Hardware

La unidad central de procesamiento (CPU) es la parte de la computadora que procesa datos y ejecuta instrucciones. Ejecuta programas repitiendo un ciclo miles de millones de veces por segundo. Su función es sencilla de describir: la CPU procesa las instrucciones y los datos que se introducen en la computadora para que se pueda obtener el resultado.

Un microprocesador es un tipo de circuito integrado en un solo chip. Una CPU suele construirse como un microprocesador; las pequeñas computadoras dentro de las lavadoras y los automóviles también son microprocesadores.

La mayoría de las computadoras siguen la arquitectura de Von Neumann·: las instrucciones de un programa y sus datos se almacenan juntos en la misma memoria principal (RAM), y la CPU los obtiene de uno en uno, a través de los mismos buses, para procesarlos.

Partes de la CPU

Las partes están conectadas por buses: conjuntos de cables que transportan información:

• el bus de direcciones transporta direcciones de memoria (en una dirección);
• el bus de datos transporta datos e instrucciones (en ambas direcciones);
• el bus de control transporta señales de control.

Registros especiales

Estos registros se usan durante el ciclo de búsqueda y ejecución.

El ciclo de búsqueda y ejecución

El ciclo de búsqueda y ejecución tiene tres etapas que se repiten una y otra vez:

1. Búsqueda — la instrucción se copia de la memoria a la CPU (usando el PC, el MAR y el MDR). Luego el PC aumenta en 1.
2. Decodificación — la unidad de control determina qué significa la instrucción.
3. Ejecución — se ejecuta la instrucción (la ALU puede realizar un cálculo y enviar el resultado al acumulador).

Las preguntas de examen suelen pedir la etapa de búsqueda registro por registro. Aprende este orden:

1. La dirección del PC se copia al MAR.
2. La dirección se envía por el bus de direcciones a la RAM y se envía una señal de lectura por el bus de control.
3. La instrucción de esa dirección se envía por el bus de datos al MDR.
4. La instrucción se copia del MDR al CIR.
5. El PC se incrementa (aumenta en 1), de modo que apunta a la siguiente instrucción.

Luego la CU decodifica la instrucción del CIR y esta se ejecuta: la CU envía señales y la ALU realiza los cálculos o las comparaciones necesarios, almacenando el resultado en el ACC.

Ejemplo resuelto (4 puntos). Describe la función del MAR y del MDR en la etapa de búsqueda. Una respuesta completa: "El MAR guarda la dirección de la instrucción que se va a obtener, copiada del PC (1). Esta dirección se envía por el bus de direcciones a la RAM (1). La instrucción almacenada en esa dirección se envía por el bus de datos y se almacena en el MDR (1). Luego el MDR pasa la instrucción al CIR (1)." Cada punto corresponde a un registro y a lo que guarda o hace.

Memoria caché

La caché es una pequeña cantidad de memoria muy rápida dentro de la CPU o cerca de ella. Almacena datos e instrucciones que la CPU usa con frecuencia. La CPU puede leer de la caché mucho más rápido que de la memoria principal, por lo que la computadora funciona más rápido.

Qué afecta al rendimiento de la CPU

Ejemplo resuelto. Dos computadoras son idénticas salvo que A tiene una CPU de un solo núcleo de 3.0 GHz con 2 MB de caché, y B tiene una CPU de cuatro núcleos de 2.4 GHz con 8 MB de caché. ¿Cuál es mejor para editar video y por qué? La edición de video se divide en muchas tareas que pueden ejecutarse al mismo tiempo, por lo que los cuatro núcleos de B pueden procesar varios flujos en paralelo, mientras que A solo puede trabajar en uno a la vez. La caché más grande de B también mantiene más datos de uso frecuente cerca de la CPU, por lo que esta necesita obtenerlos de la RAM con menos frecuencia. B es la mejor opción, aunque A tiene una velocidad de reloj mayor. Nunca respondas basándote solo en la velocidad de reloj: considera conjuntamente los núcleos, la caché y la velocidad de reloj, y relaciona cada uno con el trabajo que se realiza.

