Arquitectura de computadoras

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Arquitectura de computadoras

  1. 1. Arquitectura de computadoras.
  2. 2. Que es una computadora.  Una computadora es un sistema digital con tecnología microelectrónica capaz de procesar datos a partir de un grupo de instrucciones denominado programa. La estructura básica de una computadora incluye microprocesador (CPU), memoria y dispositivos de entrada/salida (E/S), junto a los buses que permiten la comunicación entre ellos. La característica principal que la distingue de otros dispositivos similares, como una calculadora no programable, es que puede realizar tareas muy diversas cargando distintos programas en la memoria para que los ejecute el procesador.
  3. 3. Componentes de una computadora.  Tarjeta Madre: Toda computadora cuenta con una Tarjeta madre, pieza fundamental de una computadora, encargada de intercomunicar todas las demás placas, periféricos y otros componentes entre sí.  Microprocesador: ubicado en el corazón de la placa madre, es el "cerebro" de la computadora. Lógicamente es llamado CPU.  Memoria: la memoria RAM, donde se guarda la información que está siendo usada en el momento. También cuenta con memoria ROM, donde se almacena la BIOS y la configuración más básica de la computadora. (ver ¿qué es el bios? y Cómo instalar memoria RAM en la computadora).
  4. 4.  Cables de comunicación: normalmente llamados bus, comunican diferentes componentes entre sí.  Otras tarjetas: generalmente van conectadas a las bahías libres de la placa madre. Otras placas pueden ser: aceleradora de gráficos, de sonido, de red, etc.  Dispositivos de enfriamiento: los más comunes son los coolers (ventiladores) y los disipadores de calor.  Fuente eléctrica: para proveer de energía a la computadora. (Ver Tipos e instalación de fuentes de alimentación eléctrica).  Puertos de comunicación: USB, puerto serial, puerto paralelo, para la conexión con periféricos externos.  Periféricos: Dispositivos de E/S que nos ayudan a que la pc se comunique con el usuario y a su vez introducir información, algunos de estos dispositivos son teclado, mouse, impresoras, monitor etc.
  5. 5. Imagen de una tarjeta madre. Procesador BIOS Chipset Memoria
  6. 6. El procesador.  Microchip más importante en una computadora, es considerado el cerebro de una computadora. Está constituido por millones de transistores integrados. Este dispositivo se ubica en un zócalo especial en la placa madre y dispone de un sistema de enfriamiento (generalmente un ventilador).  Lógicamente funciona como la unidad central de procesos (CPU), que está constituida por registros, la unidad de control y la unidad aritmético-lógica. En el microprocesador se procesan todas las acciones de la computadora.  Su "velocidad" es medida por la cantidad de operaciones por segundo que puede realizar: la frecuencia de reloj. La frecuencia de reloj se mide en MHz (megahertz) o gigahertz (GHz).
  7. 7.  También dispone de una memoria caché (medida en kilobytes), y un ancho de bus (medido en bits).  El primer microprocesador comercial fue el Intel 4004, presentado el 15 de noviembre de 1971. Actualmente las velocidad de procesamiento son miles de veces más grandes que los primeros microprocesadores. También comienzan a integrarse múltiples procesadores para ampliar la capacidad de procesamiento. Se estima que para 2010 vendrán integrados hasta 80 núcleos en un microprocesador, son llamados procesadores multi-core.  Los principales fabricantes de microprocesadores son AMD e Intel.
  8. 8. Velocidad de un procesador.  (clock rate). La frecuencia de reloj es la velocidad en ciclos por segundo (medidas en hercios) con que una computadora realiza las operaciones más básicas. Diferentes chips en la placa madre pueden tener diferentes frecuencias de reloj. En general, en computación, cuando se habla de "la frecuencia de reloj", se está haciendo referencia a la velocidad del CPU (el microprocesador).  Para comparar distintos procesadores de distintas familias suelen usarse programas benchmarks.  Las frecuencias de reloj en la historia  La primera PC comercial, la Altair, usaba un microprocesador Intel 8080 con una frecuencia de reloj de 2 MHz. La IBM PC original de 1981 tenía una frecuencia de reloj de 4,77 MHz (4.770.000 ciclos por segundo).  Para 1995, las Pentium de Intel llegaban a 100 MHz, y en 2002, Intel introdujo el primer procesador en llegar a 3 GHz, el Pentium 4.
