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TICS 2º BACHILLERATO. HARDWARE.
CURSO 2010/11
UNIDAD 2. SISTEMAS INFORMÁTICOS: ESTRUCTURA Y HARDWARE.
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1.- Reseña histórica de los sistemas informáticos.
La historia del tratamiento de la información es casi tan antigua como el
hombre, dado que siempre se han buscado métodos para realizar cálculos y
tareas de la forma más fácil.
El primer instrumento conocido es el ábaco, surgido probablemente en China
aunque los primeros documentos son de Mesopotamia alrededor del año 2600
a.C.
La primera máquina automática no se hará hasta el siglo XVII cuando Blaise
Pascal construye una máquina de sumar mecánica, formada por multitud de
engranajes de 10 dientes, representando cada uno de ellos a un dígito.
En 1833, Charles Babbage diseñó la primera máquina que operaba mediante
un programa, recibiendo la información externa mediante tarjetas perforadas.
Se le conoció con el nombre de máquina analítica.
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En el sigo XIX aparecen los primeros dispositivos gobernados por relés.
Hermann Hollerith, que había trabajado en la realización del censo de los
EEUU en 1886 diseñó una máquina que permitió en 1890 realizarlo en 4
semanas mientras que en 1880 se emplearon 500 personas durante 7 años. En
1927 Hermann Hollerith fundaría IBM (Internacional Bussiness Machine).
Ya en el siglo XX se pensó en usar el sistema binario en lugar del sistema
decimal. Así Honrad Zuse presenta en 1941 la Zuse 3, siendo la primera
máquina basada en cálculo binaria aunque no llegó a funcionar correctamente.
La II Guerra Mundial supuso un avance en la informática, así mientras los
alemanes usaban su máquina Enigma para cifrar mensajes, los aliados
diseñaron Colossus para descifrarlos.
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Terminada la guerra, se presenta el primer ordenador propiamente dicho, el
ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculador), desarrollado en la
Universidad de Pensilvania, Sus dimensiones eran de 140 metros cuadrados y
30 toneladas. Se inicia así la Primera Generación de ordenadores basada en
las válvulas electrónicas.
La vida de estas válvulas era muy corta y el mantenimiento de los ordenadores
muy costoso.
En 1947, J. Bardeen, W. Sockley y W. Brattain reciben el premio Nobel de
Física por la invención del transistor. Este era un dispositivo formado por
material semiconductor (germanio o silicio) que amplifica y conmuta la corriente
eléctrica. Ocupan mucho menos espacio que las válvulas y son mucho más
rápidos. Surge así la Segunda Generación de ordenadores. Vemos en la
siguiente imagen el primer transistor.
En 1959, J. Kilby fabrica el primer circuito integrado o chip con el que gana el
premio Nobel. Este consistía en la fabricación de varios transistores fabricados
en el mismo sustrato, esta miniaturización da paso a la Tercera Generación de
ordenadores. En 1965 IBM saca al mercado el primer ordenador de tercera
generación, el IBM 360, introduciéndose el término de compatibilidad, ya que
todas las máquinas de la serie pueden ejecutar los mismos programas.
La Cuarta Generación surge en 1971 al fabricarse el primer
microprocesador, el 4004 de Intel, llevando la miniaturización a alcanzar cotas
más altas.
A partir de este momento surgen muchas empresas de hardware y software
como Apple Computer en 1977, fundada por S. Wozniack y S. Jobs, cuyo
interés era la fabricación de ordenadores de uso personal, mientras que IBM se
dedicaba a fabricar ordenadores con grandes unidades de memoria para
aplicaciones de grandes empresas. Al ver el éxito de Apple, IBM se lanzó al
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mercado de los equipos personales o de oficina y en 1981 lanza el primer PC
(Personal Computer) con un procesador Intel 8086, siendo Microsoft la
encargada de crear un sistema operativo que mediante instrucciones cortas y
sencillas permitiera manejar un ordenador, surgiendo así el sistema operativo
MS-DOS.
Como respuesta a la aparición del PC de IBM, Apple lanza en 1984 su modelo
Macintosh que incorpora por primera vez una interfaz gráfica, facilitando su
uso.
Las compañías siguieron desarrollando microprocesadores más pequeños y
rápidos 8088, 80286, 80386, Pentium I, II…
En 1990, el entorno gráfico Windows de Microsoft va a ser el soporte básico de
los ordenadores hasta nuestros días en sus distintas versiones.
Se puede decir que en nuestros días estamos inmersos en una Quinta
Generación en la que se buscan nuevas tecnologías y arquitecturas, la
utilización del lenguaje natural como medio de comunicación con el ordenador
y la Inteligencia Artificial, en la que los sistemas informáticos son capaces de
aprender por sí mismos.
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2.- Hardware en los sistemas informáticos.
Las operaciones necesarias para cualquier tarea se denominan algoritmo. Las
máquinas capaces de ejecutar algoritmos van a ser de 2 tipos:
•
De lógica cableada, en la que los algoritmos están instalados
físicamente en su interior mediante el cableado de sus circuitos, siendo
un ejemplo de estas máquinas las calculadoras.
•
De lógica programada, también llamadas computadoras u ordenadores
que disponen de una serie de algoritmos elementales que se asocian
para crear otros más complejos, admitiendo la “programación” de
nuevas operaciones mediante los lenguajes de programación.
El ordenador es una máquina compuesta de elementos físicos, en su mayoría
de tipo electrónico que realizan gran variedad de operaciones con la
información dada a gran velocidad y con gran precisión. Básicamente realiza
operaciones aritméticas, lógicas, de almacenamiento y recuperación de datos y
de adquisición y muestra de información.
