Evolución y Componentes de las Computadoras: Desde el Ábaco hasta la Era Moderna

Definición de una Computadora

Una computadora, según Stallings, es una máquina digital electrónica programable diseñada para el tratamiento automático de la información. Realiza cálculos y operaciones definidas por programas o instrucciones. Para funcionar, una computadora interactúa con datos, los procesa, los almacena temporal o permanentemente y entrega resultados.

Reseña Histórica

La evolución de las computadoras está dividida en generaciones:

Generación 0 – Dispositivos Mecánicos y Electromecánicos

• El ábaco es un ejemplo primitivo de máquina de cálculo manual.
• Charles Babbage desarrolló la máquina diferencial, que calculaba polinomios mediante diferencias finitas.
• La Mark I (1939) fue una computadora electromecánica con más de 20,000 piezas.

Primera Generación – Tubos de Vacío (1940s-1950s)

• Uso de tubos de vacío en computadoras como la ENIAC (1945), una máquina de propósito general con más de 17,000 tubos.
• Introducción de conceptos como el programa almacenado (Von Neumann).

Segunda Generación – Transistores (1950s-1960s)

• Los transistores reemplazaron los tubos de vacío, permitiendo computadoras más pequeñas y eficientes.
• Aparición de lenguajes de programación como FORTRAN y sistemas operativos básicos.

Tercera Generación – Circuitos Integrados (1960s-1970s)

• Miniaturización de componentes gracias a circuitos integrados, que mejoraron la potencia de procesamiento.

Cuarta Generación – Microprocesadores (1970s-presente)

• Creación del Intel 4004, el primer microprocesador.
• Aparición de procesadores como el Intel 8086 y arquitecturas ARM, esenciales para dispositivos embebidos.

Software y Sistemas Operativos

Microsoft, fundada en 1975, desarrolló software como MS-DOS y más tarde Windows, que popularizó la interfaz gráfica (GUI). Este sistema revolucionó el uso de las computadoras personales.

Arquitectura de un Computador

Componentes Principales

1. CPU: Procesa datos e instrucciones mediante la ALU (operaciones aritméticas y lógicas) y la Unidad de Control.
2. Memoria principal (RAM): Almacena temporalmente instrucciones y datos.
3. Interfaces E/S: Permiten la interacción con el usuario.

Arquitectura Von Neumann

• Combina datos e instrucciones en una misma memoria.
• Utiliza registros como el acumulador (AC) y el contador de programa (PC).

Arquitectura Harvard

• Separa memoria de datos e instrucciones para mejorar la eficiencia.
• En versiones modernas, se utiliza como arquitectura híbrida en procesadores.

Memorias

Clasificación

• RAM (Acceso Aleatorio): Volátil, usada para almacenamiento temporal.
• ROM (Solo Lectura): Almacena información permanente como programas de arranque.

Jerarquía de Memorias

• Registros del procesador: Memorias más rápidas.
• Caché (L1, L2, L3): Memoria intermedia para datos de uso frecuente.
• Memoria principal (RAM): Más lenta que la caché, pero con mayor capacidad.
• Almacenamiento secundario: SSD o discos duros, más lentos pero con alta capacidad.

Memorias Caché

• Mejoran el rendimiento al almacenar datos e instrucciones accesadas frecuentemente.
• Organizadas en niveles jerárquicos (L1, L2, L3).
• Principio de localidad: Los datos usados recientemente o cercanos tienen mayor probabilidad de ser requeridos.

Memoria Virtual

• Extiende la capacidad física utilizando almacenamiento secundario para simular espacio adicional.
• Páginas y técnicas de intercambio (swapping) gestionadas por la Unidad de Gestión de Memoria (MMU).

Operaciones y Circuitos Lógicos

• Sumadores y restadores binarios: Realizan operaciones matemáticas básicas en sistemas digitales.
• Tabla de verdad: Representación de todas las combinaciones posibles de entradas y salidas en funciones booleanas.
• Compuertas lógicas: Implementan operaciones booleanas como AND, OR, y NOT.

Memorias Avanzadas y Gráficas

• Memorias DDR (SDRAM): Mejoran la transferencia de datos mediante técnicas como prebúsqueda y pipelines.
• GDDR y HBM: Diseñadas para gráficos y alto rendimiento, utilizadas en GPUs modernas.

Aciertos y Fallos de Memoria Caché

• Cache hit (acierto): Datos encontrados en la caché, acceso rápido.
• Cache miss (fallo): Datos no presentes en la caché, requiere acceso a memoria principal.

Políticas de Reemplazo de Memoria

• FIFO: Reemplaza el bloque más antiguo.
• LRU: Elimina el bloque menos usado recientemente.
• LFU: Sustituye el bloque menos frecuentemente utilizado.

Coherencia de Caché

• En procesadores multinúcleo, se utiliza el protocolo MESI para mantener consistencia en los datos almacenados en las cachés de diferentes núcleos.

Códigos de Paridad y Corrección de Errores

• Detectan y corrigen errores en la transmisión o almacenamiento de datos.
• Utilizan paridad (par o impar) o sistemas avanzados como ECC.

Función de la MMU

• Gestiona la memoria virtual y física, protegiendo áreas de memoria y traduciendo direcciones lógicas a físicas.