  9. 9. Arquitectura de un procesador.  Una de las primeras decisiones a la hora de diseñar un procesador es decidir cual será su juego de instrucciones. Este conjunto de instrucciones (órdenes) es el lenguaje que realmente entiende el procesador, y constituye lo que se conoce como lenguaje ensamblador o lenguaje-máquina.  La decisión es trascendente, por dos razones. Primero: el juego de instrucciones decide el diseño físico del conjunto. Segundo: cualquier operación que deba ejecutarse con el procesador deberá poder ser descrita en términos de este "lenguaje" elemental (recuerde que los compiladores e intérpretes son en realidad traductores desde el lenguaje de alto nivel (fuente) a este lenguaje- máquina.  Sin entrar en detalles, podemos decir que frente a esta cuestión caben dos filosofías de diseño. La primera conduce a máquinas denominadas CISC ("Complex Instruction Set Computer"); las máquinas construidas según el otro criterio se denominan RISC ("Reduced Instruction Set Computer").
  10. 10.  Como puede deducirse de sus propios nombres, las máquinas CISC utilizan instrucciones muy complejas, diríamos que muy descriptivas y específicas, lo que necesariamente se traduce en varias consecuencias:  El lenguaje debe contener un amplio surtido de ellas (una para cada circunstancia distinta).  Son instrucciones complejas, por tanto de ejecución lenta. La circuitería del procesador también es compleja.  Para un trabajo específico se requieren pocas instrucciones (siempre hay una que resuelve el problema).
  11. 11.  Las máquinas RISC representan el enfoque opuesto. Utilizan instrucciones muy simples, que deben ser cuidadosamente escogidas, porque cualquier operación debe ser expresada como una secuencia de estas pocas instrucciones. Las consecuencias son justamente opuestas a las anteriores:  El lenguaje contiene un conjunto pequeño de instrucciones.  Las instrucciones son muy simples, por tanto de ejecución rápida. La circuitería es más simple que en los procesadores CISC.  Para cualquier operación se requieren varias instrucciones elementales.  Naturalmente cada criterio tiene sus pros y sus contra en lo que a rendimiento se refiere. En las máquinas CISC, lentitud de cada instrucción frente a poca cantidad de ellas; en las RISC, rapidez individual aunque hay que ejecutar un mayor número
  12. 12. Componentes ppales de un MP  De forma esquemática podemos suponer que un procesador se compone de cinco elementos:  Memoria  Unidad Artimético-Lógica ALU ("Arithmetic and Logic Unit" )  Unidad de Control CU ("Control Unit" )  Bus interno  Conexiones con el exterior
  13. 13. Procesadores Multi nucleo  Un microprocesador multi núcleo es aquel que combina dos o más procesadores independientes en un sólo circuito integrado. Un dispositivo doble núcleo contiene solamente dos microprocesadores independientes. En general, los microprocesadores multi núcleo permiten que una computadora trabaje con Multiprocesamiento, es decir procesamiento en simultáneo con dos o más procesadores. Por otro lado, la tecnología de doble núcleo mejora el rendimiento de los entornos de trabajo multitarea y las aplicaciones con múltiples subprocesos. Por ejemplo, permite que aplicaciones fundamentales como antivirus o anti espías se ejecuten al mismo tiempo que aplicaciones empresariales con un impacto mínimo sobre el rendimiento del sistema.
  14. 14. El BIOS (Basic Input/Ouput Sistem)
  15. 15. Chipset.  Circuito integrado auxiliar o chipset es el conjunto de circuitos integrados diseñados con base a la arquitectura de un procesador (en algunos casos diseñados como parte integral de esa arquitectura), permitiendo que ese tipo de procesadores funcionen en una placa base. Sirven de puente de comunicación con el resto de componentes de la placa, como son la memoria, las tarjetas de expansión, los puertos USB, ratón, teclado, etc.  Las placas base modernas suelen incluir dos integrados, denominados puente norte y puente sur, y suelen ser los circuitos integrados más grandes después de la GPU y el microprocesador. Las últimas placa base carecen de Puente Norte ya que los procesadores de última generación lo llevan integrado.  El chipset determina muchas de las características de una placa base y por lo general la referencia de la misma está relacionada con la del chipset.
