la PC y ciertos dispositivos tales como teclados, mouses, scanner, impresoras, módems, placas de sonido, cámaras, pen drives, etc) . Una característica importante es que permite a los dispositivos trabajar a velocidades mayores, en promedio a unos 12 Mbps, esto es más o menos de 3 a 5 veces más rápido que un dispositivo de puerto paralelo y de 20 a 40 veces más rápido que un dispositivo de puerto serie. Trabaja como interfaz para transmisión de datos y distribución de energía, que ha sido introducida en el mercado de PC´s y periféricos para mejorar las lentas interfaces serie (RS232) y paralelo. Esta interfaz de 4 hilos, 12 Mbps y "plug and play", distribuye 5V para alimentación, transmite datos y está siendo adoptada rápidamente por la industria informática. El sistema de bus serie universal USB consta de tres componentes: • Controlador • Hubs o Concentradores • Periféricos El funcionamiento como controlador reside dentro del PC y es responsable de las comunicaciones entre los periféricos USB y la CPU del PC . Es también responsable de la admisión de los periféricos dentro del bus, tanto si se detecta una conexión como una desconexión. El funcionamiento como concentrador, sería un distribuidor inteligente de datos y alimentación, ya que hace posible la conexión a un único puerto USB de 127 dispositivos. De una forma selectiva reparten datos y alimentación hacia sus puertas descendentes y permiten la comunicación hacia su puerta de retorno o ascendente. La interfase USB soporta periféricos de baja y media velocidad. Empleando dos velocidades para la transmisión de datos de 1, 5 y 12Mbps se consigue una utilización más eficiente de sus recursos. Los periféricos de baja velocidad tales como teclados, ratones, joysticks, y otros periféricos para juegos, no requieren 12 Mbps . Empleando para ellos 1,5 Mbps, se puede dedicar más recursos del sistema a periféricos tales como monitores, impresoras, módems, scanner, equipos de audio, que precisan de velocidades más altas para transmitir mayor volumen de datos o datos cuya dependencia temporal es más estricta. La Figura 2-17 muestra la estructura de un conector USB.
Figura 2-17 - Conector USB
USB transfiere señales y energía a los periféricos utilizando un cable de 4 hilos, apantallado para transmisiones a 12 Mbps y no apantallado para transmisiones a 1. 5 Mbps . En la figura se muestra un esquema del cable, con dos conductores para alimentación y los otros dos para señal, debiendo estos últimos ser trenzados o no según la velocidad de transmisión. 40
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El calibre de los conductores destinados a alimentación de los periféricos varía desde 20(0.519mm2) AWG a 26 AWG (0.128mm2), mientras que el de los conductores de señal es de 28 AWG (0.0804mm2). La longitud máxima de los cables es de 5 metros. La unidad AWG (American Wire Gauge) es inversamente proporcional a los mm2. 2.7.2.8 Terminales interactivas. A la combinación de un monitor de vídeo con su correspondiente teclado se le llama frecuentemente terminal y es normal acoplar varios terminales a un computadora que se encarga de procesar las distintas tareas que cada usuario (desde su terminal) le ordena. Podemos distinguir dos tipos de terminales: a) Terminales no inteligentes: Sólo son capaces de ejecutar operaciones de E/S simples. b) Terminales inteligentes: Capaces de ejecutar ciertos procesos tales como manipulación de texto, posibilidades gráficas o programas simples dirigidos por menús para ayudar a la entrada de datos. Esto es posible al incluir microprocesadores en los terminales. 2.7.2.9 Módem El módem es un dispositivo que permite conectar dos computadoras remotas utilizando la línea telefónica de forma que puedan intercambiar información entre sí. El módem es uno de los métodos mas extendidos para la interconexión de computadoras por su sencillez y bajo costo. La gran cobertura de la red telefónica convencional posibilita la casi inmediata conexión de dos computadoras si se utiliza módem. El módem es por todas estas razones el método mas popular de acceso a la Internet por parte de los usuarios privados y también de muchas empresas. La información que maneja la computadora es digital, es decir esta compuesta por un conjunto discreto de dos valores el 1 y el 0. Sin embargo, por las limitaciones físicas de las líneas de transmisión no es posible enviar información digital a través de un circuito telefónico. Para poder utilizar las líneas de teléfono (y en general cualquier línea de transmisión) para el envío de información entre computadoras digitales, es necesario un proceso de transformación de la información. Durante este proceso la información se adecua para ser transportada por el canal de comunicación. Este proceso se conoce como modulación-demodulación y es el que se realiza en el módem. Un módem es un dispositivo que convierte las señales digitales dla computadora en señales analógicas que pueden transmitirse a través del canal telefónico. Existen distintos sistemas de modular una señal analógica para que transporte información digital. En la siguiente figura se muestran los dos métodos mas sencillos la modulación de amplitud (a) y la modulación de frecuencia (b). Otros mecanismos como la modulación de fase o los métodos combinados permiten transportar mas información por el mismo canal. Baudios: Número de veces de cambio en el voltaje de la señal por segundo en la línea de transmisión. Los módem envían datos como una serie de tonos a través de la línea telefónica. Los tonos se "encienden"(ON) o apagan(OFF) para indicar un 1 o un 0 digital. El baudio es el numero de veces que esos tonos se ponen a ON o a OFF. Los módem modernos pueden enviar 4 o mas bits por baudio.
