ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE ACTIVO DE LA ARQUITECTURA DE UN COMPUTADOR PERSONAL Fernando ROJAS1, Jesús GONZÁLEZ1, Héctor POMARES1, Luis Javier HERRERA1, Olga VALENZUELA2, Alberto GUILLÉN1, Ignacio ROJAS1 Dpto. de Arquitectura y Tecnología de Computadores, Universidad de Granada1, Dpto. de Matemática Aplicada, Universidad de Granada2 Resumen En esta contribución se propone una metodología interactiva con el alumno para el diseño, montaje y análisis de un Computador Personal (PC). A pesar de que los fundamentos teóricos de la arquitectura de un computador se han tratado comúnmente en las asignaturas troncales de Ingeniería Informática y de Telecomunicaciones, se observa que frecuentemente los estudiantes no llegan a asociar dicha arquitectura con los componentes de los computadores con los que ellos trabajan a diario. A través de este aprendizaje práctico (que el Espacio Europeo de Educación Superior promueve activamente), tratamos de que el alumno descubra cómo el modelo tradicional de un computador (Arquitectura Von Neumann), se sigue adaptando a un PC convencional de sobremesa. Esta sesión de prácticas está orientada a asignaturas introductorias de Estructura y Arquitectura de Computadores en Informática, Telecomunicaciones, Ingeniería Electrónica, etc. Palabras Clave: Informática, Aprendizaje Activo, Estructura de Computadores, Arquitectura de Computadores, Tecnologías de la Información y de la Comunicación.

1.

Introducción

Un computador está compuesto de los elementos hardware y software necesarios para hacer posible su funcionamiento. De manera habitual, en las asignaturas introductorias a la informática y a la arquitectura de computadores se trata la aritmética de los computadores, lógica y diseño digital, estructura de la CPU (unidad central de procesamiento), programación en lenguaje ensamblador y funcionamiento básico de un sistema operativo [1], [2], [3]. El término “arquitectura Von Neumann” [4] se emplea en referencia al modelo de computador propuesto por el matemático John Von Neumann en 1945. En dicho modelo, se distinguen cinco componentes principales: unidad aritmético-lógica (ALU), unidad de control, memoria, entradas y salidas (Figura 1). En el ámbito del Espacio Europeo de Educación Superior, el aprendizaje práctico adquiere mayor importancia aún. Por tanto, será de gran interés para los nuevos planes de estudio de asignaturas relacionadas con la Arquitectura de Computadores proporcionar un ejemplo real de en qué consiste y cómo funciona un computador basado en la arquitectura Von Neumann [5].

Fig. 1 Arquitectura Von Neumann.

2.

Metodología de la sesión práctica

En la sesión práctica se detallarán los componentes reales de un computador personal real de la forma más descriptiva posible: ensamblando nosotros mismos los elementos del PC. En el caso de un número de alumnos superior a unos 15 estudiantes, el montaje del PC se llevará a cabo por el profesor, si bien la opinión y ayuda de los alumnos debe ser tenida en cuenta continuamente. La sesión práctica debe durar unas dos horas. La planificación de la sesión se divide en los siguientes bloques: 1. Mostrar las diferentes partes del PC tal como se suministrarían por el fabricante. 2. Informar sobre las normas de seguridad al manipular dispositivos eléctricos y electrónicos. 3. Comenzar el ensamblaje del PC, invitando a los estudiantes a participar, proporcionando soluciones, opiniones, alternativas, etc. 4. Una vez finalizado el montaje del PC, comprobar su correcto funcionamiento. 5. Presentar las tareas a realizar por el alumno: a. Realizar un presupuesto alternativo de PC componente a componente a través de comercios electrónicos y comparar su propuesta con el PC empleado en la sesión de prácticas. b. Ejecutar aplicaciones de banco de pruebas (benchmarks) sobre el PC analizado, comparando y analizando críticamente los resultados con computadores actuales en cada uno de los aspectos críticos en el rendimiento del computador (velocidad de procesamiento, test de memoria, acceso a dispositivos de entrada (salida, etc.).

3.

Desarrollo de la sesión práctica: ensamblaje del PC.

Es posible utilizar cualquier computador para la sesión de montaje (excepto ordenadores portátiles). Se recomienda adquirir una carcasa de metacrilato transparente para favorecer la visibilidad de los componentes una vez ensamblados. 3.1

Características del computador empleado

En el caso concreto del computador disponible para el montaje en departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores de la Universidad de Granada, las características de éste son las siguientes:

- CPU Intel PIV Prescott 3 GHz Inbox - Placa base: Asus P4S800 (Tarjeta Ethernet integrada + tarjeta de sonido). - Fuente de alimentación: 350W. - Tarjeta gráfica: ATI Radeon 9250 128MB - Memoria Principal: DIMM DDR 512MB PC400 - Disco Duro: Maxtor Diamond Max 9 Plus 120GB ATA. - Lector y grabador DVD: LG 4163. - Teclado y ratón. - Pantalla: TFT 17" AOC - Carcasa de metacrilato transparente. Aunque es algo más cara y menos duradera que una carcasa metálica tradicional, ésta facilita la visibilidad por parte de los estudiantes, haciendo que el aspecto final del computador sea más instructivo (ver Figura 2).