  16. 16. Funcionamiento.  El Chipset es el que hace posible que la placa base funcione como eje del sistema, dando soporte a varios componentes e interconectándolos de forma que se comuniquen entre ellos haciendo uso de diversos buses. Es uno de los pocos elementos que tiene conexión directa con el procesador, gestiona la mayor parte de la información que entra y sale por el bus principal del procesador, del sistema de vídeo y muchas veces de la memoria RAM.  En el caso de los computadores PC, es un esquema de arquitectura abierta que establece modularidad: el Chipset debe tener interfaces estándar para los demás dispositivos. Esto permite escoger entre varios dispositivos estándar, por ejemplo en el caso de los buses de expansión, algunas tarjetas madre pueden tener bus PCI-Express y soportar diversos tipos de tarjetas de distintos anchos de bus (1x, 8x, 16x).  En el caso de equipos portátiles o de marca, el chipset puede ser diseñado a la medida y aunque no soporte gran variedad de tecnologías, presentará alguna interfaz de dispositivo.
  17. 17.  El puente norte, northbridge, MCH (memory controller hub) o GMCH (graphic MCH), se usa como puente de enlace entre el microprocesador y la memoria. Controla las funciones de acceso hacia y entre el microprocesador, la memoria RAM, el puerto gráfico AGP o el PCI-Express de gráficos, y las comunicaciones con el puente sur. Al principio tenía también el control de PCI, pero esa funcionalidad ha pasado al puente sur.  El puente sur, southbridge o ICH (input controller hub), controla los dispositivos asociados como son la controladora de discos IDE, puertos USB, FireWire, SATA, RAID, ranuras PCI, ranura AMR, ranura CNR, puertos infrarrojos, disquetera, LAN, PCI-Express 1x y una larga lista de todos los elementos que podamos imaginar integrados en la placa madre. Es el encargado de comunicar el procesador con el resto de los periféricos.  En la actualidad los principales fabricantes de chipsets son AMD, ATI Technologies (comprada en 2006 por AMD), Intel, NVIDIA, Silicon Integrated Systems y VIA Technologies
  18. 18. Memorias.  Memoria RAM (Random Access Memory, Memoria de Acceso Aleatorio)  es donde el ordenador guarda los datos que está utilizando en el momento presente; son los "megas" famosos en número de 32, 64 ó 128 que aparecen en los anuncios de ordenadores.  Físicamente, los chips de memoria son rectángulos negros que suelen ir soldados en grupos a unas plaquitas con "pines" o contactos, algo así:  La diferencia entre la RAM y otros tipos de memoria de almacenamiento, como los disquetes o los discos duros, es que la RAM es mucho (mucho) más rápida, y que se borra al apagar el ordenador, no como éstos.
  19. 19. Tipos de Memoria RAM  TSOP proviene de ("Thin Small Out-line Package"), lo que traducido significa conjunto de bajo perfil fuera de línea. Son un tipo de memorias DRAM (RAM de celdas construidas a base de capacitores), los primeros módulos de memoria aislados que se introducían en zócalos especiales de la tarjeta principal ("Motherboard"). Estos chips en conjunto iban sumando las cantidades de memoria RAM del equipo.  Las memorias TSOP no fueron totalmente reemplazados en aquel tiempo, sino que se conjuntaron los módulos en una placa plástica especial y se organizaron las terminales con forma de pin en un solo lado de la tarjeta, naciendo el estándar de memorias SIP ("Single In- line Package").
  20. 20.  SIP es la sigla de ("Single In-line Package"), lo que traducido significa soporte simple en línea: son los primeros tipos de memorias DRAM (RAM de celdas construidas a base de capacitores), que integraron en una sola tarjeta varios módulos de memoria TSOP, lográndose comercializar mayores capacidades en una sola placa. Las terminales se concentraron en la parte baja en forma de pines (30) que se insertaban dentro de las ranuras especiales de la tarjeta principal (Motherboard).  Reemplazaron el uso de las memorias TSOP.  Las memorias SIP fueron rápidamente reemplazadas por las memorias RAM tipo SIMM ("Single In line Memory Module"), ya que las terminales se integraron a una placa plástica y se hizo mas resistente a los dobleces.
  21. 21.  SIMM proviene de ("Single In line Memory Module"), lo que traducido significa módulo de memoria de únicamente una línea (este nombre es debido a que sus contactos se comparten de ambos lados de la tarjeta de memoria): son un tipo de memorias DRAM (RAM de celdas construidas a base de capacitores), las cuáles tienen los chips de memoria de un solo lado de la tarjeta y cuentan con un conector especial de 30 ó 72 terminales para ranuras de la tarjeta principal (Motherboard).  Las memorias SIMM reemplazaron a las memorias RAM tipo SIP ("Single In-Line Package").  Las memorias SIMM fueron reemplazadas por las memorias RAM tipo DIMM ("Dual In line Memory Module").
  22. 22.  DIMM proviene de ("Dual In line Memory Module"), lo que traducido significa módulo de memoria de línea dual (este nombre es debido a que sus contactos de cada lado son independientes, por lo tanto el contacto es doble en la tarjeta de memoria): son un tipo de memorias DRAM (RAM de celdas construidas a base de capacitores), las cuáles pueden tener chips de memoria en ambos lados de la tarjeta o solo de un lado, cuentan con un conector especial de 168 terminales para ranuras de la tarjeta principal (Motherboard). Cabe destacar que la característica de las memorias de línea dual, es precursora de los estándares modernos RIMM y DDR-X), por ello no es de extrañarse que también se les denomine DIMM - SDRAM tipo RIMM ó DIMM - SDRAM DDR-X.  SDRAM proviene de (Synchronous Dynamic Random Access Memory), memoria de acceso aleatorio sincrónico, esto significa que existe un cierto tiempo entre el cambio de estado de la misma sincronizado con el reloj y bus del sistema, en la práctica se le denomina solo DIMM.  Reemplazaron a las memorias RAM tipo SIMM ("Single In line Memory Module").
  23. 23.  DDR proviene de ("Dual Data Rate"), lo que traducido significa transmisión doble de datos (este nombre es debido a que incorpora dos canales para enviar los datos de manera simultánea): son un tipo de memorias DRAM (RAM de celdas construidas a base de capacitores), las cuáles tienen los chips de memoria en ambos lados de la tarjeta y cuentan con un conector especial de 184 terminales para ranuras de la tarjeta principal (Motherboard). También se les denomina DIMM tipo DDR, debido a que cuentan con conectores físicamente independientes por ambas caras como el primer estándar DIMM.
  24. 24.  RIMM proviene de ("Rambus In line Memory Module"), lo que traducido significa módulo de memoria de línea con bus integrado (este nombre es debido a que incorpora su propio bus de datos, direcciones y control de gran velocidad en la propia tarjeta de memoria): son un tipo de memorias RAM del tipo RDRAM ("Rambus Dynamic Random Access Memory"): es decir, también están basadas en almacenamiento por medio de capacitores), que integran circuitos integrados y en uno de sus lados tienen las terminaciones, que sirven para ser insertadas dentro de las ranuras especiales para memoria de la tarjeta principal (Motherboard). También se les denomina DIMM tipo RIMM, debido a que cuentan con conectores físicamente independientes por ambas caras como el primer estándar DIMM.  Los módulos RIMM se encuentran diseñados para ser para ser instalados por pares en la tarjeta madre, esto es, no esta permitida la instalación de 1 / 3 ó 5 módulos RIMM. Debido al alto precio de un simple módulo RIMM, se tuvo la necesidad de crear un dispositivo que solamente se encargue de cumplir la función de crear la continuidad por pares, a estos dispositivos se les llama CRIMM (Continuity Rambus In Line Memory Module), con lo que se cumple la regla de tener pares aunque un módulo RIMM tenga chips de memoria y el chip CRIMM solamente es un terminador de continuidad.
  25. 25.  DDR-2 proviene de ("Dual Data Rate 2"), lo que traducido significa transmisión doble de datos segunda generación (este nombre es debido a que incorpora dos canales para enviar y además recibir los datos de manera simultánea): son un tipo de memorias DRAM (RAM de celdas construidas a base de capacitores), las cuáles tienen los chips de memoria en ambos lados de la tarjeta y cuentan con un conector especial de 240 terminales para ranuras de la tarjeta principal (Motherboard). También se les denomina DIMM tipo DDR2, debido a que cuentan con conectores físicamente independientes por ambas caras como el primer estándar DIMM.
