Currículo: esta unidad cubre parte de los saberes básicos del Bloque B – Arquitectura de ordenadores y sistemas operativos (TICO.1.B.1.1, TICO.1.B.1.2, TICO.1.B.1.3, TICO.1.B.1.4, TICO.1.B.1.5 y TICO.1.B.1.6) correspondiente a 1º Bachillerato. Además, se evalúan los criterios que puedes encontrar al final de esta página.
Tabla de contenidos
- 3.1. Hardware y software. Sistemas propietarios y libres.
- 3.2. Arquitectura: concepto clásico y ley de Moore.
- 3.3. Unidad Central de Proceso. Unidad de control. Unidad aritmético-lógica.
- 3.4. Memoria principal y almacenamiento secundario.
- 3.5. Sistemas de entrada/salida.
- 3.6. Buses de comunicación: datos, control y direcciones.
En este tema, realizaremos un estudio integral de cómo están estructurados y cómo funcionan los ordenadores, lo cual es fundamental para comprender la base sobre la que se construyen todas las tecnologías informáticas modernas, desde los dispositivos móviles hasta los grandes servidores de datos.
3.1. Hardware y software. Sistemas propietarios y libres.
Comenzamos con el estudio de los dos pilares fundamentales de cualquier sistema informático: el hardware y el software. Estos elementos, aunque distintos, se entrelazan creando la sinergia necesaria para el funcionamiento de los ordenadores. Además, también abordaremos un tema muy importante en el mundo de la informática: la diferencia entre sistemas propietarios y libres, cada uno con sus propias características y filosofías.
3.1.1. La esencia del ordenador.
El ordenador, tal como lo conocemos, se sostiene sobre dos columnas: el hardware y el software.
El hardware es el esqueleto y los músculos del sistema, incluyendo componentes tangibles como el procesador, la memoria RAM, el disco duro y la placa base. Estos componentes son los que permiten que el ordenador tenga una presencia física y realice tareas físicas; por ejemplo, el procesador ejecuta operaciones, mientras que la memoria RAM almacena datos de forma temporal.
En contraste, el software es el alma del sistema. Compuesto por programas y sistemas operativos, el software dicta al hardware qué hacer y cómo hacerlo. Sin software, el hardware sería un conjunto de componentes inútiles. Los programas como procesadores de texto y los sistemas operativos como Windows o Android son ejemplos de software que instruyen al hardware para realizar tareas específicas, desde procesar textos hasta navegar por internet.
La magia ocurre cuando el hardware y el software trabajan juntos en armonía. Esta interacción es lo que hace que un ordenador sea útil y funcional.
Por ejemplo, al escribir en un procesador de texto, el software de procesamiento de texto se comunica con el hardware (teclado, CPU, pantalla) para mostrar las palabras en la pantalla y almacenarlas en el disco duro.
3.1.2. Sistemas propietarios vs. Sistemas libres.
En el mundo de la informática, nos encontramos con dos filosofías principales en cuanto al software: los sistemas propietarios y los sistemas libres.
Los sistemas propietarios, como Windows de Microsoft, son aquellos en los que el código fuente es propiedad exclusiva de una empresa o individuo. Estos sistemas suelen ser más restrictivos en términos de acceso y modificación del software.
Por otro lado, los sistemas libres, ejemplificados por Linux, promueven un enfoque más abierto. El código fuente de estos sistemas está disponible para que cualquier persona lo use, modifique y distribuya. Esta apertura fomenta la innovación y la personalización, permitiendo a los usuarios adaptar el software a sus necesidades específicas.
Es muy importante entender que la dicotomía entre sistemas propietarios y sistemas libres no se debe confundir con la diferencia entre software de pago y software gratuito.
El software de pago se refiere a programas por los cuales los usuarios deben pagar para obtener una licencia de uso, mientras que el software gratuito es aquel que se puede utilizar sin coste alguno. Sin embargo, tanto el software propietario como el libre pueden ser de pago o gratuitos.
Un software libre puede requerir pago, pero ofrece la libertad de modificar y redistribuir el código fuente.