Fig. 2 Computador para la sesión práctica. 3.2

Normas de seguridad

Antes de comenzar con el ensamblado del PC, es importante que los estudiantes sean conscientes de las normas básicas de seguridad al tratar con elementos eléctricos y electrónicos [6]:

3.3

•

Asegurarse de que todos los dispositivos estén completamente desenchufados de cualquier fuente de alimentación.

•

Antes de tocar cualquier tarjeta o la placa base, el individuo debe descargar su electricidad estática. Dicha energía puede dañar algunos componentes delicados (tales como memorias, circuitos, etc.). Para descargar su electricidad estática, basta con estar en contacto con algún elemento conductor que actúe como tierra o masa, a través de una pulsera conductora o por contacto directo.

•

Emplear un lugar cómodo para el ensamblaje: debe disponer de suficiente iluminación y espacio, así como de las herramientas adecuadas (destornillador con punta magnética americana y pinzas de precisión). Desembalaje del computador

Evidentemente, la primera parte del proceso debe ser desembalar los componentes que formarán el PC. Los estudiantes deben prestar atención para guardar los manuales y las garantías de los productos.

3.4

Montaje de la placa base

La placa base (motherboard) se distingue bajo varios nombres en computación: placa base, placa principal, placa madre, mainboard. En ella se insertan (entre otros): el procesador, los módulos de memoria, las tarjetas de control y expansión y los buses de comunicación de las distintas unidades. En este punto, es importante mostrar a los estudiantes el esquema general de una placa base, identificando cada una de las ranuras (“slots”) de inserción de los componentes más representativos y chips integrados. Este esquema se encuentra normalmente en la documentación de la placa base.

Fig. 3 Placa base ASUS P4S800 (imagen real y esquema). Fuente: http://www.asus.com La instalación de la placa base consiste en fijarla a la carcasa a través de los puntos de atornillado de la placa. Después, fijándose en el esquema de la placa (Figura 3) se realizan las conexiones de los cables de encendido, LEDs, altavoz interno, luces, puertos USB,… 3.5

Montaje del procesador (CPU)

El procesador es el elemento central de un computador, puesto que es el dispositivo que interpreta las instrucciones máquina. En este caso específico, se emplea un Intel Pentium 4 Prescott 3E GHz. En cualquier caso, la mayoría de los procesadores se instalan de una manera similar. Para instalar el procesador en la placa base procedemos de la siguiente forma: 1. Localizar el zócalo de 478 pines en que se debe insertar en la placa base. 2. Desbloquearlo levantando la palanca en el lateral. 3. Colocar la CPU sobre el zócalo de forma que la esquina marcada coincida con la base de la palanca del zócalo (Figura 4).

Fig. 4 Procesador antes de ser insertado en el zócalo de la placa base. 4. Empujar hacia abajo la palanca para fijar la CPU. 5. Fijar el disipador a la placa base. Se suele usar cola térmica para favorecer la disipación de calor (Figura 5, izquierda). 6. Conectar el cable de alimentación del disipador a la placa base (Figura 5, derecha)...

Fig. 5. Montaje del disipador de la CPU. 3.6

Montaje de la fuente de alimentación

La fuente de alimentación es de potencia justa (350W) para los periféricos y ventiladores instalados. Ésta provee alimentación a la placa base (2 conectores de 20 pines y 4 pines, 12V), a las unidades de disco duro y CD (12V) y disqueteras (5V). La instalación consiste en atornillar la fuente a la carcasa y fijar las conexiones a la placa base y unidades.

Fig. 6 Fuente de alimentación. En este punto, los estudiantes deben reflexionar sobre la potencia necesaria para el correcto funcionamiento del computador, en función del número y requerimientos de potencia de cada dispositivo.

3.7

Montaje de la tarjeta gráfica

Algunas placas base proporcionan una tarjeta gráfica integrada. Si este no es el caso, o si se prefiere disponer de una tarjeta independiente con mejores prestaciones, se debe instalar a través del bus correspondiente (AGP, Accelerated Graphics Port; PCI- Express o cualquier estándar futuro). Los alumnos deben intervenir para explicar cuáles son las necesidades prácticas de este computador. Por ejemplo, si el PC se pretende emplear para tareas de programación, no es necesario disponer de una potente tarjeta gráfica, pero si se desea utilizar para CAD (Diseño Asistido por Computador) o juegos, entonces es preciso que la tarjeta gráfica presente buenas prestaciones.