Conjuntos de instrucciones

Un conjunto de instrucciones es la lista de todos los comandos que una CPU puede procesar. Los comandos están en código máquina (binario). Cada familia de CPU tiene su propio conjunto de instrucciones, por lo que un programa en código máquina para un tipo de CPU no se ejecutará en otro tipo.

Sistemas integrados

Un sistema integrado es una pequeña computadora incorporada en un dispositivo más grande para realizar una tarea fija. Está dedicado a esa tarea, suele ser pequeño y de bajo costo, y no tiene un sistema operativo de propósito general. Ejemplos: una lavadora, un horno de microondas, un decodificador de televisión, el sistema de gestión del motor de un automóvil, un sistema de seguridad, un sistema de iluminación y una máquina expendedora.

Esto es diferente de una computadora de propósito general, como una PC o una computadora portátil, que puede ejecutar muchos programas diferentes para realizar muchas tareas diferentes. Para decidir si un dispositivo es integrado, pregunta: ¿realiza una sola función específica?

Un dispositivo de entrada envía datos al computador.

Una pantalla táctil puede funcionar de tres maneras:

• resistiva — dos capas se presionan entre sí en el punto donde se toca;
• capacitiva — detecta la pequeña carga eléctrica del dedo;
• infrarroja — el dedo interrumpe una cuadrícula de haces de luz.

Sensores

Un sensor es un dispositivo de entrada que captura datos de su entorno. Mide una magnitud física y la envía al computador, para que un sistema pueda supervisar o controlar algo sin que una persona tome las lecturas. Aprende qué datos captura cada uno:

Es fácil confundir dos pares: la humedad ambiental es el agua presente en el aire; la humedad de materiales es el agua presente en un sólido, como el suelo; el nivel mide la altura de un líquido y el flujo mide la velocidad a la que se mueve.

Ejemplo resuelto (elección de un sensor). El bebedero de una granja debe volver a llenarse cuando esté vacío. Identifica el sensor más adecuado. El sistema necesita saber a qué altura está el agua, por lo que la respuesta es un sensor de nivel. Un sensor de presión debajo del bebedero también podría funcionar, pero «nivel» es la opción más adecuada. Relaciona siempre el sensor con la magnitud que el sistema necesita conocer.

Un sensor por sí solo solo mide. En un sistema de control, un microprocesador toma la decisión y un actuador (un dispositivo de salida) actúa. El ciclo se repite continuamente. (El material 6 explica los sistemas automatizados en detalle).

Ejemplo resuelto (6 puntos). La puerta de un tren solo debe cerrarse cuando no haya ningún pasajero en el vano de la puerta. Explica cómo se utilizan un sensor y un microprocesador. Una buena respuesta, con un punto por cada elemento:

1. Se coloca un sensor de proximidad (o infrarrojo) junto a la puerta.
2. El sensor envía lecturas continuamente al microprocesador; una lectura analógica se convierte primero en digital.
3. El microprocesador compara la lectura con un valor almacenado (por ejemplo, un objeto a menos de 20 cm).
4. Si la lectura indica que hay una persona en el vano de la puerta, la puerta permanece abierta (puede sonar una advertencia).
5. Si la lectura indica que el vano de la puerta está despejado, el microprocesador envía una señal al actuador para cerrar la puerta.
6. El proceso se repite continuamente hasta que la puerta se haya cerrado.

Un dispositivo de salida envía datos desde el computador al usuario.

Descripción del funcionamiento de un dispositivo de salida

Una pregunta como «Describe cómo funciona una impresora láser» se califica con un punto por cada paso correcto, en orden, así que aprende el funcionamiento de cada dispositivo como una secuencia breve.

Impresora de inyección de tinta.