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Bits por segundo(BPS): s el número efectivo de bits/seg que se transmiten en una línea por segundo. Como hemos visto un módem de 600 baudios puede transmitir a 1200, 2400 o, incluso a 9600 BPS. La señal esta formada por diferentes tonos que viajan hasta el otro extremo de la línea telefónica, donde se vuelven a convertir a datos digitales. 2.7.3 Periféricos de Almacenamiento 2.7.3.1 Memoria Auxiliar Una característica que distingue un soporte de almacenamiento de los soportes de entrada o los de salida (aparte de la posibilidad de realizar operaciones de entrada/salida indistintamente) es que en el soporte de almacenamiento los datos son legibles sólo por la máquina, pero no lo son directamente por el hombre. Mientras los dispositivos de memoria permiten un acceso inmediato del programa a la información que contienen, los dispositivos de almacenamiento guardan la información en un soporte que no permite el acceso inmediato desde el programa y se requiere un paso previo de lectura (o entrada) que recupera dicha información desde el almacenamiento y lo coloca en la memoria. Si la memoria de las computadoras tuviera capacidad infinita y no fuera volátil no haría ninguna falta disponer de almacenamientos externos. Si se han inventado distintos tipos de dispositivos de almacenamiento de los datos es por la imposibilidad de disponer de memoria con capacidad suficientes a precios convenientes. Sacrificando la inmediatez del acceso se obtienen capacidades muchísimo mayores a precios muy inferiores y con tiempos de respuesta soportables para cada tipo de aplicación. Los soportes magnéticos son el medio más usual de almacenar la información en un sistema informático. Entre la variedad existente, podemos destacar: cinta, disco, disquete y tambor. Las principales características de estos soportes son: • Reutilizabilidad (salvo en los más antiguos). • Elevada capacidad de almacenamiento. • No volátiles. • Más económicos que la memoria central (RAM). Dentro de los dispositivos de almacenamiento secundario hay que tener en cuenta a la hora de su elección las siguientes características: • Tiempo de acceso a los datos. • Velocidad de transferencia de los datos. • Capacidad total de almacenamiento. • Tipo de acceso del dispositivo (secuencial o directo). • Costo/bit del dispositivo. • Densidad de almacenamiento. Recientemente se han desarrollado soportes de almacenamiento de tecnología óptica que tienen mayores densidades de grabación que las magnéticas convencionales. Se distinguen los siguientes tipos de dispositivos de almacenamiento: • Discos magnéticos. 42
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• Cintas magnéticas. • Discos ópticos. 2.7.3.2 Superficies Magnéticas y Memorias Opticas En los primeros tiempos de la informática se consideraba memoria masiva a prácticamente cualquier soporte capaz de almacenar información con persistencia (incluso medios perforables). Posteriormente se exigieron otras características, referidas básicamente al volumen y a la posibilidad de acceso inmediato a la información; estas propiedades sólo las cumplían ciertos tipos de soportes magnéticos como los tambores, cintas y discos. Actualmente, se están realizando investigaciones para llegar a nuevas memorias de masa que resulten más productivas que las actuales. En algunos casos el estado de las investigaciones está produciendo resultados importantes que permiten predecir cómo serán las memorias de masa del futuro. La grabación y lectura de información binaria en cintas y discos usa los mismos principios básicos. La Figura 2-18 ilustra el concepto fundamental de la grabación en una superficie magnética móvil. La cabeza de lectura/escritura (cabezal) es un núcleo de hierro de alta permeabilidad magnética con una bobina enrollada y un pequeño entrehierro. Al escribir, circula una corriente a través de la bobina, estableciendo un flujo magnético en el núcleo. Estas líneas de flujo están concentradas en el, excepto en la zona no magnética del entrehierro en donde se desvían hacia la superficie magnética móvil. Por lo tanto, las pulsaciones de corriente en la bobina, originan zonas magnetizadas sobre la superficie. Luego del paso del cabezal, estas zonas quedan magnetizadas en forma permanente hasta una nueva escritura.
Figura 2-18- Unidad de disco cabeza móvil y fija.
La operación de lectura es inversa a la operación de escritura. Durante una operación de lectura, la bobina se usa como línea sensora. Conforme la superficie magnética se desplaza debajo del cabezal, las zonas que han sido magnetizadas producen un flujo a través del entrehierro y en el núcleo. Esta variación en el flujo del núcleo induce una señal de voltaje en la bobina sensora que después se amplifica e interpreta. La bobina que envuelve al núcleo, generalmente tiene una derivación central, de manera que la mitad de la bobina se utiliza como sensora y la otra mitad es de alambre más grueso para suministrar corriente en operación de escritura.
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2.7.3.3 Cintas Magnéticas Las cintas magnéticas constituyen un soporte de información algo desactualizado. Aunque suelen ser manejadas por unidades directamente asociadas al computador que explota la información, hay ocasiones en las que las cintas magnéticas se graban y reproducen en forma autónoma mediante equipos auxiliares. La capacidad de almacenamiento de una cinta magnética se mide por dos variables: • Longitud física de la cinta, que suele venir expresada en pies. • Densidad de grabación, que representa la cantidad de caracteres que se pueden almacenar en una unidad de longitud. Las más usuales son: 800, 1600 y 3200 b.p.i. (bits por pulgada).