Todo sistema informático está formado por 2 partes diferenciadas:
•
Hardware, constituido por los elementos físicos del ordenador.
•
Software, que es el conjunto de elementos lógicos necesarios para que
el ordenador realice las funciones que se le encargan, es el encargado
de indicar al hardware cómo deben realizarse las instrucciones que
permiten llevar a cabo una determinada tarea.
Según su tamaño y potencia, los sistemas informáticos se pueden clasificar en:
•
Grandes ordenadores (mainframes), de alta capacidad de procesado y
velocidad, frecuentemente usados en grandes centros informáticos de
entidades bancarias o fábricas.
•
Miniordenadores, de menor potencia y velocidad.
•
Estaciones de trabajo (workstations), de pequeñas dimensiones pero
con gran capacidad de memoria y con prestaciones similares a los
miniordenadores pero orientados a un solo usuario.
•
Ordenadores personales o PC, de pequeñas dimensiones y de propósito
general, siendo más sencillos que el resto de ordenadores.
Todos los dispositivos electrónicos usan tecnología binaria en la que la
información se codifica en unos y ceros, siendo la mínima cantidad de
información el bit, que se agrupa en octetos (bytes).
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Volviendo al hardware, se puede decir que el ordenador está compuesto por
los siguientes elementos:
•
Unidad de sistema: así se conoce a la caja que contiene a los elementos
básicos del ordenador. En su interior se encuentran:
o La placa madre o placa base, con los elementos básicos del
equipo.
o Las unidades de disco o almacenamiento de información.
o Las tarjetas de expansión para conectar tarjetas gráficas, de
sonido, módem interno, etc…
o La fuente de alimentación que transforma la tensión de red en
una corriente continua que va desde 5 a 12 voltios para alimentar
a los diferentes dispositivos de la unidad.
•
Periféricos de entrada, que permiten introducir información al ordenador
desde el exterior mediante teclado, ratón, escáner, etc…
•
Periféricos de salida mediante los que se proporciona al usuario la
información ya procesada.
•
Periféricos de
indistintamente.
entrada/salida
que
permiten
ambas
acciones
Pasamos ahora a ver cada una de estas partes:
Elementos de la unidad de sistema.
La placa madre o placa base como hemos dicho antes es una gran tarjeta con
circuitos impresos que actúa como plataforma a la que se conectan los
dispositivos componentes del ordenador y comunica a todos ellos entre sí.
Contiene los siguientes elementos:
•
Unidad Central de Proceso (CPU).
•
Memoria principal.
•
Ranuras de expansión.
•
Buses.
•
Chipset.
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La Unidad Central de Proceso (CPU) es el componente más importante del
ordenador, su función es controlas y/o realizar todas las operaciones del
sistema. Tiene 2 partes bien diferenciadas:
•
Unidad de Control (CU): se encarga de traducir en interpretar las
instrucciones así como de dirigir y controlas su ejecución. También dirige
el funcionamiento de los periféricos asociados al sistema implicado en el
desarrollo de cada operación.
•
Unidad Aritmético-Lógica (ALU): que realiza las operaciones aritméticas
y lógicas bajo la supervisión de la Unidad de Control.
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LA CU y ALU se fabrican en un único dispositivo electrónico (chip) conocido
como microprocesador. Este consiste en una fina lámina de silicio sobre la
que se han fabricado millones de transistores, está recubierto de una carcasa
de plástico que lo protege, dejando al exterior únicamente los terminales de
conexión con los que se fija a la placa madre. Se coloca en un zócalo especial
de la placa provisto de una palanca de sujeción y se le provee de un disipador
que haga que no se caliente en su funcionamiento.
La memoria principal o memoria central se encarga de almacenar las
instrucciones y los datos necesarios para que un determinado proceso pueda
ser realizado. Puede ser de dos tipos: memoria RAM y memoria ROM. Vemos
estos tipos a continuación.
La memoria RAM (Random Access Memory) permite almacenar de forma
temporal la información que el sistema está generando, su tamaño y las
características y tipo de memoria RAM determina el funcionamiento del
sistema. Para que la CPU pueda procesar la información, ésta debe de estar
disponible en un lugar desde el que la CU pueda tomarla rápidamente. La
misión de la RAM consiste en tener preparados esos datos y las instrucciones.
Así cuando se va a usar un programa, el ordenador lo copia en la RAM, la CPU
lee paso a paso las instrucciones y los datos de dicho programa y lo ejecuta.
LA RAM almacena temporalmente los resultados que va obteniendo en este
procesado.
Este tipo de memoria es volátil, es decir, su contenido se borra cuando el
equipo se apaga. Si se quiere almacenar la información durante un tiempo
indefinido será necesario almacenarla en otro dispositivo. Esta memoria se
puede ver como un conjunto de casilleros denominados posiciones de memoria
en los que se escriben y leen datos. El tiempo de realización de estas
operaciones es muy breve, del orden de los nanosegundos, siendo
imprescindible que este sea lo menor posible para un funcionamiento más
rápido.
Se dice que la RAM es una memoria de acceso aleatorio, esto quiere decir que
a cada una de sus posiciones de memoria se accede de forma directa
conociendo su dirección con independencia de las demás. Cada posición
almacena un byte de información, por lo que será necesaria una gran cantidad
de memoria para almacenar las instrucciones y datos de un programa.
