Unidad Sistemas Computacionales



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Figura 3 Componentes dentro de una computadora

A. Tarjeta Principal (Motherboard)

Proporciona los sockets para el microprocesador y los chips de memoria, ranuras para las tarjetas de circuitos, y los circuitos que permiten que las señales eléctricas viajen de componente a componente. La mayoría de los componentes de hardware dentro de la unidad del sistema están ligados a la tarjeta principal.

B. Fuente de Poder

Proporciona poder eléctrico al sistema computacional.

C. Microprocesador

Procesa las instrucciones almacenadas en la memoria principal. Algunas veces, el microprocesador se encuentra bajo un abanico enfriador que previene que éste se sobrecaliente.

D. Ranura de Expansión

Funciona como un socket en la tarjeta principal sobre la cual se podría insertar una tarjeta de expansión.

E. Tarjeta de Expansión

Permite a la computadora controlar dispositivos periféricos como el monitor y el micrófono.

F. Conjunto de Chips (Chipset)

Controla el flujo de datos entre los componentes.

G. Cable de la Electrónica de Unidades de Disco Integradas (IDE -Integrated Drive Electronics)

Transfiere datos desde los dispositivos de almacenamiento a la tarjeta principal.

H. Unidades de Disco

Almacenan datos de manera permanente (aún cuando la computadora se encuentra apagada). Pueden incluir varias unidades como la unidad de disco flexible, CD-ROM/CD-RW , DVD-ROM/DVD+/-RW y la unidad de disco duro.

2.1 Procesador y Memoria

El procesador y la memoria son los componentes esenciales que permiten que una computadora pueda procesar comandos. El procesador ejecuta las instrucciones dadas a la computadora. Estas instrucciones se encuentran almacenadas en la memoria de la computadora. En esta sección, aprenderás cómo ejecuta instrucciones el procesador y los diferentes tipos de memoria con los que cuenta la computadora.



Secuencia de Lecturas:

  1. 2.1.1 Fundamentos de un Procesador. Objetivo de Aprendizaje: Obtener un conocimiento general de la forma en que trabaja un microprocesador en una computadora, y conocer los diferentes tipos de microprocesadores. Aprender acerca del desempeño de los microprocesadores y sobre las herramientas llamadas en inglés "benchmarks" que son pruebas usadas para comparar el desempeño de diferentes microprocesadores.

  2. Parsons/Oja, Capítulo 2-Sección B (páginas 65-73). Objetivo de Aprendizaje: Conocer la unidad central de procesamiento (conocida también como "CPU" o como "procesador") y los diferentes tipos de memoria de la computadora. El CPU ejecuta los programas desarrollando operaciones numéricas y lógicas. El CPU también controla la operación de la memoria de la computadora y los dispositivos periféricos.

  3. Parsons/Oja, Capítulo 2-Computadoras en contexto: Milicia o las actividades militares (páginas 106-107).

  4. 2.1.2 Tipos de Memoria. Objetivo de Aprendizaje: Conocer los diferentes tipos de memoria usados en una computadora.


  5. 2.1.3 Laboratorio: Benchmarking (Opcional). Objetivo de Aprendizaje: Obtener un entendimiento práctico del software y pruebas "benchmarking".


2.1.1 Fundamentos de un Procesador

  1. Procesador

  2. Ejecución de Instrucciones con el CPU

  3. Desempeño: Factores y Medidas

  4. Tipos de Procesadores

Procesador

Al procesador de una computadora comúnmente se le conoce como microprocesador, debido a su tamaño, que es aproximadamente del tamaño de la uña de tu dedo.





Figura 1 Chip de un microprocesador

Un microprocesador procesa todas las instrucciones dadas a la computadora (por ejemplo, sumar dos números, ejecutar las instrucciones de un programa, o imprimir documentos). Físicamente, el microprocesador es un chip conocido como un circuito integrado (IC). Cada chip está fabricado de silicón y contiene millones de transistores empacados en el chip.

El Procesador M Intel Pentium, introducido el 12 de Marzo de 2003, tiene 77 millones de transistores, y el ancho del cable más pequeño del chip es de 0.13 micrones, o 0.00000013 metros. Como referencia, 0.13 micrones es aproximadamente 1/800 del ancho de un cabello humano.

Al microprocesador se le conoce también como la Unidad Central de Procesamiento (CPU, por sus siglas en inglés). El trabajo de un microprocesador es ejecutar una serie de instrucciones de la máquina. Estas instrucciones son procedimientos para realizar una tarea, escrita en un formato que la computadora puede entender.



Ejecución de Instrucciones con el CPU

Las instrucciones se almacenan en la memoria RAM de la computadora (Memoria de Acceso Aleatorio, conocida en inglés como Random Access Memory), la cual será cubierta en la sección 2.1.2 Tipos de Memoria.

Existen dos componentes principales en el CPU. Uno es la unidad de control, que accede instrucciones almacenadas en la RAM, interpreta su significado, y luego las dirige al lugar apropiado. La otra es la Unidad Aritmética/Lógica (ALU) que desarrolla operaciones aritméticas (por ejemplo, suma, resta, multiplicación y división) y lógicas (por ejemplo, mayor que, menor que, igual que) requeridas para procesar las instrucciones.

Al ejecutar una instrucción, el CPU desarrolla cuatro pasos, que son llamados el ciclo de instrucción (fetch-execute-cycle). A continuación se muestran los cuatro pasos:

1. Extraer - La unidad de control obtiene la instrucción de la memoria.

2. Interpretar- La unidad de control decodifica el significado de la instrucción y mueve los datos necesarios de la memoria a la ALU.