Figura 2-19 - Imagen de una clásica unidad de cinta magnética
Por lo tanto la capacidad de la cinta magnética será mayor cuanto más larga sea físicamente, y cuanto más alta sea la densidad de grabación. El funcionamiento general de una cinta magnética es muy similar al de una banda de papel perforado; al igual que las cintas de papel, existen cintas magnéticas de distinto número de canales longitudinales (en este caso se denominan pistas). También es importante destacar que el acceso a la información en una cinta magnética es estrictamente secuencial, es decir: para llegar a grabar o reproducir un carácter en una posición concreta es necesario avanzar o retroceder la cinta desde el lugar en que se encuentre hasta la posición deseada. Tipos de cintas magnéticas Atendiendo a su presentación externa, se pueden distinguir dos tipos de cintas magnéticas. 1-Cinta magnética para minis y grandes equipos. Se presenta en cartuchos de tamaños mediano y grande. Se emplea principalmente para el almacenamiento de archivos de datos de los que no se requiere una localización rápida, o para obtener copias de seguridad (backups) de archivos maestros de acceso directo grabados en discos magnéticos. Su empleo se reserva a grandes computadores y minicomputadores. 2-Cartucho de cinta "streamer" Estos soportes secuenciales se utilizan ampliamente en minicomputadores y computadores personales y profesionales para la obtención de copias de seguridad de la información almacenada en discos rígidos. 44
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2.7.3.4 Discos Magnéticos Los discos magnéticos ofrecen una gran capacidad de almacenamiento con una velocidad de operación moderada. Los discos magnéticos actualizan la idea del disco de audio de pasta negra. En los tocadiscos tradicionales, una púa recorre el surco en forma de espiral, leyendo la información que codifican sus ondulaciones. En los discos magnéticos, un cabezal genera pequeñas zonas imanadas sobre la superficie del disco. El movimiento circular del disco y los diferentes radios en los que se ubica el cabezal determinan círculos concéntricos imaginarios, sobre los cuales la cabeza magnética graba y lee información. Cada uno de los círculos se denomina pista o track, y a su vez cada pista se subdivide en sectores. Los discos magnéticos presentan una forma combinada de acceso a la información: acceso directo o aleatorio para ubicar la pista y acceso secuencial para localizar un sector determinado. Esta forma permite a los discos tener acceso a la información mucho más rápido que la cinta magnética. A diferencia de las cintas, los discos no son directamente utilizables en su estado "virgen". Antes de que la información pueda ser grabada en el disco, este debe ser preparado para aceptarla. A este proceso de inicialización se le denomina "Formateo" del disco. Afortunadamente, esta operación no precisa de ningún elemento adicional y es el propio computador en conjunción con la unidad de disco y la placa controladora los que se encargan de realizarlo. Este proceso define el lugar físico de los tracks (pistas) y los subdivide en sectores a fin de tener unidades de menor capacidad de almacenamiento. Los sectores y las pistas se enumeran secuencialmente, de forma tal que se puede localizar la información deseada especificando el numero de cara, la pista y el sector correspondiente. Existen cuatro áreas de especial interés, el sector de arranque (Boot), el directorio raíz, la FAT (File Allocation Table), y el área de archivos; como se observa en la Figura 2-20. Debido a que varios archivos, con distinta información, pueden estar almacenados en un mismo disco, se crea siempre un directorio que especifica la información contenida en el disco. En el directorio figuran datos tales como el nombre de los archivos, la posición del disco en la que se encuentra cada uno, la fecha en que fueron creados o actualizados por última vez, las características de la información que contienen, etc. Cuando un programa requiere la intervención de un archivo concreto, se realiza primero una búsqueda en el directorio y tras ello se accede directamente a la posición del disco en la que se encuentra el archivo buscado.
Figura 2-20 –Formato de disco
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Tipos de discos magnéticos Cabe distinguir varios tipos de discos magnéticos; los principales son los que se mencionan a continuación: 1. Disco magnético elemental: Este tipo de disco esta compuesto de un soporte magnético protegido mediante una carcaza que lo recubre. Se utilizan exclusivamente en minicomputadores evolucionados y grandes computadores. 2. Diskpack: Es un dispositivo de acceso directo que dispone de varios discos circulares. Cada disco posee ambas superficies revestidas por una capa de material magnético. Cada superficie tiene un determinado número de pistas. La lectura o escritura se realiza mediante cabezas situadas entre cada par de discos. Se utilizaba principalmente con minicomputadores.