La memoria RAM se puede fabricar como un chip soldado a la placa madre,
aunque lo habitual es que sean tarjetas alargadas que se conectan a las
ranuelas dispuestas para tal fin en la placa base. Algunos tipos de memoria
RAM, en cuanto a número de contactos, pueden ser las memorias SIMM
(Single In-line Memory Module) de 30 o 72 contactos que permiten buses de 8
y 32 bits respectivamente o las más recientes memorias DIMM (Double In-line
Memory Module) de 168 contactos y que permiten buses de 64 bits.
En cuanto a tecnologías, las memorias que surgieron en los 80 conocidas
como DRAM (Dynamic RAM) eran muy lentas ya que necesitaban un refresco
constante de los datos aunque eran muy baratas. A continuación, junto con la
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tecnología Pentium I surgieron las FPM-RAM (Fast Page Mode RAM) con las
que se leían varios datos a la vez, agilizando el proceso. En el 95 se
empezaron a usar las memorias EDO DRAM que mientras leía un dato podía
escribir otro. Llegamos en la actualidad a otras memorias que pueden hacer 2
transferencias por ciclo de reloj, siendo este un campo en el que se están
consiguiendo muchos avances.
Un tipo de memoria particular es la memoria caché, que es mucho más rápida
que la memoria RAM convencional aunque mucho más cara. El problema que
tenía la RAM es que necesita un cierto refresco de los datos al estar constituida
por condensadores que se descargan con el tiempo, ralentizando con ello las
operaciones de lectura y escritura. La memoria caché tiene unos tiempos de
acceso mucho menores que las memorias RAM típicas, y en ella se almacenan
las instrucciones y datos que se utilizan con más frecuencia. La memoria caché
se encuentra en la placa madre entre el microprocesador y la RAM.
La memoria ROM (Read Only Memory) es una memoria únicamente de
lectura, al contrario que la RAM que es de lectura y escritura. El fabricante
graba información del sistema que no se pierde al apagar el equipo. Suele
estar constituida por un único chip soldado directamente a la placa base.
La ROM contiene la BIOS (Basic Input/Output System), que es el software
necesario para la puesta en marcha del ordenador, ya que contiene los
programas esenciales para controlar las operaciones de entrada y salida de
datos así como datos técnicos de los distintos componentes conectados al
ordenador. Cuando el ordenador se arranca, la BIOS chequea los
componentes durante el POST (Power On Self Test) en el siguiente orden:
microprocesador, buses, reloj del sistema, memoria RAM, teclado y unidades
de disco.
A continuación, la información obtenida se compara con la almacenada en la
RAM-CMOS, que contiene información sobre recursos del sistema que pueden
ser modificados como el disco duro. La RAM-CMOS es una pequeña cantidad
de memoria que guarda información acerca de la configuración del ordenador,
es del tipo RAM por lo que al apagar el equipo se perdería, por lo que se
necesita una pequeña pila de botón que mantiene esa información. La BIOS
detecta cualquier cambio en la configuración del sistema al realizar esta
comparación. Si el resultado del chequeo es correcto, se carga el sistema
operativo, en caso contrario se emite un mensaje de error informativo.
En cualquier caso, una memoria se asemeja a una matriz de celdas a las que
se asocian 2 informaciones: la dirección o situación de la celda y el contenido
o dato presente en la celda. Un conjunto de celdas formarán un dato o palabra
binaria, de forma que si un procesador utiliza códigos de 8, 16 ó 32 bits para
indicar el valor de un dato, se formarán memorias cuyo ancho sea igual al
utilizado por el microprocesador, es decir, de 1, 2 ó 3 bytes respectivamente.
De esta forma, se conectará directamente el bus de datos del microprocesador
a dicha memoria.
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Por otra parte, la situación espacial de un dato en la memoria se define por
medio del direccionamiento. La cantidad de datos o palabras binarias que se
pueden almacenar en la memoria disponible de un microprocesador equivaldrá
a la longitud de la memoria. Así para definir la capacidad de una memoria se
utiliza el sistema binario de la siguiente forma:
CAPACIDAD
1Kb
1Mb
1Gb
1Tb
Nº Palabras binarias almacenables
210 bytes= 1024 bytes
220 bytes= 1.048.576 bytes
230 bytes= 1.073.741.824 bytes
240 bytes= 1,099511*1012 bytes
Obsérvese que la cantidad de líneas en un bus de direcciones que hacen falta
para acceder a todas las direcciones de una memoria crece según el
exponente binario que define su capacidad. Así, viendo la tabla de arriba, para
acceder a una memoria de 1Kb serán necesarias 10 líneas de dirección como
vemos en la primera fila de la tabla. Para el caso de una memoria de 1Mb van
a ser necesarias 20 líneas, y así sucesivamente.
Dado que la utilización del sistema binario puede resultar muy engorrosa, se
suele utilizar para la definición de una línea de dirección el sistema
hexadecimal. Por lo tanto, para acceder a una posición cualquiera en una
memoria de 1Kb, se ofrecerá en el bus de direcciones un número hexadecimal
entre un valor con todos los bits a 0 y un valor con todos los bits a 1. Así, el
valor hexadecimal 3FF indicará el valor de la posición 1024 en la memoria. De
la misma forma, en una memoria de 1Mb, se podrá acceder a la primera
dirección (0 en hexadecimal) hasta la última (1111.1111.1111.1111.1111 en
binario y FFFFF en hexadecimal), con lo que se tendrán que utilizar 20 líneas
para poder acceder a cualquier dirección.
Las ranuras de expansión son unos zócalos alargados situados en la placa
madre en la que se introducen las tarjetas de expansión, que permiten conectar
diferentes periféricos exteriores del ordenador como pueden ser la tarjeta de
sonido, la tarjeta de vídeo o las controladoras de disco). Algunos de estos
dispositivos aparecen instalados directamente sobre la placa como puede ser
el caso de los controladores de disco duro y de las disqueteras e incluso las
tarjetas gráficas en los portátiles.