Por ejemplo, ciertas distribuciones de Linux son de pago pero mantienen su naturaleza de código abierto.
Por otro lado, existen programas propietarios gratuitos, conocidos como freeware, que permiten su uso sin coste, pero no brindan acceso al código fuente ni permiten su modificación.
3.2. Arquitectura: concepto clásico y ley de Moore.
La arquitectura de los ordenadores es un concepto que va más allá de la mera disposición física de componente, ya que define la esencia de cómo un ordenador opera y procesa los datos para convertirlos en información útil.
3.2.1. La arquitectura clásica.
La arquitectura de un ordenador es el diseño conceptual que define el sistema informático. Este concepto se remonta a los trabajos de pioneros como John von Neumann, cuyo modelo de arquitectura sentó las bases de los ordenadores modernos. En este modelo, una serie de componentes principales trabajan juntos: una unidad central de procesamiento (CPU), memoria, dispositivos de almacenamiento, y sistemas de entrada y salida. Esta estructura no solo determina cómo se procesan los datos, sino también cómo se almacenan y se transmiten entre los diferentes componentes del ordenador.
3.2.2. La ley de Moore.
La ley de Moore, formulada por Gordon Moore, cofundador de Intel, en 1965, ha sido una guía para la evolución de la tecnología informática. Moore observó que el número de transistores en un microprocesador se duplica aproximadamente cada dos años, lo que implica un aumento exponencial en la potencia de procesamiento y una reducción en el coste relativo de estos dispositivos. Este principio ha impulsado la innovación en la industria, llevando a la creación de ordenadores cada vez más rápidos, pequeños y eficientes.
Un ejemplo claro de esta evolución lo vemos en la comparación de los primeros ordenadores, que ocupaban habitaciones enteras, con los modernos smartphones, que ofrecen un poder de procesamiento mucho mayor en la palma de nuestra mano.
La capacidad de procesamiento en constante aumento ha permitido el desarrollo de software más complejo y ha abierto nuevas posibilidades en campos como la inteligencia artificial, el análisis de datos y la realidad virtual. Sin embargo, también tiene enormes problemas, como la necesidad de enfriamiento eficiente y el eventual límite físico en la miniaturización de transistores.
3.3. Unidad Central de Proceso. Unidad de control. Unidad aritmético-lógica.
Nos centramos en la Unidad Central de Proceso (CPU – Central Processing Unit), el corazón de cualquier ordenador moderno. La CPU es esencialmente el cerebro del ordenador, donde se realizan los cálculos y se toman las decisiones.
3.3.1. El cerebro del ordenador.
La Unidad Central de Proceso es más que un simple conjunto de circuitos; es un milagro de la ingeniería moderna que procesa millones de instrucciones por segundo. Se encuentra en todos los dispositivos informáticos, desde los ordenadores portátiles y de escritorio hasta los smartphones y tablets. La función de la CPU es ejecutar los programas almacenados en la memoria del ordenador, interpretando y procesando las instrucciones del software.
3.3.2. El director de orquesta.
Dentro de la CPU, la Unidad de Control (CU – Control Unit) actúa como el director de orquesta, coordinando todas las actividades del ordenador. Esta unidad dirige el flujo de datos entre la CPU y otros componentes, como la memoria y los dispositivos de entrada/salida, y controla el orden y el tiempo de las operaciones de procesamiento.
Un ejemplo de su función puede verse cuando ejecutamos un programa; la Unidad de Control se encarga de cargar las instrucciones desde la memoria y dirigirlas a las partes adecuadas de la CPU para su ejecución.
3.3.3. El motor de procesamiento.
Por otro lado, la Unidad Aritmético-Lógica (ALU – Arithmetic Logic Unit) es el motor de procesamiento de la CPU. Esta unidad se especializa en realizar todas las operaciones matemáticas y lógicas.
¿Qué diferencia hay entre una operación matemática y una operación lógica?
Las operaciones matemáticas y las operaciones lógicas, sirven a propósitos distintos y se aplican en contextos diferentes.
