Componentes Internos del Ordenador: Buses, Puertos y Microprocesadores

Buses y Puertos del Ordenador

En un puerto sólo se puede conectar un dispositivo. Todos los dispositivos externos que tenemos en nuestro ordenador pueden ir conectados a los puertos. Los buses son conexiones internas que comunican los componentes, pasando la información de un lado a otro.

Tipos de Buses

• Bus de datos: Viajan los datos, los que hemos leído o los que queremos escribir.
• Bus de direcciones: Viajan los bits que señalan qué debemos leer o dónde debemos escribir.
• Bus de control: Pasan las señales de sincronización y las órdenes que debe ejecutar cada bus.

Se habla de buses de expansión cuando se trata de los buses que podemos añadir a nuestro ordenador, por ejemplo, la tarjeta gráfica. Sólo permiten un dispositivo, de la misma manera que hemos dicho que hacen los puertos. Son un caso especial de bus que sólo permite un dispositivo.

Características de los Buses y Puertos

Una de las características que deben tenerse en cuenta son los buses en serie o en paralelo. Esto tiene que ver con la transmisión de los datos. En serie, los bits pasan uno tras otro, un bit cada ciclo de reloj. En paralelo, los bits pasan todos a la vez.

Anchura del Bus

Es la cantidad de bits que se transmiten cada vez. El bus de datos puede ser de 8, 16, 32, 64 y 128 bits. El bus de direcciones puede ser de 20, 24 y 36 bits. Gracias a eso sabemos la cantidad de memoria máxima a la que nos podremos dirigir.

Frecuencia de Bus

Es el número de ciclos por segundo en el que se transmite. Es el mismo en la memoria RAM y la de los buses, pero en cambio es diferente en el procesador.

Ancho de Banda

Si sabemos la anchura del bus y la frecuencia, sabemos el ancho de banda (es decir, la cantidad de información que puede pasar por segundo). Se mide en MB/s. Ancho de banda = Frecuencia x Anchura del bus

Otras Características

• Buses internos o externos.
• Permiten la conexión en caliente (Hot swap): Si los podemos conectar mientras está el ordenador encendido y lo detecta.
• El número de dispositivos que podemos conectar a cada bus o puerto.

Buses de Expansión Internos Dedicados al Almacenamiento

IDE

Se utiliza para conectar discos duros, CD o DVD. Hay dos conectores en la placa base de 40 pines. En cada conector se pueden conectar un máximo de 2 dispositivos. Como se pueden conectar los dos, tenemos que decir cuál es el máster y cuál es el esclavo. Para establecer cuál es uno y cuál es el otro, se puede hacer que sea el cable el que diga cuál es el máster y cuál es el esclavo. Lo que está más lejos es el máster y lo que está en medio es el esclavo. También se puede cambiar el jumper en el disco duro físico. Hay buses de 40 y de 80 pines, pero sólo se utilizan los de 40. Los otros sirven para hacer un pasillo vacío y así evitar las cargas maliciosas y que no se produzcan tantos errores. Esto permite reducir el ruido electromagnético.

Consideraciones sobre IDE

• Si tenemos sólo dos dispositivos en serie ATA, colocaremos uno en cada canal.
• Si dos dispositivos con diferentes estándares ATA comparten el mismo cable, el más moderno funcionará como el más antiguo. Por tanto, es mejor que un disco nuevo no comparta el cable con uno viejo.
• Un dispositivo UDMA/66 no puede funcionar a pleno rendimiento con un cable de 40 pines.
• Si pensamos utilizar dos dispositivos de CD o DVD para grabar de disco a disco, es mejor que no compartan cable.
• Es conveniente juntar dispositivos de uso intensivo con dispositivos de uso esporádico.

SATA (Serial ATA)

Los conectores de la placa base son de 7 pines (en lugar de 40) y a cada conector se puede conectar sólo un dispositivo, si no se utiliza el multiplicador de puertos SATA II. Como la velocidad del de 40 pines era muy alta y producía muchos errores, se cambió y ya no era paralelo. En este caso, sólo se puede poner un dispositivo en cada conector. No hace falta configurar ni másters ni esclavos. Se puede conectar en caliente.

SCSI (Small Computer System Interface)

Se hizo para los dispositivos que necesitaban mejor calidad. En la placa base tenía que haber integrada una tarjeta controladora SCSI. Se pueden conectar hasta 15 dispositivos. El interfaz SCSI es independiente del dispositivo y, en teoría, se puede utilizar cualquier tipo de dispositivo para conectarlo a un puerto SCSI.

SAS (Serial Attached SCSI)

Las tecnologías van hacia la transmisión de bits en serie. Es compatible con SATA y permite conectar varios dispositivos. Aunque no viene siempre integrada en la placa base, cada vez se está integrando más. Si no, se usa una tarjeta PCI-Express que permite agrupar varios dispositivos. Ofrece las mismas velocidades que el SATA.