1. El controlador de la impresora convierte el documento en datos que la impresora puede utilizar. Los datos se almacenan en la memoria intermedia de la impresora (una pequeña memoria), para que el computador pueda continuar con otras tareas.
2. El cabezal de impresión se desplaza sobre el papel. Sus diminutas boquillas rocían gotas de tinta donde la imagen las necesita. Una gota se expulsa calentando la tinta, lo que produce una burbuja (burbuja térmica), o mediante un cristal que cambia de forma cuando pasa una corriente (piezoeléctrico).
3. Un motor hace avanzar un poco el papel y el cabezal imprime la siguiente línea, hasta terminar la página.

Impresora láser.

1. Los datos se envían a través del controlador y se almacenan en la memoria intermedia de la impresora.
2. Se aplica una carga eléctrica a un tambor giratorio. Un haz láser recorre el tambor y cambia la carga en los lugares donde debe imprimirse la página, dejando un patrón de la página en el tambor.
3. El tambor se cubre con tóner (un polvo fino), que se adhiere solo al patrón cargado.
4. El papel cargado pasa junto al tambor y el tóner se transfiere al papel.
5. El papel pasa por un fusor (rodillos calientes), que funde el tóner para fijarlo al papel.
6. Una lámpara elimina la carga del tambor para dejarlo listo para la siguiente página.

Impresora 3D. El objeto se diseña con un programa de diseño asistido por computador, y el programa lo divide en finas capas horizontales. Luego, la impresora construye el objeto una capa a la vez, por ejemplo, extruyendo plástico fundido a través de una boquilla caliente, y cada capa se endurece sobre la anterior.

Altavoz. Un convertidor digital-analógico (DAC) transforma los datos de sonido digitales en una señal analógica, que se amplifica. La corriente variable pasa por una bobina situada junto a un imán, de modo que la bobina y el cono unido a ella se mueven hacia dentro y hacia fuera, y la vibración del cono produce las ondas sonoras.

Error frecuente. Describir una impresora láser diciendo que «un láser quema la imagen sobre el papel». El láser nunca toca el papel: solo cambia la carga del tambor, y la imagen está formada por tóner fundido y fijado por el fusor.

El almacenamiento primario es la memoria que la CPU puede utilizar directamente. Hay dos tipos.

Ambas son necesarias: la ROM indica al computador cómo arrancar y, después, la RAM contiene los programas que ejecutas.

El almacenamiento secundario conserva los datos de forma permanente, incluso cuando se apaga el equipo. Es no volátil y se utiliza para el almacenamiento a largo plazo. Hay tres tipos.

Cómo funciona cada uno. En las preguntas se te pide describir el funcionamiento de cada tipo:

• Magnético — un disco duro tiene uno o más platos que giran. Cada plato se divide en pistas (anillos) y sectores (partes de una pista). Un cabezal de lectura/escritura, que es un electroimán, se mueve sobre el plato: magnetiza pequeñas zonas para escribir datos y las detecta para leerlos. Como tiene piezas móviles, el acceso es más lento que en el almacenamiento de estado sólido y puede dañarse si se cae.
• Óptico — un láser graba hendiduras en la superficie del disco; las zonas planas entre ellas se llaman llanos. Para leer, un láser ilumina el disco giratorio: los llanos reflejan la luz, las hendiduras la dispersan y los cambios se leen como datos binarios. Los CD, DVD y Blu-ray funcionan así; Blu-ray utiliza un láser azul de menor longitud de onda, por lo que sus hendiduras son más pequeñas y almacena más datos.
• Estado sólido (memoria flash) — los datos se almacenan en una cuadrícula de transistores, mediante tecnología NAND o NOR. Cada transistor tiene una puerta de control y una puerta flotante. Los electrones atrapados en la puerta flotante almacenan un 0 o un 1 y permanecen allí cuando se apaga el equipo. No tiene piezas móviles, por lo que es rápido, silencioso y resistente.