Figura 2-21 –Estructura de un Disckpack
2.7.3.5 Disco Rígido Por dentro, los discos rígidos son un conjunto de platos que giran alrededor de un mismo eje, separados entre si una distancia que permite colocar una cabeza para cada superficie disponible. Por una cuestión de simplicidad, todas las cabezas se mueven al mismo tiempo y quedan separadas de las superficies de los discos una distancia suficientemente pequeña (inferior a un micrón) como para poder leer los cambios de campo magnético, pero sin llegar a rozarla. En el caso de una caída, la vibración puede hacer raspar la superficie de algún plato. Las partículas desprendidas a raíz de esta colisión (mucho mayores que el micrón) obstruyen el movimiento de la cabeza. Estas partículas al interponerse entre la cabeza y el plato, raspan aún más la superficie. Así se desprenden más partículas y se origina una reacción en cadena. Puesto que el aire contiene partículas en suspensión los discos rígidos se construyen dentro de carcazas herméticas. La superficie de los platos se encuentra recubierta por un material magnético, que puede ser óxido de hierro (marrón) o aluminio cubierto por una finísima capa de aleación metálica inoxidable (plateado). En el primer caso, los procesos de fabricación permiten controlar fácilmente el espesor de la capa, y la tecnología es esencialmente la misma que la de las cintas de audio; es la más usada y económica. En el segundo caso, la tecnología de fabricación es cara y complicada, por lo que se reserva para las unidades más sofisticadas. Una de las ventajas de esta última es la gran densidad 46
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magnética; actualmente se ha llegado a compactar más de cinco veces la información, comparada con las superficies de óxido, aunque no se han alcanzado aún los límites permisibles por la tecnología. En cualquier caso, el recubrimiento puede ser imaginado como un conjunto de dipolos magnéticos orientables por fuerzas externas. La cabeza grabadora es capaz de orientar los dipolos magnéticos en dos sentidos posibles (norte y sur) y de leer un cambio de sentido de magnetización entre dos zonas adyacentes. Este principio es usado tanto para los drivers de diskettes como por grabadores de cassettes. Dado que la cabeza tiene un único lector/escritor (un electroimán capaz de generar campos magnéticos fuertes y de leer campos magnéticos débiles), los bytes tendrán que ser construidos en el disco según una seguidilla de 8 bits (a diferencia de las cintas donde la palabra es grabada en forma transversal). La cabeza tampoco puede percibir el sentido de la polaridad de los dominios magnéticos, pero sí detectar el cambio de sentido de la magnetización de dos dominios adyacentes. En vista de esto cada bit en 1 se identifica con un cambio de polaridad entre dos dominios sucesivos, mientras que un bit en 0 corresponde a que no existe cambio de polaridad. Con el objeto de aumentar la densidad de datos en los discos, los fabricantes trabajan en el diseño de cabezas más pequeñas y ligeras. Si se considera que los platos de un disco rígido giran a razón de 3600 revoluciones por minuto y que existen alrededor de 10.000 dominios por pulgada en una pista común, la cabeza magnética debería estar en condiciones de leer varios millones de bits por segundo. Esto está limitado en gran medida por la imposibilidad de los microprocesadores de captar los datos a semejante velocidad; en tales casos, se utilizan procesadores especializados que acceden directamente a la memoria, sin la intervención de la CPU (Direc Memory Access - DMA).
Figura 2-22 -Esquema general de un disco rígido
Cilindros Como los mecanismos que permitirían el movimiento independiente de las cabezas tienen costo prohibitivo, los fabricantes han optado por mover todas las cabezas juntas. Esto hace que, en un momento determinado, todas las cabezas apunten a la misma pista de cada superficie. Al conjunto de las pistas homólogas de cada cara de los platos se le llama cilindro. Un concepto muy importante es la densidad de los cilindros. Al contrario que la densidad de las pistas, la cual indica cuántas pistas concéntricas caben en una pulgada del radio del disco, la densidad de los cilindros proporciona el número de sectores contenidos en un cilindro. Esto es el número de sectores por pista multiplicado por el número de caras de los platos. Los discos con cilindros de alta densidad son más convenientes, puesto que éstos pueden contener un archivo muy grande en menor número de cilindros. Si ocurre esto, la cabeza no tiene que cambiar de posición y la lectura es mucho más rápida. 47
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Aumentando la cantidad de platos, no sólo se aumenta la capacidad del disco sino también la posibilidad de que un archivo entero pueda almacenarse en un solo cilindro. Por todo esto, un disco de 80 Mb no sólo tiene más capacidad que uno de 40 Mb, sino que también es más eficiente. Intercalado y Velocidad de Transferencia de Datos La velocidad a la que los datos pasan por debajo de un cabezal no es necesariamente igual a la velocidad a la que la computadora puede leer o escribir datos. Hay ciertos límites en cuanto a la rapidez con que los distintos circuitos pueden mover los datos. El controlador de disco transfiere datos entre la superficie del disco y un buffer intermedio interno y después la CPU o el DMA (Direct Memory Access) mueven los datos entre el buffer del controlador y la memoria RAM del sistema. Los platos giran a 3600 rpm, lo cual mueve 17 sectores (por ejemplo) por debajo de las cabezas de lectura/escritura en cada revolución. Con 512 bytes de datos por sector, resulta que en 1 segundo pasan 522240 bytes por debajo de una cabeza. Actualmente en un disco típico, se pueden almacenar 625000 bytes por pista, cuando la pista no está dividida en sectores. Puesto que cada byte está compuesto de 8 bits, durante 1 segundo pasan aproximadamente 5 millones de bits por debajo de una cabeza. Existe una situación de compromiso, ya que si se empieza la lectura de un nuevo sector, se perderá la información del