PCI (Peripheral Component Interconnect)

Es uno de los sistemas que encontraremos en el mercado. Se introdujo por Intel en 1993 y fue el sucesor del bus ISA, que pasa de 8 MHz a 33 MHz, y después a 66 MHz. Se redujo el tamaño del ISA. Trabajaba a 64 bits (por eso era compatible con Pentium) y soportaba rutas de 32 bits. Permite la conexión en caliente y dispositivos de entrada y salida de alta velocidad.

PCI-Express (Peripheral Component Interconnect Express PCI-E/PCIe)

Se introdujo en 2004 y es el probable sucesor de los buses PCI y AGP ya que, aparte de ser más compacto, permite trabajar a frecuencias y velocidades más altas. Por cada canal que hay se consigue un ancho de banda de 256 MB/s. El PCI-E ha supuesto cambios en la alimentación de la placa base.

AGP (Accelerated o Advanced Graphics Port)

Sólo permite comunicar un dispositivo y no varios. Sólo hay un slot que está integrado en la placa base. Su utilidad está limitada a las tarjetas de vídeo, por lo que mejora las prestaciones de un bus PCI en gráficos 3D.

IRQ y DMA

• IRQ (Interrupt Request): Cuando un dispositivo cualquiera necesita algún dato, el procesador revisa qué interrupciones hay antes que otras, y las pone en orden.
• DMA (Direct Memory Access): Son líneas de acceso directo a la memoria. Son líneas que pueden ir al disco duro o a la RAM sin pasar por el procesador.

Puertos de un Ordenador

Un ordenador está formado por una unidad central. Conectando a la unidad central hay diferentes periféricos de entrada, de salida y de entrada/salida. Un puerto sólo permite conectar un dispositivo.

Puerto Serie PS/2 o Mini DIN-6

Normalmente utilizado para el teclado o el ratón. El puerto PS/2 o mini DIN-6 sustituye las antiguas conexiones DIN-5 de teclado y serie DB9 de ratón.

Puerto Serie RS-232C

El puerto serie RS-232C, con conector DB9, es una interfaz nativa para conectar dispositivos lentos como módems o ratones. El conector del ordenador siempre es macho. Obsoleto con la aparición del bus USB, aunque se suele utilizar bastante en la industria.

Puerto Paralelo

El puerto paralelo envía 8 bits a la vez (1 byte). Es el más estándar y se utiliza sobre todo para impresoras y escáneres. Hay dos tipos de conectores: el DB25 y el Centronics, que tiene un sistema de bloqueo. Soporta diferentes modos de funcionamiento, según la comunicación sea de ida o de vuelta, por eso se cambiaban las velocidades (Full duplex, half duplex...).

Bus USB

El bus USB aparece en 1993 y se populariza por sus prestaciones para conectar todo tipo de dispositivos externos. Puede soportar hasta 127 dispositivos. La conexión de más dispositivos en el puerto se hace con hubs.

FireWire

El FireWire o IEEE 1394 o i-Link es estándar desde 1995 y se trata de un bus serie de prestaciones superiores al USB 2.0. No tiene la difusión del USB, pero es bastante popular.

Puertos de Audio

Los puertos normalmente utilizados para audio en el ordenador son del tipo mini-jack. Estos suelen distinguir con el color su función: los más elementales son el azul (entrada), el verde (salida) y el rosa (micro), si bien con placas base sofisticadas o con tarjetas profesionales puede haber más salidas. También se utilizan conectores coaxiales tipo RCA. Normalmente, los conectores RCA que llevan la señal son el rojo y el blanco.

Puerto VGA

El puerto VGA o SubD-15 permite la conexión de un monitor externo. Trabajan con colores luz.

Microprocesadores

Definición

Un microprocesador es aquel componente de un ordenador que incorpora todas o la mayoría de las funciones de la CPU en un solo circuito integrado (IC). Realiza las operaciones matemáticas y lógicas y coordina los componentes del ordenador. Está formado por miles de transistores y normalmente tiene forma cuadrada o rectangular. Dispone de una serie de patas o conectores para insertarlo en el correspondiente zócalo de la placa base.

Principales Características

• Juego de instrucciones que puede ejecutar: Instrucciones como sumar dos operandos, comparar, etc. La eficiencia del microcódigo (número de pasos necesarios para ejecutar una instrucción) fue un elemento fundamental para aumentar la velocidad.
• Tamaño de la palabra (número de bits): Número de bits que el microprocesador puede tratar en una instrucción. Los primeros microprocesadores no podían sumar números de más de 4 bits, por lo tanto, tenían que hacer más viajes para poder calcular toda la instrucción. Actualmente los más usados son de 32 o 64 bits.
• Velocidad del reloj: El rol del reloj consiste en determinar la cadencia (ritmo) de trabajo del procesador. Cuanto más velocidad de reloj tiene, más instrucciones por segundo puede completar el microprocesador. Unidades:
  • Megahertzios (MHz): Millón de ciclos por segundo.
  • Gigahertzios (GHz): Mil millones de ciclos por segundo.