Existen diferentes tipos de ranuras de expansión, entre las que destacamos las
siguientes:
•
Ranuras ISA: son las más antiguas y lentas (8Mhz) pero son unas
prestaciones suficientes como para conectar tarjetas de sonido y
módem.
•
Ranuras IDE: a ellas se conectan dispositivos de almacenamiento como
discos duros, CD-ROM o DVD.
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•
Ranuras PCI: son las más habituales, constituyendo el tipo estándar
actual. Tienen una velocidad de 33Mhz y son adecuadas para casi todas
las aplicaciones.
•
Ranuras AGP: son las que mayores tasas de transferencia ofrecen,
siendo utilizadas para las tarjetas gráficas 3D.
El número y las características de las ranuras de expansión presentes en la
placa madre determinan el número y el tipo de dispositivos que podemos
conectar al ordenador.
Los buses son el conjunto de canales o líneas que comunican entre sí los
diferentes componentes del ordenador. Transportan información binaria en
forma de señales eléctricas (un bit por línea). El número de líneas de cada bus
se denomina ancho de bus y determina la cantidad de bits que se pueden
transmitir a la vez. El ancho de bus depende del tipo de microprocesador.
La velocidad real del proceso dependerá no solo del procesador sino también
de la velocidad de transferencia de la información a través de los buses y de la
capacidad de éstos.
Los buses se dividen en 5 tipos diferentes según las características de los
equipos o componentes a los que se conectan:
•
Bus de clase 0: son los propios de las conexiones internas en los
circuitos integrados o chips, con lo que son utilizados en exclusiva por
los fabricantes de los mismos.
•
Bus de clase 1: forman el conjunto de conexiones del microprocesador o
CPU. Esta se encarga de determinar la dirección del elemento del
sistema que debe de proporcionar o recibir la información (que puede
ser de la memoria o de los puertos de entrada o salida), para lo cual se
utiliza el bus de direcciones. Una vez elegido el receptor o transmisor,
se transfiere la información a través de otro conjunto de líneas
denominado bus de datos. Finalmente existe otro conjunto de líneas
por las que circulan señales auxiliares de control y sincronización que
forman el bus de control. En la siguiente figura se muestra un esquema
relativo a estos buses.
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•
Buses de clase 2 y 3: se utilizan para realizar las interconexiones entre
las placas de los módulos que componen el ordenador, siendo típicas
las conexiones entre la placa madre y las placas de expansión o tarjetas
controladoras de los dispositivos externos. Algunos ejemplos de buses
de este tipo son las tarjetas ISA o PCI, destinadas a las transmisiones
de microprocesadores de 32 ó 64 bits.
•
Bus de clase 4: mediante estos buses se conectan las placas de
expansión a cierto tipo de periféricos. Por ejemplo, los conectores
de las tarjetas confinadas en los slots de un ordenador personal
se acoplan a la impresora mediante el bus o conector paralelo
Centronics (que describiremos más adelante). También usan esta
clase de bus aquellos equipos de medida y laboratorio mediante
el bus IEEE 488 o las unidades externas de disco mediante el bus
SCSI.
•
Bus de clase 5: este tipo de buses también conecta periféricos a un
ordenador. Para ello, utiliza conexiones serie (serán vistas en un
apartado posterior) que permiten la conexión de equipos a grandes
distancias, llegando hasta los 1000 metros. Entre los más usados
destacan el bus RS-232-C y el USB, mediante los que se pueden
conectar periféricos como el ratón, el teclado o el escáner.
El chipset consiste en un conjunto de circuitos integrados (chips) que
implementan, controlan y coordinan las funciones de los buses y los
dispositivos que comunican (microprocesador, memoria, principal, tarjetas,…)
A continuación, después de conocer los elementos de la placa base, pasamos
a describir cómo se realiza el procesamiento de la información a través de los
mismos.
La Unidad de Control consta de los siguientes elementos:
•
Registro de instrucciones (RI): contiene la instrucción que se está
ejecutando en un momento determinado.
•
Contador (C) que almacena la dirección de memoria donde se encuentra
la siguiente instrucción a ejecutar.
•
Reloj: proporciona una secuencia de pulsos eléctricos a intervalos
constantes, que marcan los instantes en que han de comenzar los
distintos pasos que constituyen cada instrucción. El reloj determina la
velocidad de trabajo del ordenador ya que ésta depende de la frecuencia
de operación, es decir, del número de instrucciones que procesa por
segundo, midiéndose ésta en Hz.
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•
Decodificador (D): se encarga de analizar e interpretar la instrucción en
curso (que está en el RI), determinando las órdenes necesarias para su
ejecución.
•
Secuenciador (S): en base a la información suministrada por el
decodificador, genera la secuencia de órdenes elementales que,
sincronizadas con los impulsos del reloj, hacen que se vaya ejecutando
la instrucción que se encuentra cargada en el RI. En la práctica, el
conjunto decodificador-secuenciador constituye un único bloque.
Por otro lado, la ALU se compone de los siguientes elementos:
•
Banco de registros (BR): almacena temporalmente los datos que
intervienen en las operaciones que está realizando la ALU.
•
Circuitos operadores (CIROP): realizan las operaciones elementales
aritméticas y lógicas.
•
Registro de resultados (RR): en él se depositan los resultados que
proceden de los circuitos operadores.
El proceso se desarrolla de la siguiente forma:
1.- La CU recibe desde la RAM las instrucciones a través del bus de datos, de
forma que la instrucción en curso llega al RI.
2.- El decodificador se encarga de interpretarla para que la ALU pueda operar
con ella.
3.- El secuenciador genera la serie de órdenes elementales necesarias para
que se ejecute la instrucción, que es enviada a las ALU.
4.- La ALU realiza las operaciones indicadas y envía los resultados a la ALU
que los almacena en la RAM.
5.- El reloj sincroniza el sistema marcando los instantes en que ha de comenzar
cada nueva instrucción.
6.- El contador determina a través del bus de direcciones dónde se encuentra
la próxima instrucción. Cuando haya terminado de ejecutarse la instrucción en
curso, pasará al RI y se repetirá el proceso.
La arquitectura clásica de un sistema informático se basa en el propuesto por
Von Neumann en 1945, que aunque ha sufrido diversas modificaciones,
todavía es la arquitectura en la que se basan los sistemas actuales. Esta
arquitectura se representa a continuación y sirve de esquema para la
comprensión de los pasos explicados anteriormente para el procesamiento de
la información.
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A continuación pasamos a ver las unidades de almacenamiento. Hemos dicho
que la Cpu recoge información de la RAM y una vez procesada envía de nuevo
el resultado a la misma pero como ya hemos dicho, la memoria RAM es volátil
y por ello vamos a necesitar de algún tipo de almacenamiento que permita
guardar la información durante el tiempo que lo necesitemos, de forma que
pueda ser recuperada cuando la vayamos a usar. Esa labor es realizada por
los dispositivos de almacenamiento, que pueden recibir el nombre de
memoria auxiliar o secundaria. Estos dispositivos pueden ser de varios tipos
según la tecnología usada para grabar la información:
•
Dispositivos magnéticos: en los que la información se graba en un
soporte magnético. Ejemplos de este tipo son el disco duro y el disquete.
•
Dispositivos ópticos: que utilizan tecnología óptica para grabar la
información como sucede en los CD-ROM o los DVD.
•
Dispositivos de memoria flash: en los últimos años han aparecido
memorias basadas en memoria ROM eléctricamente borrables,
programables y reescribibles (EEPROM) que mediante transistores
guardan la información, por lo que esta no se pierde como sucede en las
memorias RAM. De este tipo de memoria son las tarjetas fotográficas
como las SD, Memory Stick, Compact Flash, etc.
Vemos a continuación algunos de ellos.
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Los discos flexibles, también denominados disquetes o floppy disks son
manipulados por la disquetera. Están formados por una lámina de plástico
recubierta por ambos lados con una capa de material magnético cuyo estado
de imantación puede ser modificado por la acción de un campo magnético,
consiguiendo así grabar información. Los bits de datos se almacenan y se
detectan mediante cambios en la orientación de las partículas magnéticas. Este
disco está protegido por una carcasa de plástico rígido con un núcleo metálico
que se usa para hacerlo girar; la carcasa además dispone de una ventana que
permite el acceso a los cabezales lectores al disco. En un lateral hay una
pequeña abertura para proteger el disco contra la escritura. Existen varios tipos
pero los más frecuentes son los de 3 pulgadas y media. Los denominados
discos de alta densidad (HD) tienen una capacidad de 1,44Mb. También
existen discos de 2,88Mb. Su uso está ya poco extendido.
La información almacenada se distribuye en sentido circular a lo largo de pistas
concéntricas.
La unidad de disco flexible o disquetera suele situarse en la caja de la unidad
de sistema y dispone de dos cabezales dotados de unos transductores
electromagnéticos que leen y escriben en las 2 caras del disco. Un motor hace
girar el disco para ir desplazando la superficie bajo los cabezales.
Los discos duros o hard disks son discos fijos formados por un conjunto de
discos de metal recubiertos de un material magnético. Se disponen apilados
unos sobre otros en un eje común y dentro de una caja rígida que suele estar
montada en el interior de la caja de la unidad de sistema aunque en la
actualidad existen unidades portátiles de este tipo. Entre los discos se sitúan
las cabezas de lectura y escritura de forma que se puede leer y escribir en las
dos caras del disco. La distribución de la información en pistas es similar a la
de los discos flexibles. La capacidad de un disco duro va a depender del
número de discos de que disponga y de la densidad (número de pistas que
puede escribir en cada superficie) del disco. Permiten almacenar gran
capacidad de información, llegándose en la actualidad a los Terabytes.
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Otro dispositivo de almacenamiento de tipo magnético son las cintas
magnéticas que son capaces de almacenar gran cantidad de información en
cartuchos similares a los de las cintas musicales, de forma que se configuran
como medios de acceso secuencial de datos, es decir, para acceder a la
información grabada en cierto punto es necesario pasar por toda la información
anterior. Presentan una gran capacidad de almacenamiento y suelen usarse
para realizar copias de seguridad (backup) en grandes sistemas.
Pasamos ahora a comentar los dispositivos de almacenamiento óptico. El
primer dispositivo que vemos es el CD-ROM (Compact Disc Read Only
Memory), de funcionamiento análogo a un CD musical. Este disco está formado
por un conjunto de hendiduras o surcos de tamaño microscópico llamadas pit,
mientras que la superficie entre dos hendiduras se denomina land y se
corresponderían con los valores binarios 0 y 1 respectivamente. La información
se graba mediante un láser que recorre la superficie del disco, quemando su
superficie para crear las hendiduras que almacenarán la información. La
información del CD-ROM se almacena en una única pista en forma de espiral
que comienza desde el centro del disco y termina en el borde exterior. Para
que un ordenador lea la información contenida en él, debe estar dotado de una
unidad lectora de CD-ROM, que también permite reproducir CD de audio. Una
vez en el interior de la unidad, un motor hace girar al disco mientras un haz
láser recorre la superficie del mismo. El láser se refleja en la superficie del
disco y es captado por un receptor fotosensible. Cuando el rayo incide sobre
alguna de las hendiduras, el ángulo de reflexión varía y solo una pequeña parte
de la radiación alcanza el receptor, que es así capaz de identificar la presencia
de los pits y lands. De esta forma se lee la información de la superficie del
disco y posteriormente se convierte en datos digitales. Un CD convencional es
capaz de almacenar unos 700Mb. Su alta capacidad los hace aptos para
aplicaciones multimedia.