anterior; si se saltean algunos sectores, se pierde la oportunidad de leerlos en el mismo giro, hay que calcular cuál es la mínima cantidad de sectores que hay que dejar pasar para dar tiempo a que el buffer de la controladora se descargue y el sistema esté en condiciones de comenzar el ciclo de lectura de un nuevo sector. En una PC-XT, esa cantidad de sectores es de tres o cuatro, mientras que en una PC-AT esa cantidad baja a dos o uno. Si bien físicamente el "próximo" sector a leer está n sectores más adelante en la pista, se puede acceder al archivo en forma continua; para ello, se coloca el próximo sector del archivo n sectores físicos más adelante. Cuando un sistema tiene que saltear n sectores, se dice que tiene un intercalado (interleave) de n+1. Este factor también significa que son necesarias n+1 vueltas del plato para leer completamente la información de toda la pista. Cuando se efectúa el formateo, además de establecer el comienzo de cada sector, se le asigna el número a cada uno de ellos, en el cual se tiene en cuenta el interleave. Motores, cabezas y tiempos de acceso. Aunque un Disco rígido posee varias cabezas sólo una de ellas puede estar activa a la vez. El sistema electrónico y mecánico necesario para otorgarle independencia a las cabezas no solucionaría el problema de transferencia de datos de la controladora a los buffers del Sistema Operativo, por lo que la elevación de costo involucrada no se justifica. Es más factible conseguir el aumento de velocidad a través de una correcta ingeniería de las cabezas, más pequeñas, más livianas y nuevos materiales para recubrir los platos. Hay dos clases de dispositivos que controlan la posición de las cabezas: los motores paso a paso y los sistemas de bobina móvil o voice coil. Los motores paso a paso están diseñados para efectuar un pequeño giro, preciso de hasta una fracción de grado. Convirtiendo estos pasos en movimiento lineal por medio de una banda o correa, el motor puede mover hacia adelante y atrás los cabezales. Cada paso del mecanismo mueve las cabezas una pista. Los sistemas voice coil, en cambio, trabajan en forma muy similar a un parlante de audio. Una bobina electromagnética fija mueve un núcleo unido tanto a la cabeza magnética como a un resorte que restituye el sistema a su posición original. La gran ventaja de este sistema radica en que la ubicación de las cabezas se lleva a cabo mediante una sola operación, mientras que en el motor paso a paso hacen falta tantos ciclos de 48
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movimientos como pistas se salteen. Esto significa que las unidades de bobina móvil funcionan a casi el doble de la velocidad que las unidades con motor paso a paso. Por otra parte, existen pistas adyacentes con señales de ubicación que pueden ser leídas por la cabeza, e indican qué tan correctamente se ubicó el mecanismo. Si la señal de esta pista no es la adecuada, la controladora modifica la fuerza magnética de la bobina y se cambia levemente la ubicación de la cabeza hasta que la señal se convierte en satisfactoria. En algunos casos, se dedica un plato entero a esa tarea. El tiempo de acceso no depende solamente del posicionamiento de la cabeza. Después de un cambio de pista, las cabezas vibran, imposibilitando la lectura por un lapso que se suma al de posicionamiento. Finalmente, nadie garantiza que cuando las cabezas cambien de pista se encontrarán siempre justo sobre el sector adecuado; la mayoría de las veces se deberá girar un poco. Ese tiempo, llamado de latencia, también se suma y es, estadísticamente, medio período de rotación; dado que casi todos los discos giran a 60 vueltas por segundo, este tiempo contribuye en 1/120 de segundo.
Figura 2-23 - Estructura interior de un Disco Rígido.
La tema tiempos es bastante engañosa en discos magnéticos; hay que tener en cuenta que normalmente un disco rápido no será eficiente de por sí, sino que dependerá del uso que haga el programa de él y del mantenimiento que realice el usuario.
Figura 2-24 - Esquema de la estructura de un disco rígido
Zona de Estacionamiento de las Cabezas. 49
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La mejor manera de resguardar la información de posibles deterioros producidos por el contacto físico entre una cabeza y el disco en forma accidental, consiste simplemente en sacarlas del lugar donde se graba la información. Así, si ocurriera algún problema a lo sumo se dañaría una zona del disco no accesible por el Sistema Operativo, y la información quedaría resguardada. Este "estacionamiento" (parking) puede efectuarse en forma automática o manual. El autoparking (estacionamiento automático) se convirtió en estándar hace poco tiempo. No es una tarea sencilla. El sistema movilizador de las cabezas debe responder con niveles de electricidad mínimos (propios del momento posterior a haber apagado la máquina), cosa bastante fácil de conseguir con los sistemas voice-coil, pero difícil con los motores paso a paso. El auto-estacionamiento se realiza cada vez que se deja de usar la máquina; está pensado para utilizarlo cuando se efectúan traslados físicos de la máquina, por lo cual es muy común verlo en las laptops. El estacionamiento manual se refiere a la necesidad de correr un programa que mueve las cabezas a la zona segura. Recién después de esta operación se apaga la máquina y el disco está resguardado. Luego la rutina de inicialización coloca la cabeza en el cilindro más externo, donde se encuentra la zona de arranque. Otra opción ingeniosa es el estacionamiento en lo que se conoce como zona de seguridad. Esto consiste en seleccionar como zona segura una sección del disco sin información, sobre la cual se colocará la cabeza si ha pasado mucho tiempo (algunos segundos) sin acceder al disco. Con esto se reduce el tiempo que la cabeza pasa peligrosamente sobre la zona de datos, minimizando las posibilidades de "destrucción dinámica" del disco rígido. Puesto que esa zona se encuentra bastante alejada de los lugares normales frecuentados por las cabezas, el tiempo medio de acceso aumenta en la primera búsqueda.