Empecemos con las operaciones matemáticas. Estas son las que todos conocemos desde la escuela: suma, resta, multiplicación y división. Pero en el ámbito de la computación, estas operaciones se extienden a algo mucho más complejo. Imagina que estás trabajando en un programa de contabilidad; aquí, las operaciones matemáticas son las herramientas fundamentales para calcular balances, intereses y otros datos numéricos. O si estás en el campo de la ingeniería o la ciencia, estas operaciones permiten desde resolver ecuaciones complejas hasta procesar enormes conjuntos de datos numéricos para investigaciones.
Por otro lado, tenemos las operaciones lógicas. Estas no tratan con números en el sentido tradicional, sino con valores de verdad: verdadero y falso, o en términos de computación, 1 y 0. Las operaciones lógicas incluyen AND, OR, NOT, y XOR, entre otras. Estas operaciones son fundamentales en la toma de decisiones dentro de un programa. Por ejemplo, en un sistema de control de acceso, una operación lógica puede determinar si un usuario tiene permiso para entrar a cierta sección del software (si el usuario es “administrador” Y ha introducir la contraseña correcta, entonces permitir acceso).
Lo interesante es cómo estas dos operaciones, aunque diferentes, a menudo trabajan juntas en la computación. En un videojuego, por ejemplo, podrías usar operaciones matemáticas para calcular la trayectoria de un objeto en movimiento y operaciones lógicas para decidir si ese objeto choca con otro y qué acción tomar en consecuencia.
Cuando realizamos una tarea tan simple como sumar números en una hoja de cálculo o aplicar un filtro en una imagen, es la ALU la que realiza los cálculos necesarios. La eficiencia y la velocidad de la ALU son cruciales para el rendimiento general del ordenador.
La Unidad de Control y la ALU trabajan juntas de manera sincronizada para garantizar que cada instrucción se ejecute de manera eficiente. Mientras la Unidad de Control gestiona y coordina, la ALU ejecuta. Esta relación simbiótica es lo que permite a los ordenadores realizar una amplia gama de tareas, desde las más básicas hasta las más complejas.
3.4. Memoria principal y almacenamiento secundario.
Este apartado nos lleva a un componente clave de la arquitectura de ordenadores: la memoria y el almacenamiento. Aquí, exploraremos cómo la memoria principal y el almacenamiento secundario funcionan para retener y administrar la información.
3.4.1. El campo de trabajo del ordenador.
La memoria principal, comúnmente conocida como memoria RAM (Random Access Memory), es el lugar donde el ordenador almacena los datos que está utilizando activamente. Esta memoria es volátil, lo que significa que pierde su contenido cuando se apaga el ordenador. Su principal característica es la rapidez con la que permite el acceso a los datos, lo cual es fundamental para el rendimiento del sistema. Cada vez que abrimos un programa o un documento, éste se carga en la memoria RAM para que el procesador pueda acceder rápidamente a él.
3.4.2. El archivador del ordenador.
En contraste, el almacenamiento secundario, representado por dispositivos como discos duros, SSDs (unidades de estado sólido) y medios extraíbles como USB, es donde se almacenan los datos de forma permanente. Estos dispositivos son no volátiles, lo que significa que mantienen la información incluso cuando el ordenador está apagado. El almacenamiento secundario es imprescindible para guardar una gran cantidad de datos a largo plazo, como el sistema operativo, aplicaciones, documentos, fotos y videos.
3.4.3. Un equilibrio entre hardware y organización.
La estructura física de estos dispositivos está compuesta por componentes electrónicos (en el caso de SSDs) o magnéticos (en el caso de discos duros), que determinan cómo se almacena físicamente la información. Paralelamente, la estructura lógica se refiere a cómo el sistema operativo organiza y accede a los datos almacenados.
Por ejemplo, el sistema de archivos es una parte de la estructura lógica que define cómo se organizan los archivos en carpetas y directorios.
3.4.4. El factor crítico de la fiabilidad.
La fiabilidad de la memoria y el almacenamiento es fundamental. La pérdida de datos puede ser catastrófica, tanto en entornos personales como profesionales. Por eso, se han desarrollado tecnologías como RAID (Redundant Array of Independent Disks) en discos duros y la implementación de ECC (Error-Correcting Code) en la memoria RAM para mejorar la fiabilidad y seguridad de los datos.