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La evolución de los CD-ROM trajo consigo 2 variedades de dispositivos
grabables a nivel de usuario, siendo estos de dos tipos:
•
CD-R (CD Recordable) que permite grabar información una sola vez, de
forma que esta ya no puede ser modificada. Los CD-R tienen una
estructura muy similar a los CD-ROM, pero en lugar de tener hendiduras
grabadas, los datos se almacenan quemando una pequeña capa de
colorante orgánico que recubre el disco. Para grabar los datos, un
potente rayo láser, que genera temperaturas de hasta 300ºC, crea un
hueco en la capa de colorante. Como estos cambios en el colorante
reflejan menos luz son interpretados como ceros y cuando no hay surcos
se registra el valor de uno. En los CD-R los cambios en la capa de
grabación son irreversibles, por ello, sólo se puede escribir una vez pero
puede leerse en múltiples ocasiones.
•
CD-RW (CD Rewritable): en ellos se puede grabar y guardar información
tantas veces como se desee de forma análoga a los disquetes. Utilizan
una tecnología distinta a la de los CD-R. En lugar de emplear una capa
de colorante, poseen una fina capa de aleación de plata, indio, antimonio
y telurio que tiene la capacidad de cambiar su reflexibilidad. Si se hace
incidir sobre ella un láser de menor temperatura, es posible reestablecer
el estado de reflexibilidad original y por tanto, puede ser reescrita. La
grabación de un CD es una operación compleja y es necesario disponer
de una unidad grabadora de CD junto con el software adecuado.
Otro dispositivo de almacenamiento óptico es el DVD (Digital Versatile Disc),
que es semejante a los CD-ROM aunque el tamaño de las pistas y de los pits
es más pequeño por lo que pueden almacenar más información. Frente a los
700 u 800Mb de un CD, un DVD puede almacenar incluso 17,1Gb en el caso
del formato DVD-18. Este es un DVD que tiene las 2 caras grabables y doble
capa en cada una de ellas, es decir, tiene dos superficies grabables en cada
una de las caras. Una primera semitransparente en la que se graban y leen
datos. Cuando se ha acabado de leer o escribir en esta capa, el láser “salta” a
la capa inferior para seguir con el proceso.
Actualmente el DVD está siendo sustituido por el Blu-Ray Disc (que desbancó
al HD-DVD en 2008). El Blu-Ray, como su nombre indica, usa para grabar los
datos un láser de color azul, cuyo haz es más estrecho que el de los DVD
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convencionales, de color rojo, así puede grabar más información en cada una
de las capas, llegándose a 33,4Gb por capa.
Periféricos de entrada
Estos dispositivos permiten introducir información en el ordenador desde el
exterior. Los más representativos son los siguientes:
•
Teclado: es el medio principal de introducción de datos en el ordenador.
El teclado incluye un microcontrolador, que es un dispositivo electrónico
semejante a un pequeño microprocesador. Cuando se pulsa una tecla
se envía una señal eléctrica predefinida al microcontrolador, que
identifica la señal y la envía al controlador del teclado, situado en la
placa base. Existen varios tipos de teclados, entre los que destaca el
teclado expandido, que dispone de 102 teclas. Estas teclas presentan
una disposición similar a la de una máquina de escribir convencional,
además de cierto número de teclas específicas.
•
Ratón: está formado por una carcasa de plástico con dos o tres botones
que al ser pulsados desencadenan diversas acciones. Cuando el ratón
está funcionando aparece en la pantalla un indicador o cursos que se
desplaza cuando se mueve el ratón. Hay varios tipos de ratones, pueden
ser alámbricos o inalámbricos (como sucede también con el teclado) y
pueden transmitir la información óptimamente o mecánicamente
mediante una bola en la base. Los movimientos del ratón se convertirán
en impulsos eléctricos que pueden ser interpretados por el ordenador y
convertidos en coordenadas en la pantalla. Los botones permiten
realizar operaciones concretas en función del programa que se esté
usando, incluso permiten la programación de estas funciones. Las
formas de actuación del ratón son de tres tipos:
o Pulsación simple (clic) de un botón cuando el indicador se halla
en alguna posición concreta de la pantalla. Normalmente activa
órdenes u opciones.
o Pulsación doble (doble clic) de un botón, es decir, soltar y pulsar
dos veces seguidas, separadas por un corto intervalo de tiempo.
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o Arrastre, consistente en mantener pulsado un botón del ratón
mientras se desplaza éste. Se utiliza para desplazar objetos
virtuales sobre la pantalla.
•
Joystick: consiste en una palanca que se puede inclinar según un eje
vertical. La cantidad de inclinación en cada dirección y la combinación
de ambas determina algún tipo de desplazamiento o giro en los objetos
virtuales representados en la pantalla. Puede poseer teclas de control.
Este dispositivo se usa para controlar el funcionamiento de máquinas y
robots industriales, aunque su mayor difusión es para el control de
juegos de ordenador, tarea que también lleva a cabo otro dispositivo de
entrada denominado gamepad o mando.