Figura 2-25 -Esquema y partes de un disco rígido
Inicialización de los discos. Los sectores cobran existencia cuando el disco es formateado. Este procedimiento consiste en la creación de un conjunto de señales que le dicen a la cabeza cuándo comienza un sector de la pista. La controladora sabe en qué pista se encuentra porque la precisión de su mecanismo le permite enviar la cabeza a un lugar exacto. En cierta forma, podría decirse que los sectores se formatean y que las pistas no necesitan definirse. Es importante definir la ubicación de los sectores con una marca, porque no hay control sobre la posición de giro de los platos del disco rígido. En el caso de las pistas esto es más sencillo, 50
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porque el sistema de posicionamiento definió por sí solo el "círculo" de la pista. La solución consiste en marcar al momento de formateo el lugar donde comienzan los sectores, por medio de un código que se escribe a intervalos iguales de tiempo, tantas veces como sectores haya en la pista. Es de resaltar que buena parte del espacio superficial de los platos está desperdiciado, porque se mantiene la misma cantidad de sectores en los cilindros internos que en los externos. Resulta intuitivo que cerca del eje de giro la información estará más compactada que en el exterior. Sin embargo, y a pesar de este desperdicio de lugar, en un mismo disco todas las pistas suelen tener la misma cantidad de sectores. Buffers Esquemáticamente, el recorrido de la información en la lectura comienza en la cabeza detectando la magnetización de dipolos sobre el disco; pasa por la controladora, donde se convierte la señal a bytes; se hospeda temporariamente en el buffer de la misma y pasa al del Sistema Operativo. Con la llegada de la información al buffer del Sistema Operativo culmina la responsabilidad de la controladora. Cada buffer del Sistema Operativo soporta la presencia de un único sector de disco. Cuando se lee un nuevo sector y los buffers están ocupados, se borra el contenido del que posee información que se ha dejado de usar y se lo carga con el nuevo sector. En el proceso de escritura al disco se cumplen las mismas instancias que en la lectura, pero en sentido inverso. El Sistema Operativo coloca la información en un buffer, que es transmitido a la controladora del disco rígido, donde se lo codifica y se ordena al dispositivo escribir la información en el disco. Problemas con los discos Si existe daño físico en algún sector del disco que impide la correcta grabación y lectura de información, se dice que el disco tiene un sector malo (bad sector). Si los sectores malos abundan en el disco, se hace conveniente (previo backup) reformatear el disco para que, en el proceso, el SO descarte esos sectores de la lista de accesibles. Existen programas que detectan la presencia de estos sectores defectuosos y los convierten en inaccesibles. Esto reviste especial gravedad cuando se trata de los sectores del directorio raíz y la FAT (Tabla de Asignación de Archivos); en este caso, se pierde el índice del disco y por lo tanto es imposible reconstruirlo. Cuando se presenta un problema de lectura, el sistema debe detectarlo y, de ser posible, corregirlo. En la mayoría de los sistemas operativos, el control de integridad de la información se realiza mediante el chequeo de paridad, el cual consiste en aplicar una operación matemática a todos los datos del sector, cuyo resultado se graba; al momento de la lectura, se aplica la misma operación y se compara el resultado con el grabado: si hubo algún problema, el valor será diferente. Pese a que un segundo error puede compensar el efecto del primero, la probabilidad que esto ocurra es tan remota que el riesgo es despreciable. Para dar una idea de números, un error de lectura recuperable ocurre alrededor de una vez en un billón de lecturas de un byte. Conclusión Para la gran mayoría de los programas de hoy, un disco rígido es imprescindible, se trate de compiladores, bases de datos, entornos gráficos o sistemas de autoedición. Inclusive, las mismas planillas de cálculo y los procesadores de texto han crecido de tal manera que no basta con simples diskettes de 360Kb para su manejo. Teniendo en cuenta que la tecnología progresa en forma vertiginosa, es difícil prever cuál será el futuro de estos dispositivos. En este marco, por ejemplo, los discos removibles pueden llegar a ser alternativas mucho más válidas de lo que son hoy. 51
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Por último, y recordando la fábula de la liebre y la tortuga, si un disco ultrarrápido no es mantenido como corresponde, su performance puede ser paradójicamente menos satisfactoria que la de un disco más pequeño, más lento, más modesto y más económico. Controladores de disco Los discos rígidos requieren de una controladora de dispositivo, en la mayoría de los casos incluida en una plaqueta adicional. Esta Tarjeta Controladora hace de intermediaria entre el disco y la memoria RAM de la computadora durante la transferencia de datos. La Tarjeta Controladora tiene un circuito integrado especialmente diseñado para comandar el disco enviando órdenes a la unidad para realizar distintas operaciones (mover cabezales, leer, escribir, etc.). Esta Tarjeta también es la encargada de la codificación de la información y de la detección de errores. Las Controladoras se diferencian en la forma en que codifican los datos para almacenarlos en el disco. Los dos formatos de codificación más utilizados son el MFM y el RLL. La codificación de la información es necesaria para que la controladora sepa qué parte del disco esta debajo de las cabezas. Esto es muy importante dado que un error en una posición significa que los datos leídos serán equivocados. Para orientarse utiliza una información especial grabada al principio de todos los sectores en el momento del formateo del disco; sin embargo, una vez que el cabezal pasa por los datos que identifican al sector el controlador debe transferir miles de campos magnéticos antes de encontrar la información de formateo del sector siguiente. Si las inversiones de flujo se produjeran en forma regular, sería fácil para el controlador manejar la posición de los cabezales. Sin embargo podría suceder que un sector estuviese lleno de ceros y en este caso pasarían miles de campos magnéticos por debajo del cabezal sin producirse un cambio de flujo, con lo que es posible que la controladora pierda la ubicación. Los datos deben ser codificados de manera que no hayan demasiados ceros seguidos. La primer solución aportada al sistema consistió en intercalar un bit de control entre cada bit de dato. Con este sistema llamado "Modulación de Frecuencia" (FM), utilizado en los antiguos diskettes de simple densidad, se perdía la mitad de la capacidad de almacenamiento del disco. Con el objeto de aprovechar mejor el espacio del disco el sistema evolucionó y se eliminaron los bits de control mediante una operación lógica sencilla que codifica la información en función de los bits previos del sector. Con esta codificación aún cuando hubieran muchos ceros seguidos de información, la operación