Fig. 7 Tarjeta gráfica AGP ATI Radeon 9250 128 MB. Fuente: http://www.amd.com/ 3.8

Montaje de los módulos de memoria

En este caso, el módulo de memoria es del tipo DIMM (Dual In-line Memory Module). Las memorias DIMM (Dual In-line Memory Module) son de 168 contactos. DDR (Double Data Rate) Es un tipo de memoria síncrona RAM (SDRAM), que permite la transmisión de datos por dos canales distintos en un mismo ciclo de reloj [7]. Se deben mostrar a los alumnos y comparar los diferentes tipos de memorias volátiles SDRAM (SIMM, DIMM), RDRAM (RIMM)… La instalación del módulo es sencilla, aunque los estudiantes deben asegurarse de que el módulo esté completamente instalado en la ranura.

Fig. 8 Ensamblaje del módulo de memoria DIMM de 512MB. 3.9

Montaje de los dispositivos de almacenamiento masivo.

El disco duro y otros dispositivos ópticos (si son IDE o S-ATA) tienen un montaje similar. Instalación:

1. Seleccionamos la ranura de la carcasa en la que lo vamos a fijar 2. Lo atornillamos (4 tornillos, 2 por lateral) a la carcasa. 3. Conectamos el cable de alimentación que proviene de la fuente (12V) al disco. 4. Conectamos el disco al conector IDE correspondiente.

Fig. 9 Montaje de los conectores IDE de un disco duro. 3.10

Finalización del montaje: atornillado de la caja, monitor, teclado y ratón.

Finalmente, tras instalar los componentes internos, se cierra y atornilla la caja. Se conectan los dispositivos externos: monitor TFT (conexión VGA al PC y alimentación a la corriente eléctrica), teclado (puerto PS2) y ratón (puerto USB o PS2). 3.11

Encendido y comprobación del funcionamiento del computador.

Una vez finalizado el montaje del computador, se procede a conectarlo a la corriente eléctrica y se pulsa el botón de encendido. En este punto, si no se había instalado previamente un sistema operativo en el disco duro, se debe instalar uno. Por razones de limitación de tiempo, esta sección no se lleva a cabo en esta sesión práctica. No obstante, se podría organizar otra sesión para la instalación de un sistema operativo, tratando de concienciar a los alumnos de las ventajas de utilizar software libre, y la ejecución de programas para la evaluación de la configuración del computador.

4.

Tareas y evaluación

A través de la evaluación por parte del profesorado y de la opinión de los propios alumnos por medio de las encuestas oficiales de opinión y del uso del foro electrónico de las asignaturas, se observa un alto grado de satisfacción y participación en esta práctica. Las tareas que el alumno debe realizar y el profesor evaluar son: 1. Involucrarse en el montaje y configuración del computador. 2. Utilizar los recursos electrónicos para encontrar una alternativa al computador montado en prácticas con un presupuesto ajustado. Obviamente, si el computador de la sesión práctica es antiguo, la alternativa del alumno debe aventajar en todos los aspectos al primero. 3. Realizar evaluaciones con software del rendimiento de un computador (del propio del alumno y del empleado en la sesión de prácticas) En general, algunas de las cuestiones que el alumno se debe plantear y responder son las siguientes:

5.

•

¿Cuáles son los aspectos y componentes fundamentales que influyen en el rendimiento de un computador?

•

¿Cuánto cuesta el computador propuesto componente a componente?

•

¿Cuáles son los puntos fuertes del computador propuesto?

•

¿Cuál es la aplicación práctica principal (programación, ofimática, juegos,…) para la que se ha diseñado el computador propuesto?

Conclusión

El objetivo principal de la lección práctica propuesta en esta contribución es la de proporcionar al alumno de una visión realista de la arquitectura actual de un computador personal. Se pretende que el alumno realice un proceso de aprendizaje activo a través de la participación interactiva en el diseño y montaje de un PC, así como un análisis crítico de las características y eficiencia del PC. Finalmente, como contraposición a los posibles carencias del computador ensamblado en la sesión práctica, el alumno debe proponer un computador que podría ser obtenido a través de alguno de los múltiples proveedores electrónicos que pueden encontrarse en Internet. Esta forma de aprendizaje activo y práctico está en consonancia con las directrices marcadas para la construcción del Espacio Europeo de Educación Superior.

6.

Referencias

[1]

PRIETO, A.; LLORIS, A.; TORRES, J.C. Introducción a la Informática, 4ª Ed., McGraw-Hill, 2006.

[2]

STALLINGS, W. Computer organization and architecture: designing for performance, Ed., Pearson Education, 2003.

[3]

HAMACHER C., VRANESIC Z., ZAKY S. Computer Organization, 5ª Ed., Hill, 2003

[4]

ROJAS, R.; HASHAGEN, U. The First Computers: History and Architectures, MIT Press, 2000

[5]

CLEMENTS A., “Work in Progress, The Role of Hardware and Architecture in the New Computer Sciences”, Session F3H. 37th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference.

[6]

MUELLER, S. Manual de actualización y reparación de PCs, Prentice Hall, 12ª 2001.

[7]

ROSCH, W.L. Hardware Bible (5th Edition). Ed. Que, 1999.

6th

McGraw-

Edición,