•
Micrófono: permite introducir datos de tipo sonoro en el ordenador. Su
funcionamiento es semejante al de los micrófonos tradicionales que
convierten el sonido en señales eléctricas. El funcionamiento es
controlado por la tarjeta de sonido que también se encarga de controlar
la reproducción de sonidos en el ordenador. Esta tarjeta digitaliza la
señal obtenida a partir del micrófono para que pueda ser entendida por
el ordenador.
•
Escáner: este dispositivo permite obtener una imagen digital a partir de
puntos de cualquier documento o fotografía. Su aspecto es similar al de
la parte superior de una fotocopiadora: bajo una tapa abatible hay una
ventana de cristal sobre la cual ponemos el original que deseamos
escanear, con la cara que nos interesa hacia abajo. Una fuente de luz va
iluminando línea a línea la imagen original y tras ser reflejada en ella es
recogida por un dispositivo CCD (Charge Couple Device) que convierte
las señales luminosas en impulsos eléctricos. El CCD es un chip
sensible a la luz encargado de capturar la imagen. Tiene una estructura
reticular en forma de celdas; cada una de ellas es un elemento
fotosensible que adquiere más o menos carga eléctrica según la luz
incidente y genera una señal eléctrica que se digitaliza a continuación
por medio de un convertidor analógico/digital.
A medida que el haz de luz va recorriendo el original se va codificando la
imagen, de forma que el ordenador la almacena en su memoria y será
capaz de reconstruirla a partir de los datos recogidos, Posteriormente
podremos mostrarla en pantalla, imprimirla, etc. Muchos escáneres
disponen también del sistema OCR (Reconocimiento Óptico de
Caracteres) que permite que los caracteres no se introduzcan como
imágenes sino como texto y puedan ser modificados en un procesador
de texto.
•
Otros dispositivos de entrada que podemos recordar son las
fotocopiadoras y las impresoras multifunción que recogen en un solo
aparato las funciones de impresora, fotocopiadora y escáner.
Periféricos de salida
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Estos dispositivos recogen y proporcionan al exterior la información de salida
después de ser procesada por el ordenador. Destacan los siguientes:
•
Monitor: es el medio principal de comunicación del ordenador con el
usuario. Permite visualizar el resultado de la información procesada y
además muestra mensajes y opciones de los programas. Los más
habituales son los monitores de rayos catódicos CRT cuyo
funcionamiento es semejante al de un televisor. Dispone de un tubo de
rayos catódicos que envía 3 haces de electrones hacia la pantalla que
se encuentra recubierta en su interior por un material fluorescente, de
forma que emite luz cuando los haces de electrones caen sobre ella.
Cada punto de la pantalla que emite luz se denomina píxel. La imagen
se forma píxel a píxel, pero el proceso es tan rápido que siempre se ven
imágenes completas. Para recorrer toda la pantalla los haces de
electrones efectúan un barrido horizontal (para cubrir las líneas
horizontales de la pantalla) y un barrido vertical (que va desplazando los
haces línea a línea). Al terminar un barrido vertical completo, se vuelve a
empezar por la primera línea.
Los tres haces de electrones se corresponden con los tres colores
básicos (azul, verde y rojo) y los diferentes colores se forman mediante
la mezcla de estos tres con mayor o menor intensidad.
La resolución del monitor depende del número de píxeles; se calcula
multiplicando el número de líneas por el número de píxeles en cada
línea. Según su resolución podemos considerar los siguientes tipos de
monitores:
o VGA: 640 x 480 con 16 colores.
o SVGA: 899 x 600 con 256 colores.
o XVGA: 1024 x 768 con 65.536 colores.
o En la actualidad se trabaja con monitores con resolución 1280 x
1024 y 16,7 millones de colores.
El monitor dispone de varios controles que permiten mover la imagen,
cambiarla de tamaño y variar su brillo y contraste. Un tipo especial de
monitor es el de los portátiles, denominado monitor LCD (Liquid Crystal
Display). Estas pantallas tienen dos placas de cristal con cristales
líquidos en el medio. El cristal líquido es una materia orgánica
transparente que al recibir un impulso eléctrico se vuelve opaca
impidiendo que pase la luz. Estos cristales no emiten rayos luminosos
sino que simplemente dejan pasar o bloquean la luz de una pantalla
trasera. Los tres colores básicos se añaden a la luz mediante unos filtros
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coloreados situados entre la pantalla emisora y los cristales líquidos.
Este tipo de monitores consume poca energía y despiden poca luz.
Las imágenes que se forman en el monitor son controladas por la tarjeta
gráfica. Esta tarjeta transforma la información digital que le proporciona
la CPU en una señal eléctrica analógica que es enviada al monitor. La
tarjeta gráfica suele estar conectada en una de las ranuras de expansión
pero también puede estar integrada en la placa base. Dispone de un
microprocesador y una memoria denominada VRAM. La calidad de la
imagen depende tanto de la resolución del monitor como de la tarjeta
gráfica.
•
Impresora: permite obtener información impresa en un soporte físico
como puede ser el papel. Dependiendo de su tecnología, las impresoras
se pueden clasificar en:
o Matriciales: tienen un cabezal con agujas (de 9 a 24) que al
golpear una cinta impregnada en tinta, escriben puntos sobre el
papel; la combinación de estos puntos forman los diferentes
caracteres. La calidad de la impresión depende del número de
agujas. Son ruidosas y lentas pero son las más económicas.