lógica siempre deja un bit con el cual la cabeza puede sincronizarse nuevamente. Este sistema denominado "Frecuencia Modulada Modificada" (MFM), duplica la densidad de información y es uno de los mas difundidos. Otro sistema de codificación, es el denominado RLL, muy común en los diskettes de 3.5 pulgadas. Este sistema limita la cantidad total de ceros consecutivos mediante una complicada operación lógica que compacta la información y evita la ausencia prolongada de señal. El formato RLL(1.7) limita la cantidad de ceros consecutivos a un máximo de 7 y aumenta en un 25% la densidad de información con respecto al sistema MFM. Este formato nunca se generalizó por la rápida aparición del RLL(2.7), que aumenta la densidad de información en un 50%. El último sistema de este tipo, el RLL(3.9) permite aumentar la densidad en un 100% pero exige una electrónica cara y complicada. Los frecuentes errores de lectura obligan a implementar un sistema de detección de errores. Las controladoras de discos utilizan una operación matemática aplicada a todos los datos del sector; esa operación da como resultado un valor representativo de los datos almacenados que 52
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se graba en un lugar preseleccionado del sector para verificaciones posteriores. En el momento de la lectura se vuelve a ejecutar la operación matemática con los datos leídos y se compara el resultado con el valor anterior. Si es diferente se repite la operación de lectura un determinado número de veces hasta que coincida; si esto no ocurre se informa el error. Interfases Las velocidades de transferencia de datos varían con el tipo de interfase que usa la unidad de disco. La interfase es el sistema por medio del cual la unidad se comunica con el computador. Comprende el circuito electrónico incorporado en la unidad de disco, el de la tarjeta controladora y los cables necesarios. Una de las primeras interfases estándar fue introducida por Seagate Technology, la ST-506, junto con un disco rígido de 5 Mb que llevaba el mismo nombre. Esta interfase fue utilizada en las PC-XT y PS/2, eran lentas, con una velocidad de transferencia baja dado que trabajaban en serie, transmitiendo un bit por vez. Cuando aparecieron los modelos de computadoras AT-286 y AT- 386, más rápidas permitían mayores velocidades de transferencia. Es así que un consorcio de 22 fabricantes de discos rígidos desarrolló una nueva interfase, también serie, pero que permitía velocidades de hasta 10 Mbits por segundo. A esta interfase se la llamó ESDI (Enhanced Small Disk Interface o Interfase a Discos Pequeños Mejorada). La oportunidad de cambio de estándar fue aprovechada para agregar como soporte cintas de backup e integrar discos duros y flexibles en una sola controladora. En 1982 apareció una nueva interfase llamada SCSI (Small Computer System Interface). Esta norma transmite 8 bits en paralelo, permitiendo una velocidad de transmisión de hasta 32 Mbits por segundo. La controladora está incorporada en la electrónica del disco. La SCSI tiene varias ventajas adicionales además de su velocidad, entre las que se destacan la versatilidad y flexibilidad ya que puede ser usada para conectar simultáneamente cierto número de periféricos, como por ejemplo scanners, discos rígidos, discos ópticos, impresoras, etc. La última interfase que se difundió es la IDE (Integrated Disk Electronic). Esta interfase sigue el estándar de conexión AT de ANSI, que usa una variación del bus de expansión de la PC-AT para conectar una unidad de disco a la CPU, con una velocidad de transferencia de 32 Mbits por segundo. La IDE es una interfase de sistema, también llamada de alto nivel, esto es, no se comunica con el disco en términos de movimientos de cabezales o bits de encabezamiento; el procesador se comunica con el disco para pedirle directamente sectores, permitiendo que los fabricantes se ingenien para obtener la información de la manera más eficiente. Desde afuera del disco los mecanismos internos del disco (geometría) son desconocidos e inclusive la controladora es capaz de emular un determinado número de cabezas o platos que en realidad no posee, solo para implementar una organización interna más eficiente. Las memorias ópticas Estas memorias se basan en la utilización de un láser, tanto para almacenar como para recuperar la información. Los sistemas ópticos se asemejan en muchos aspectos a los magnéticos. En ambos casos se utilizan discos y se emplea una cabeza para "escribir" o "leer" en la superficie de almacenamiento. Si bien, en el caso de los discos magnéticos, la cabeza es un mecanismo electromagnético similar al cabezal de un plato para discos musicales, mientras que en los disco ópticos es un láser con su óptica asociada. 53
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También, en ambos casos, es necesario utilizar mecanismos que sitúen la cabeza en la posición del disco donde se desea realizar la operación. A pesar de los muchos avances realizados, es inevitable en las memorias magnéticas que la energía que servirá para la lectura esté contenida en el propio medio; es decir, la intensidad de la señal de lectura depende de la intensidad de la magnetización en el disco. En cambio, en las memorias ópticas, el mismo haz de la radiación proporciona toda la energía, actuando los datos almacenados tan sólo como "puertas" para el haz. Con esta característica aumenta la fiabilidad del medio, ya que la probabilidad de que el disco se estropee físicamente disminuye en gran medida. Funcionamiento de las memorias ópticas La forma más simple de funcionamiento de una memoria a la que se accede mediante un haz de rayos, es realizando pequeños agujeritos en el revestimiento del disco por efecto de la quemadura producida por el láser. Este es el método utilizado habitualmente para escribir información el los discos ópticos, comúnmente denominados CD-ROM (Compact disc ROM) . El sistema empleado para leer la información previamente escrita se fundamenta en que el revestimiento del disco consiste en una lámina metálica sobre un sustrato transparente; al utilizar un láser de menor potencia, cada agujero transmitirá luz que servirá para la lectura de los datos. Para un láser cuya energía quede en la región del rojo del espectro electromagnético, se puede conseguir que el diámetro de los agujeros sea aproximadamente de una micra. Por lo tanto, en un disco de 35 centímetros de diámetro se pueden producir casi diez mil millones de agujeros. Esta técnica de funcionamiento asegura además que la información grabada en un disco óptico sea prácticamente imborrable. Esta última característica puede ser positiva o negativa según el tipo de aplicación para la que se utilicen los discos ópticos. Por un lado, garantiza que la información no se borrará accidentalmente, pero por otro imposibilita la reutilización del disco para contener otra información distinta a la grabada inicialmente. Hoy día el problema está resuelto y los primeros discos ópticos de lectura/escritura (los CD_WORM) están ya en el mercado, dispuestos a operar incluso asociados a computadores personales compatibles con la línea IBM-PC.