Características Tecnológicas

Vía de Instrucciones (Pipeline)

A partir de los Pentium se introduce y servirá para conseguir que un bit no se tenga que terminar de procesar para que el siguiente entre en la vía de instrucciones. En cuanto una instrucción se está decodificando, ya puede entrar la siguiente a leerse. El problema son las dependencias internas que hay dentro de la propia estructura.

Estructura de las Vías

Se instauran 2 (como mínimo) vías de instrucción y permite la opción de hacer cálculos con coma flotante (números decimales). Vías es diferente de Thread o hilo. Las vías son diferentes rutas que trabajan en coordinación.

Ruta de Datos o Ancho del Bus

Hablamos del número de bits, de cómo van llegando las palabras de bits al procesador. Aunque el procesador trabaje a 32 bits, puede dejar entrar más de una palabra a la vez.

Arquitectura

Arquitectura CISC (Complex Instruction Set Computer)

Se trata de aumentar el tamaño de las instrucciones y, de esta manera, la velocidad del reloj, para aumentar la potencia de los procesadores. Su unidad de control suele ser microprogramada.

Ventajas: Los programas no necesitan tantas instrucciones para ser ejecutados.

Inconvenientes: Es muy difícil mejorar esta arquitectura. Las instrucciones son de tamaños variables. El sistema operativo incrementa la velocidad para que esta arquitectura pueda albergar muchas más instrucciones que la RISC.

Arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer)

Las instrucciones son más simples y, por tanto, más rápidas de procesar a fin de reducir los ciclos de reloj necesarios. Con este sistema, la responsabilidad de construir programas eficientes es del software. A esta arquitectura no podemos pedirle operaciones complejas.

Potencia

La combinación de las características tecnológicas explicadas anteriormente determina la potencia de un microprocesador. Se mide en MIPS o en FLOPS (cantidad de cálculos en coma flotante por segundo).

Diferentes unidades:

• MHz / GHz (Megahercios / Gigahercios): Frecuencia de pulsos que envía el reloj al procesador. Son los ciclos que se ejecutan por segundo.
• MIPS: Millones de instrucciones por segundo. (Nos da otra medida mucho más fiable de la potencia del procesador).
• FLOPS: Floating Point Operation Per Second.

Velocidad Externa o en la que Funciona el Bus

La velocidad con que se conecta la RAM al procesador. FSB (Front Side Bus). Por tanto, la velocidad de la CPU no es igual a la velocidad del bus, por lo que, por muy rápido que procese los datos la CPU, no puede enviarlos ni recibirlos todos de golpe (cuello de botella).

Factor Multiplicador

Es el número que, multiplicado por la velocidad externa, da la interna. Cuanto menos multiplicador tenga, mejor será, ya que no tendrá que hacer tantas conversiones.

Memoria Caché

Los microprocesadores incluyen una memoria SRAM (Static RAM). Es donde se guardan los últimos datos que se han utilizado y es mucho más rápida que cualquier otra memoria. Cuando la CPU busca un dato o instrucción, primero lo hace en la caché, después en la RAM y luego en el disco duro.

Hay:

• Caché L1 (Level 1)
• Caché L2 (Level 2)

Cuanto menor es el nivel, más rápida es. Por tanto, la caché L1 será más rápida que la caché L2.

Memoria de Primer Nivel (Caché L1)

Memoria de mucha velocidad de acceso. La de primer nivel se encuentra dentro del propio núcleo del procesador. Como se encuentra dentro, se eliminan los retrasos. Con poca memoria caché L1 se pueden notar grandes cambios. El tamaño es bastante limitado ya que es muy cara, pero se pueden notar grandes cambios en el rendimiento (se mide en KB). Algunos procesadores la dividen en:

• Caché L1 de datos
• Caché L1 de instrucciones

Memoria de Segundo Nivel (Caché L2)

Aquello que ya no cabe dentro de la L1, antes de ir directamente a la RAM, lo busca primero en la L2, ya que también es más rápida que la RAM. Es un poco más lenta que la L1, pero mucho más rápida que la RAM. La medida ya alcanza los MB, hasta 12 MB más o menos.

Consumo Eléctrico

Trabajan con dos voltajes:

• Voltaje externo o de E/S: Permite comunicar el procesador con la placa base (normalmente 3,3 V).
• Voltaje interno o de núcleo: Menor que el externo (2,4 V; 1,8 V; 1,36 V; 0,8 V). Permite al procesador funcionar con una temperatura menor.

Antiguamente, estos voltajes se configuraban con jumpers. Ahora se hace automáticamente.