Solamente imprimen en blanco y negro. Se utilizan cuando no se
necesita mucha calidad en la impresión, aunque están cayendo
en desuso.
o De inyección: también conocidas como impresoras de chorro de
tinta. Los caracteres se forman proyectando gotas de tinta,
procedente de un depósito o cartucho sobre el papel a través de
unos pequeños inyectores. Producen impresiones de calidad
media pero son algo lentas. Pueden imprimir en blanco y negro o
en color. Son las más empleadas por su buena relación
calidad/precio.
o Térmica: se transfiere calor a un papel termosensible para realizar
la imagen.
o Láser: utilizan un mecanismo de serigrafía semejante al de las
fotocopiadoras. Utilizan una fuente de luz producida por un láser
para cargar eléctricamente la superficie de un rodillo fotosensible;
a las partes cargadas de este rodillo se adhieren unas pequeñas
partículas de tinta sólida procedentes de un tóner que
posteriormente, al fundirse por aplicación de calor son
transferidas al papel. Pueden imprimir en blanco y negro y color.
Produce impresiones de alta calidad y son las más rápidas pero
también las más caras.
•
Plotter: se trata de un dispositivo que se utiliza en las aplicaciones de
diseño asistido por ordenador (CAD). Está constituido por un brazo
robótico que actúa bajo las órdenes de un ordenador. En el extremo del
brazo hay una pluma que va moviéndose sobre el papel según una
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cierta dirección, mientras que el papel se desplaza en otra. Permite
imprimir planos, mapas, dibujos técnicos, etc. Puede utilizar papel de
grandes dimensiones y presenta una mayor calidad de dibujo.
•
Altavoces: permiten la emisión de sonidos procedentes del ordenador.
Su funcionamiento es controlado mediante la tarjeta de sonido. Esta
tarjeta convierte los datos digitales en impulsos eléctricos que envía a
los altavoces. También permite la reproducción de CD musicales. La
calidad del sonido depende de la frecuencia de muestreo de los datos y
del número de bits de cada muestreo (por ejemplo, la calidad de un CD
de audio es de 44Khn y 16 bits).
Periféricos de entrada/salida
Estos dispositivos permiten tanto la introducción como la salida de datos del
ordenador. Entre los dispositivos existentes podemos citar las pantallas táctiles
que muestran información a la vez que sirven para la introducción de datos e
instrucciones en el ordenador y el módem (modulador-demodulador) del que
vamos a hablar más en profundidad.
El módem se usa para enviar o recibir información a través de una línea
telefónica, lo que permite comunicar entre sí 2 o más ordenadores separados
físicamente, e incluso a gran distancia. De esta forma puede intercambiarse
información entre los ordenadores conectados, permitiendo también el acceso
a la red Internet.
El ordenador procesa la información codificada en binario y por tanto, envía
señales digitales a sus dispositivos. Sin embargo la línea telefónica solamente
transporta señales analógicas en forma de ondas eléctricas. El módem se
encarga de transformar un tipo de señales en otras, a través de los procesos
de modulación y demodulación:
•
Modulación: transforma las señales digitales proporcionadas por le
ordenador en señales analógicas y las envía a través de la línea
telefónica.
•
Demodulación: recibe señales analógicas de la línea y las transforma en
digitales de modo que pueda entenderlas y procesarlas.
El módem puede ser interno al ordenador, es decir, se conecta directamente en
una ranura de expansión de la placa base, o bien externo. La velocidad del
módem se expresa en bps (bits por segundo) y representa la rapidez con la
que puede mandar y recibir información.
Todos los periféricos exteriores al ordenador se conectan a través de unos
conectores especiales situados en la caja de la unidad del sistema,
denominados puertos de comunicación. Se encuentran situados en las
tarjetas de expansión que a su vez se conectan a la placa madre a través de
las ranuras de expansión.
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Existen 2 tipos de puertos:
•
Puertos serie: suelen usar un conector tipo RS-232C formado por varias
filas de pines como se puede ver en la siguiente imagen:
Utilizan una única línea, enviando un bit tras otro y al llegar al dispositivo
se van configurando los datos distribuyendo los bits de forma adecuada;
esto hace que transfieran información de forma lenta, por lo que se usan
para conectar el ratón y otros dispositivos que no necesitan transmitir
mucha información a la vez. Se identifican con las siglas COM.
El módem también se conecta en puertos serie, a través de un tipo de
conector particular, debido a que la línea telefónica presenta limitaciones
en cuanto a transferencia de información similares a las de estos tipos
de puertos.
Los puertos denominados PS/2 a los que se conectan teclados y
ratones, que están cayendo en desuso, y que podemos encontrar en las
partes traseras de las unidades en color verde y morado (como se ve en
la figura), son otro tipo de conectores serie.
Un tipo particular de conexión serie cada vez más extendidos es la USB
(Universal Serie Bus) que permite mayores velocidades de transferencia,
llegando en la actualidad a 480Mbps.
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•
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Puertos paralelos: suelen utilizar un conector tipo Centronics, formados
por varias filas de agujeros. Permite una mayor velocidad ya que se
envían los bits que configuran la palabra al mismo tiempo a través de
varios canales. Se suelen emplear en impresoras, escáners, etc. Se
identifican con las siglas LPT.
A pesar de ser más rápidos, tienen la desventaja de que al disponer de
varios canales paralelos se pueden producir interferencias entre ellos y
son menos fiables a medida que aumenta la distancia del dispositivo.
Después de realizar la instalación física del periférico, es necesario que el
sistema reconozca los componentes que tiene instalados. Esto se realiza
mediante un tipo particular de software, denominado programa controlador o
driver, que suele ser proporcionado por el fabricante.
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