Figura 2-26 - Grabación y lectura láser de un disco óptico
El DVD (a veces conocido como "Digital Versatile Disc") es un formato de almacenamiento multimedia en disco óptico que puede ser usado para guardar datos, incluyendo películas con alta calidad de vídeo y sonido. Los DVD se asemejan a los discos compactos: sus dimensiones físicas son las mismas - 12 cm o el mini de 8 cm - pero están codificados en un formato distinto y a una densidad mucho mayor. A diferencia de los CDs, todos los DVDs deben contener un sistema de archivos. Este sistema de archivos se llama UDF, y es una extensión del Estándar 54
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ISO 9660, usado para CDs de Datos. Las especificaciones oficiales del DVD son mantenidas por el DVD Forum. Un DVD de capa simple puede guardar 4.7 GB (gigabytes) (formato DVD-5), alrededor de siete veces más que un CD-ROM estándar. Un DVD puede contener: • DVD-video (películas (vídeo y audio)) • DVD-Audio (audio de alta definición) • DVD-Data (contiene datos) El medio del disco puede ser: • DVD-ROM (solo lectura, manufacturado con prensa). • DVD-R (R=Grabable una sola vez) • DVD-RW (RW=Regrabable) • DVD-RAM (regrabable de acceso aleatorio; chequeo de la integridad de datos postescritura siempre activa) • DVD+R (R=Grabable una sola vez) • DVD+RW (RW=Regrabable) El disco puede tener uno o dos lados, y uno o dos capas de datos por lado; el número de lados y capas determina la capacidad del disco. Hasta el 2004, los formatos de dos lados casi han desaparecido del mercado. • DVD-5: un lado, capa simple, 4.7 o 4.38 GigaBytes (GiB) • DVD-9: un lado, capa doble, 8.5 GB (7.92 GiB) • DVD-10: dos lados, capa simple en ambos lados, 9.4 GB (8.75 GiB) • DVD-14: dos lados, capa doble en un lado, capa simple en el otro, 13.3 GB (12.3 GiB) • DVD-18: dos lados, capa doble en ambos lados, 17.1 GB (15.9 GiB) La capacidad de un DVD-ROM puede ser determinada visualmente por el número de lados de datos, y viendo cada lado. Las capas dobles son usualmente de color dorado, mientras que las capas simples son plateadas. La velocidad de transferencia de datos de una unidad DVD está dado en múltiplos de 1350 kB/s, lo que significa que una unidad lectora de 16X permite una transferencia de datos de 16 x 1350 = 21600 kB/s (21.09 MB/s). Como las velocidades de las unidades de CD se dan en múltiplos de 150 kB/s, una "velocidad" DVD equivale a nueve "velocidades" de CD, por ej. una unidad de DVD 8x debería tener una velocidad de transferencia de datos similar a una unidad de CD 72x. Pen-drive USB Un pen-drive USB (Universal Serial Bus, en inglés USB flash drive) es un pequeño dispositivo de almacenamiento que utiliza la memoria flash para guardar la información sin necesidad de pilas. Los pen-drives son resistentes a los rasguños y al polvo que han afectado a las formas previas de almacenamiento portable, como los CD y los disquetes. Los sistemas operativos más modernos pueden leer y escribir en los pen-drives sin necesidad de controladores especiales. En los sistemas operativos antiguos (como por ejemplo Windows 98) era necesario instalar un controlador de dispositivo específico. 55
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Características Los actuales pen-drives son USB 2.0, lo que les permite alcanzar velocidades de escritura/lectura de hasta 480 Mbit/s teóricos (aunque en la práctica, como mucho, alcanzan unos 20 Mbytes/s, es decir 160 Mbit/s). Tienen una capacidad de almacenamiento que va desde algunos Megabytes hasta 64 Gigabytes Algunos pen-drives en vez de incluir la memoria flash integrada, incorporan un mini lector de tarjeta de memoria. Esto permite reutilizar la memoria de, por ejemplo, una cámara digital. De todos modos cualquier tarjeta de memoria es más cara que un pen-drive USB, por lo que la combinación de tarjeta y lector USB no es lo más barato. Otro formato de memoria USB es un Reproductor MP3 con conexión USB y una memoria flash interna. La mayoría de los pen-drives USB son pequeños y ligeros. Son populares entre personas que necesitan transportar datos entre la casa, escuela o lugar de trabajo. Teóricamente, la memoria flash puede retener los datos durante unos 10 años y escribirse un millón de veces. Otra utilidad de estos pen-drives es que si la BIOS lo admite, pueden arrancar un sistema operativo sin necesidad de otro disquete o CD.
Figura 2-27 - Forma de un pen-drive USB
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