3.5. Sistemas de entrada/salida.
Nos centramos ahora en los sistemas de entrada y salida, componentes importantes en la arquitectura de ordenadores. Estos sistemas, conocidos comúnmente como periféricos, son los medios a través de los cuales los usuarios interactúan con el ordenador y viceversa.
3.5.1. El papel de los periféricos en la computación.
Los periféricos son extensiones del ordenador que nos permiten introducir datos (entrada), recibir información del ordenador (salida), o ambas (entrada/salida). En su forma más básica, los periféricos de entrada incluyen teclados y ratones, mientras que los de salida abarcan monitores y altavoces. Sin estos dispositivos, la interacción con los ordenadores sería enormemente limitada.
En la era digital, los periféricos no solo facilitan la interacción básica con los ordenadores, sino que también amplían las capacidades del usuario. Desde la creación de arte digital mediante tabletas gráficas hasta la gestión de complejas configuraciones de red a través de dispositivos de entrada/salida especializados, los periféricos son fundamentales en una variedad de campos y aplicaciones.
3.5.2. Clasificación de los periféricos.
Los periféricos se clasifican según su función. Los dispositivos de entrada, como teclados, ratones y escáneres, permiten al usuario introducir datos e instrucciones en el ordenador. Los dispositivos de salida, como monitores, impresoras y altavoces, comunican la respuesta del ordenador al usuario. Además, existen dispositivos de entrada/salida, como las unidades de disco, que realizan ambas funciones.
3.5.3. Periféricos de nueva generación.
El avance tecnológico ha llevado al desarrollo de periféricos de nueva generación, que ofrecen nuevas formas de interacción y funcionalidades mejoradas. Por ejemplo, los dispositivos de realidad virtual (VR – Virtual Reality) y realidad aumentada (AR – Augmented Reality) han abierto nuevas dimensiones en la experiencia de usuario, permitiendo interacciones más inmersivas e intuitivas.
Otro ejemplo es el desarrollo de impresoras 3D, que han trascendido los límites de la impresión tradicional, permitiendo la creación de objetos tridimensionales desde modelos digitales.
3.6. Buses de comunicación: datos, control y direcciones.
Los buses de comunicación son una parte muy importante, pero a menudo subestimada, de la arquitectura de ordenadores. Los buses son las autopistas de información dentro de un ordenador, facilitando el flujo de datos entre los diferentes componentes del sistema.
3.6.1. El rol de los buses.
Un bus de comunicación en un ordenador es comparable a una red de carreteras en una ciudad. Así como las carreteras transportan vehículos de un lugar a otro, los buses transportan datos, señales de control y direcciones entre los componentes del ordenador, como la CPU, la memoria y los periféricos. Sin estos buses, la transferencia de información dentro del ordenador sería caótica o incluso imposible.
3.6.2. Tipos de buses.
Los buses de datos son responsables de transportar los datos reales.
Por ejemplo, cuando escribimos un documento, los caracteres se transfieren a través del bus de datos desde el teclado hasta la CPU y finalmente a la memoria para su almacenamiento.
Los buses de control llevan señales de control entre los componentes. Estas señales son instrucciones sobre qué hacer con los datos.
Por ejemplo, una señal de control puede indicar a la memoria que almacene los datos que llegan desde la CPU.
Por último, los buses de direcciones transportan señales de direcciones, que son esenciales para determinar la ubicación de los datos en la memoria o en otros componentes. Piénsese en estas señales como en las direcciones postales, que aseguran que los datos lleguen al lugar correcto.
3.6.3. Velocidad y ancho de banda.
La eficiencia de un bus de comunicación depende de su velocidad y ancho de banda. Cuanto más rápido y más ancho sea el bus, más datos pueden transportarse en un periodo de tiempo dado. Esta es una consideración crítica en el diseño de sistemas informáticos de alto rendimiento, como los servidores de datos o las estaciones de trabajo para diseño gráfico y edición de video.
En este video resumen tienes lo más importante que debes saber sobre la arquitectura de un ordenador moderno: