| Artículos | 01 MAR 2001

Introducción al Hardware del PC

Tags: Histórico
Conceptos fundamentales, historia y componentes de un PC
Félix Torán.
Sin duda, el PC es una de las herramientas más empleadas en la actualidad, y por ello se hace casi imprescindible conocerlo a fondo. Con este artículo comienza una serie que recorrerá todas las partes que componen un PC, explicando su funcionamiento y los factores a tener en cuenta ante la compra de cada componente.
En esta primera entrega se introducirán algunos conceptos fundamentales de los ordenadores. También se presentará un recorrido histórico orientado hacia el PC, y se mostrarán los componentes básicos de dicho ordenador personal.

Es importante comenzar desde la base. La primera pregunta a plantear es la siguiente: ¿qué es un ordenador? Ante todo, es un dispositivo electrónico capaz de recibir datos de entrada, realizar una serie de operaciones con ellos, y generar datos de salida como resultado. La sucesión de cálculos a realizar está determinada por un programa.
Conviene ilustrar lo anterior mediante un ejemplo (tan sólo es preciso entender los conceptos generales, sin necesidad de introducirse en el mundo de la electrónica). Imagine por un momento que desarrolla un circuito electrónico capaz de sumar dos números (introducidos por un teclado) y presentar el resultado en una pantalla. En la Figura 1 se muestra un esquema de dicho dispositivo, cuya parte principal es un circuito encargado de recibir dos números como entrada, y devolver la suma como salida. Si ahora desea ampliar su dispositivo para que efectúe restas, deberá realizar cambios en el circuito, con toda seguridad. Aún más complicados serán los cambios si desea dotar de una funcionalidad más compleja a su dispositivo. E incluso mucho más si se debe realizar una secuencia de operaciones, una tras otra, para obtener el funcionamiento deseado.
Una solución consiste en crear un módulo electrónico capaz de realizar un conjunto de operaciones (Figura 2), que se pueden seleccionar en cada momento. Las líneas digitales de la parte inferior permiten indicar al dispositivo cuál es la operación (instrucción) a realizar en cada instante. El circuito leerá los datos de entrada, realizará la operación seleccionada, y devolverá datos de salida (empleando las líneas destinadas a ello). Una secuencia de operaciones conforma un programa, que define totalmente el comportamiento del sistema electrónico. La solución presentada ofrece una gran ventaja: es posible cambiar el funcionamiento del dispositivo simplemente modificando el programa, sin necesidad de alterar su diseño electrónico. Un ordenador responde al comportamiento presentado.

Componentes básicos de un ordenador
Una vez presentadas las ideas más básicas, es el momento de introducir los elementos fundamentales del diseño de un ordenador. Entre otros muchos, destacan tres bloques funcionales: la memoria, la unidad central de proceso (CPU) y la entrada/salida (E/S).
La CPU es la unidad encargada de ejecutar las instrucciones definidas por los programas. La CPU comienza por leer una instrucción, la ejecuta, y genera el resultado de la operación realizada. Este proceso se repite continuamente durante su funcionamiento.
La memoria se emplea para almacenar información temporal o permanentemente. Por un lado, se almacenan las instrucciones que componen los programas. También se almacenan datos de entrada con los que debe trabajar la CPU, resultados intermedios, y datos de salida devueltos por la CPU. Por ejemplo, imagine la siguiente instrucción: “MUL A,B”, capaz de multiplicar dos números A y B. La instrucción debe estar almacenada previamente en la memoria, para poder llegar a la CPU en el momento preciso. Lo mismo ocurre con A y B, que también proceden de la memoria del sistema. Tras la ejecución de la instrucción, la CPU devolverá el resultado (A x B), que se debe almacenar en la memoria para ser empleado más adelante (ya sea para enviar a un dispositivo de salida, o para utilizar como entrada en una futura instrucción).
La E/S es el medio establecido para la comunicación de la CPU con su entorno exterior (es más un concepto que algo palpable). Mediante la definición de una cierta interfaz, la CPU puede recibir datos de los dispositivos que la rodean (denominados periféricos), operar con dicha información, y enviar los resultados generados hacia dichos dispositivos.
Como habrá intuido, los componentes de un ordenador deben hallarse conectados entre sí. El elemento encargado de dicha tarea es el bus. Un bus se debe entender como un grupo de “cables” (líneas digitales) que interconectan los bloques funcionales de un ordenador, permitiendo la interacción entre los mismos. Visto de otro modo, los componentes se enlazan al bus para conectarse así con el resto de elementos. Ya que el bus une a todos los elementos entre sí, podrían aparecer conflictos si varios de ellos intentan utilizar el bus al mismo tiempo. Esto obliga a establecer una regla importante: en cualquier instante, sólo un componente puede colocar información en el bus. La Figura 3 resume todo lo explicado, mostrando el esquema básico de un ordenador.

Arquitecturas básicas
Los ordenadores se pueden clasificar en base a su arquitectura. Existen dos arquitecturas principales, denominadas Von Neumann y Hardvard. La diferencia fundamental se encuentra en el modo de almacenar en la memoria las instrucciones y los datos con los que trabajan.
En las máquinas de Von Neumann, las instrucciones y los datos conviven en el mismo espacio de memoria, sin existir separación física.
Los ordenadores con arquitectura Hardvard dividen el espacio de almacenamiento en dos bloques de memoria físicamente separados. Uno de los bloques almacena las instrucciones, y el otro almacena los datos. El acceso a dichos espacios de almacenamiento se realiza mediante buses diferentes, lo que hace posible la lectura simultánea de instrucciones y datos.
Las máquinas con arquitectura Hardvard presentan un mayor rendimiento en la ejecución de instrucciones, ya que pueden leer instrucciones y datos de forma simultánea. Hay que tener presente que en una memoria sólo se puede obtener un dato o instrucción en cada acceso (salvo en el caso de las memorias multipuerto, que se abordarán en próximas entregas). Para aclarar esto, considere el proceso de ejecución de una instrucción en una máquina Von Neumann:
Primero se accede a la memoria para obtener la instrucción a ejecutar, y se descodifica dicha instrucción, conociendo así la operación a realizar y los operandos con los que trabajar.
Después se realizan los accesos necesarios a la memoria (uno tras otro) para obtener los datos con los que operar. Por ejemplo, en la instrucción de ejemplo “MUL A,B”, se requieren dos accesos a la memoria: uno para obtener el valor A, y otro para obtener el valor B. Finalmente, se ejecuta la instrucción, y se accede a la memoria para almacenar el resultado de la operación.
En una máquina con arquitectura Hardvard, mientras la CPU obtiene los datos requeridos por una instrucción se puede leer
-simultáneamente- la siguiente instrucción a ejecutar, con lo que el rendimiento es claramente superior. Evidentemente, esto no se puede hacer en una máquina Von Neumann, ya que mientras se accede a los datos, no es posible leer una instrucción al mismo tiempo, puesto que sólo hay una memoria, y un solo bus que la une a la CPU.
También existen máquinas con arquitectura Hardvard modificada, que emplean dos buses diferent

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