3. Ejecutar- La unidad de control solicita a la ALU que desarrolle las operaciones aritméticas y lógicas necesarias.

4. Almacenar- El resultado del cálculo se guarda en la memoria.



El siguiente diagrama ilustra los pasos realizados por el CPU para ejecutar una instrucción que suma dos números. La instrucción es: Permite que R = X + Y.



Figura 2 Ciclo de Instrucción

Otro componente del microprocesador es la caché, una memoria especial de alta-velocidad que almacena los datos usados más recientemente, para acelerar el proceso de ejecución de instrucciones. La caché puede acelerar la recuperación de datos porque los datos usados más recientemente podrían sean usados de nuevo por la computadora.

La memoria caché de Nivel 1 (L1) o memoria caché principal se localiza en el CPU para proporcionarle el acceso más rápido a los datos. También existe una caché más lenta, la memoria caché de Nivel 2 (L2) o caché secundaria, localizada entre la RAM y el CPU (algunas veces en el CPU). Si los datos no pueden ser encontrados en alguna de las dos cachés, serán recuperados de la RAM. En relación a la distancia entre el CPU y las áreas de almacenamiento de los datos e instrucciones, los datos se recuperan más rápido de la caché L1, luego de la caché L2, y luego de la RAM.

La siguiente figura muestra cómo las partes de un microprocesador encajan dentro de los otros componentes de una computadora.





Figura 3 Vista de un microprocesador

Desempeño: Factores y Medidas

La tasa a la cual se procesan las instrucciones es controlada por un reloj interno, también conocido como el reloj del sistema. El reloj interno envía pulsos a una tasa fija para sincronizar todas las operaciones de la computadora. La unidad de medida para los ciclos por segundo es el hertz (Hz). Un Hz significa un ciclo por segundo, un kHz (kilohertz) significa mil ciclos por segundo, y un MHz, significa un millón de ciclos por segundo. Los ciclos del reloj de la computadora están muy relacionados con la ejecución de instrucciones. Por lo tanto, una máquina Pentium 4 a 3 GHz puede ejecutar más instrucciones por segundo que una máquina Pentium 4 a 2 GHz. Mientras más grande sea el número de hertz, más rápida será la velocidad de ejecución.

Debido a que los procesadores se han vuelto más rápidos y se ha incrementado la capacidad de almacenamiento, se ha vuelto factible desarrollar más tareas que antes. Por ejemplo, actualmente se puede realizar una revisión de ortografía casi instantánea cuando el usuario teclea una palabra, mientras que hace varios años esto no era práctico. Debido a los recursos limitados de procesamiento, los viejos procesadores no tenían la capacidad de verificar la ortografía mientras un usuario tecleaba.

Un ciclo de instrucción no necesariamente corresponde a la ejecución de un número fijo de instrucciones. En algunas ocasiones se necesitan dos ciclos o más para ejecutar una instrucción. Las computadoras actuales algunas veces ejecutan varias instrucciones en un solo ciclo. El número de instrucciones completadas es independiente del número de ciclos usados. Algunas veces las comparaciones entre computadoras se hacen basándose en el número de instrucciones por segundo (IPS) en lugar del tiempo de ciclo; ésta medida depende tanto del número de ciclos por segundo como de la mezcla de instrucciones. Una computadora que es rápida para hacer cálculos financieros puede ser más lenta para llevar a cabo aplicaciones gráficas debido a que la mezcla de instrucciones es diferente.

Las instrucciones pueden ser muy diferentes. Algunas instrucciones complejas requieren muchos ciclos y se toman comparativamente más tiempo en ser ejecutadas. Otras instrucciones pueden ser muy sencillas y ejecutarse en poco tiempo. Por ejemplo, una operación de división se toma más tiempo que una operación de suma. Aunque el método de IPS no es el mejor método para comparar, puede ser útil cuando se comparan chips similares.

Otra medida del desempeño de una computadora es su ancho de banda, que es el volumen de datos que pueden ser transmitidos en un tiempo fijo entre los componentes de un sistema computacional (como la velocidad de transferencia del disco a la tarjeta principal) o a través de conexiones a otras computadoras. El ancho de banda se expresa en bits por segundo (bps), o algunas veces bytes por segundo (Bps) (recuerda que 8 bits equivalen a 1 byte).

De cualquier forma, cuando se trata de máquinas diferentes, éstas deben compararse ejecutando un grupo estándar de instrucciones, con tiempos de ejecución cuidadosamente medidos y registrados. Esta es una forma más cuidadosa de medir el desempeño de una máquina, y es conocida como benchmarking– comparar sistemas o componentes diferentes a través de un conjunto estandarizado de instrucciones o serie de tareas. El benchmarking puede probar cualquier cosa, desde el procesador hasta la ejecución de aplicaciones de oficina. La comparación se mide por el tiempo que toma ejecutar estas instrucciones. Por ejemplo, Intel realiza un benchmarking con sus procesadores Pentium III basándose en el desempeño del procesador en una variedad de tareas, al igual que lo hace Advanced Micro Devices con sus procesadores. Puedes revisar los resultados del benchmark comparando los procesadores AMD e Intel.

En general, es una buena práctica preguntar qué pruebas o benchmarks se usan en el soporte al desempeño. Por ejemplo, un benchmark que pruebe la velocidad de gráficos puede ser irrelevante si los tipos de aplicaciones gráficas que utilizas son diferentes de aquellas usadas en la prueba. Es importante asegurar que las comparaciones o apoyos estén basadas en los mismos benchmarks. Los benchmarks realizados por organizaciones independientes e imparciales, son especialmente útiles.





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