  26. 26.  DDR-3 proviene de ("Dual Data Rate 3"), lo que traducido significa transmisión doble de datos tercer generación: son el mas moderno estándar, un tipo de memorias DRAM (RAM de celdas construidas a base de capacitores), las cuáles tienen los chips de memoria en ambos lados de la tarjeta y cuentan con un conector especial de 240 terminales para ranuras de la tarjeta principal (Motherboard). También se les denomina DIMM tipo DDR3, debido a que cuentan con conectores físicamente independientes por ambas caras como el primer estándar DIMM. Este tipo de memoria cuenta en su gran mayoría de modelos con disipadores de calor, debido a que se sobrecalientan.
  27. 27.  DDR-4 proviene de ("Dual Data Rate 4"), lo que traducido significa transmisión doble de datos cuarta generación: se trata de el estándar desarrollado por la firma Samsung® para el uso con futuras tecnologías. Al igual que sus antecesoras, se basa en el uso de tecnología tipo DRAM (RAM de celdas construidas a base de capacitores), las cuáles tienen los chips de memoria en ambos lados de la tarjeta, y según las imágenes liberadas por el sitio Web, 240 terminales, las cuáles están especializadas para las ranuras de las tarjetas principales (Motherboard) de nueva generación. También se les denomina DIMM tipo DDR4, debido a que cuentan con conectores físicamente independientes por ambas caras como el primer estándar DIMM.
  28. 28. Otros tipos de RAM  Memorias con paridad: consisten en añadir a cualquiera de los tipos anteriores un chip que realiza una operación con los datos cuando entran en el chip y otra cuando salen. Si el resultado ha variado, se ha producido un error y los datos ya no son fiables.  Dicho así, parece una ventaja; sin embargo, el ordenador sólo avisa de que el error se ha producido, no lo corrige. Es más, estos errores son tan improbables que la mayor parte de los chips no los sufren jamás aunque estén funcionando durante años; por ello, hace años que todas las memorias se fabrican sin paridad.  ECC: memoria con corrección de errores. Puede ser de cualquier tipo, aunque sobre todo EDO-ECC o SDRAM-ECC. Detecta errores de datos y los corrige; para aplicaciones realmente críticas. Usada en servidores y mainframes.  Memorias de Vídeo: para tarjetas gráficas. De menor a mayor rendimiento, pueden ser: DRAM -> FPM -> EDO -> VRAM -> WRAM -> SDRAM -> SGRAM
  29. 29. Memorias RAM (Velocidades) PC66: SDR SDRAM, funciona a un máx de 66,6 MHz. PC100: SDR SDRAM, funciona a un máx de 100 MHz. PC133: SDR SDRAM, funciona a un máx de 133,3 MHz. PC600: RIMM RDRAM, funciona a un máximo de 300 MHz. PC700: RIMM RDRAM, funciona a un máximo de 356 MHz. PC800: RIMM RDRAM, funciona a un máximo de 400 MHz. PC1066: RIMM RDRAM, funciona a un máximo de 533 MHz.
  30. 30.  PC1600 o DDR 200: funciona a un máx de 200 MHz.  PC2100 o DDR 266: funciona a un máx de 266,6 MHz.  PC2700 o DDR 333: funciona a un máx de 333,3 MHz.  PC3200 o DDR 400: funciona a un máx de 400 MHz.  PC4500 o DRR 400: funciona a una máx de 500 MHz  PC2-4200 o DDR2-533: funciona a un máx de 533,3 MHz.  PC2-5300 o DDR2-667: funciona a un máx de 666,6 MHz.  PC2-6400 o DDR2-800: funciona a un máx de 800 MHz.  PC2-8600 o DDR2-1066: funciona a un máx de 1066,6 MHz.  PC2-9000 o DDR2-1200: funciona a un máx de 1200 MHz
  31. 31.  PC3-6400 o DDR3-800: funciona a un máx de 800 MHz.  PC3-8500 o DDR3-1066: funciona a un máx de 1066,6 MHz.  PC3-10600 o DDR3-1333: funciona a un máx de 1333,3 MHz.  PC3-12800 o DDR3-1600: funciona a un máx de 1600 MHz.  PC3-14900 o DDR3-1866: funciona a un máx de 1866,6 MHz.  PC3-17000 o DDR3-2133: funciona a un máx de 2133,3 MHz.  PC3-19200 o DDR3-2400: funciona a un máx de 2400 MHz.  PC3-21300 o DD3-2666: funciona a un máx de 2666,6 MHz.

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