Cuando la RAM se llena, el computador puede utilizar parte del almacenamiento secundario como si fuera RAM adicional. Esto se llama memoria virtual.

La memoria virtual se crea como una zona del almacenamiento secundario. Los datos se mueven en bloques llamados páginas: una página que no se necesita en ese momento se traslada de la RAM a la memoria virtual, lo que libera espacio en la RAM para otros programas. Cuando esa página vuelve a necesitarse, se traslada de nuevo a la RAM. Esto permite ejecutar más programas de los que cabrían solo en la RAM. Es más lento porque el almacenamiento secundario es mucho más lento que la RAM.

El almacenamiento en la nube guarda tus datos en servidores físicos remotos a los que se accede por internet, en lugar de hacerlo en tu propio dispositivo.

• Ventajas: acceso desde cualquier lugar y dispositivo; no es necesario comprar ni mantener hardware de almacenamiento local; facilidad para compartir archivos y crear copias de seguridad automáticas.
• Desventajas: necesita una conexión a internet que funcione; implica un costo de suscripción recurrente; la seguridad y la privacidad dependen del proveedor; dependes de que el proveedor siga disponible y en funcionamiento.

Tarjeta de interfaz de red (NIC)

Una tarjeta de interfaz de red (NIC) es el hardware que permite a un dispositivo conectarse a una red y enviar y recibir datos. Cada NIC tiene una dirección MAC incorporada.

Dirección MAC y dirección IP

• Una dirección MAC (dirección de control de acceso al medio) es un número que identifica un dispositivo físico. La establece el fabricante y normalmente no cambia. Se escribe en hexadecimal.
• Una dirección IP (dirección de protocolo de internet) es un número que identifica un dispositivo en una red. La asigna la red y puede cambiar.

Por tanto, una dirección MAC permanece con el dispositivo, mientras que una dirección IP depende de la red que utiliza el dispositivo.

Hay dos versiones de direcciones IP. IPv4 tiene 32 bits y se escribe como cuatro números decimales de 0 a 255 (por ejemplo, 192.168.0.1); la versión más reciente, IPv6, tiene 128 bits y se escribe como ocho grupos de números hexadecimales separados por dos puntos, lo que proporciona muchísimas más direcciones. Una dirección también puede ser estática (fija, configurada manualmente y que nunca cambia) o dinámica (asignada por el enrutador o la red cada vez que el dispositivo se conecta, por lo que puede cambiar).

Enrutador

Un enrutador conecta distintas redes entre sí; por ejemplo, tu red doméstica con internet. Lee la dirección IP de cada paquete y lo reenvía hacia la red correcta.

• Aprende el ciclo de búsqueda–decodificación–ejecución y los registros especiales: el contador de programa contiene la dirección de la siguiente instrucción, MAR/MDR contienen la dirección y los datos, y el acumulador contiene el resultado de la ALU.
• El rendimiento de la CPU mejora con más núcleos, una memoria caché más grande y una mayor velocidad de reloj.
• La RAM es volátil (pierde sus datos sin alimentación eléctrica) y contiene los programas en uso; la ROM es no volátil y de solo lectura (contiene las instrucciones de arranque).
• Para una pregunta que pida «describir cómo se utilizan el sensor y el microprocesador», escribe el ciclo: el sensor envía la lectura → el microprocesador compara con un valor almacenado → señal al actuador → se repite. Nombra el sensor que mide la magnitud adecuada (nivel, no flujo, para un tanque que se vacía).
• Di Von Neumann: las instrucciones y los datos comparten la misma memoria. Un microprocesador es un circuito integrado en un solo chip.
• Relaciona los tipos de almacenamiento secundario: magnético (HDD, cinta), óptico (CD/DVD, leído por un láser), estado sólido (SSD, USB, memoria flash, sin piezas móviles).
• Una dirección MAC identifica el dispositivo físico y normalmente no cambia; una dirección IP la asigna la red y puede cambiar.