Arquitectura de PC

1. Arquitectura
de
computadoras

2. Hardware
Lo que se denomina hardware de computadores
consiste en circuitos electrónicos, visualizadores,
medios de almacenamiento magnéticos y
ópticos, equipos electromecánicos y dispositivos
de comunicación. Por lo que la arquitectura de
computadoras abarca la especificación del
repertorio de instrucciones y las unidades
hardware que implementan las instrucciones.

3. Arquitectura de computadoras
La arquitectura de computadoras es el diseño conceptual
y la estructura operacional fundamental de un sistema
que conforma una computadora. Es decir, es un modelo y
una descripción funcional de los requerimientos y las
implementaciones de diseño para varias partes de una
computadora, con especial interés en la forma en que la
unidad central de proceso (CPU) trabaja internamente y
accede a las direcciones de memoria.
La arquitectura básica de cualquier ordenador completo
está formado por solo 5 componentes básicos:
procesador, memoria RAM, disco duro, dispositivos de
entrada/salida y software.

4. Arquitectura de computadoras

6. Procesador
La unidad central de procesamiento o unidad de
procesamiento central (CPU: central processing
unit), es el hardware dentro de un ordenador u
otros dispositivos programables, que interpreta las
instrucciones de un programa informático mediante
la realización de las operaciones básicas
aritméticas, lógicas y de entrada/salida del sistema.
La forma, el diseño de CPU y la implementación de
las CPU ha cambiado drásticamente desde los
primeros modelos, pero su operación fundamental
sigue siendo la misma.

7. Procesador
Todas las CPU modernas son microprocesadores, lo
que significa que contienen un solo circuito
integrado (chip). Algunos circuitos integrados
pueden contener varias CPU en un solo chip; estos
son denominados procesadores multinúcleo.
Dos componentes típicos de una CPU son la unidad
aritmético lógica (ALU), que realiza operaciones
aritméticas y lógicas, y la unidad de control (CU),
que extrae instrucciones de la memoria, las
decodifica y las ejecuta, llamando a la ALU cuando
sea necesario.

8. Procesador – Unidad de Control
La unidad de control es el centro lógico de la computadora ya que
los recursos de una computadora son administrados en la unidad
de control, es esta unidad la que se encarga de dirigir el flujo de
datos.
Las instrucciones de la CPU se encuentran incorporadas en la
unidad de control, estas instrucciones o conjunto de instrucciones
enumeran todas las operaciones que una CPU puede realizar. Cada
instrucción es expresada en microcódigo.
Antes de que un programa sea ejecutado, cada comando debe
desglosarse en instrucciones que correspondan a las que están en
las instrucciones de la CPU. Al momento de ejecutar el programa, la
CPU lleva a cabo las instrucciones en orden convirtiéndolas en
microcódigo. A pesar de la complejidad que resulta del proceso, la
computadora puede realizar este proceso a una velocidad increíble.

9. Procesador – ULA
Los datos almacenados en una computadora son de tipo numérico,
es por ello que gran parte del procesamiento involucra la
comparación de números o la realización de operaciones
matemáticas. Dentro de la unidad lógica aritmética (ULA) de la
computadora se realizan sólo dos tipos de operaciones: operaciones
aritméticas y operaciones lógicas.

10. Procesador

11. Tarjeta madre (mother board)
Una computadora personal típica, en su hardware, está conformada
por una placa de circuito impresa denominada placa madre o en
otras bibliografías nombrada tarjeta madre (en inglés motherboard).
La placa base es el hardware que alberga al chip del procesador, la
memoria principal y algunas interfaces de E/S. Asimismo tiene
conectores adicionales en los que se pueden enchufar interfaces
adicionales. Esta tarjeta tiene como función principal controlar todos
los elementos del servidor, de ella depende que dichos componentes
estén bien comunicados unos de otros para garantizar el
funcionamiento del sistema, es por eso que es un dispositivo muy
importante dentro del computador.

12. Tarjeta madre (mother board)
El bus del procesador es definido por las señales propias del chip del
procesador. Los dispositivos que requieran alta velocidad de
conexión con el procesador, como la memoria principal, pueden
conectarse directamente a este bus. La tarjeta madre proporciona
generalmente otro bus al que se pueden interconectar otros
dispositivos. Los dos buses son interconectados por un circuito, que
se denominará puente, que traslada desde un bus a otro las señales y
protocolos. Los dispositivos conectados al bus de expansión,
muestran al procesador como si estuvieran conectados directamente
al propio bus del procesador.

13. Tarjeta madre (mother board)
Northbridge o puente norte:
controla el paso de datos
desde y hasta el procesador a
la memoria RAM y a la tarjeta
gráfica.
Southbridge o puente sur:
controla el paso de datos
desde y hasta el procesador
de los puertos PCI, USB, discos
IDE o SATA, etc.

15. Puertos externos
Los conectores externos, que son los del USB,
teclado, ratón, puertos en serie y paralelo; los
conectores internos, son los de los canales IDE
que permiten la conexión de discos duros,
dispositivos CD-ROM, DVD-ROM, y grabadoras
de CD, otros conectores son la disquetera y
fuente de alimentación, los de altavoz interno,
los pulsadores y leds de caja.

16. Puertos externos

17. BIOS
La BIOS (Basic Input/Output System), un software
base del computador que contiene los programas
básicos y de más bajo nivel que permiten controlar
los elementos del hardware, está presente una
memoria ROM, EPROM o FLASH-EPROM en la
tarjeta madre. La CMOS, pequeña memoria RAM
que complementa a la BIOS y almacena los datos
típicos configurables desde el setup, su contenido
no se pierde al apagar el equipo gracias una pila
insertada en la tarjeta.

18. BIOS

19. Memoria RAM
La memoria de acceso aleatorio (Random Access
Memory, RAM) se utiliza como memoria de trabajo de
computadoras y otros dispositivos para el sistema
operativo, los programas y la mayor parte del software.
En la RAM se cargan todas las instrucciones que ejecuta la
unidad central de procesamiento (procesador) y otras
unidades del computador, además de contener los datos
que manipulan los distintos programas.
Se denominan «de acceso aleatorio» porque se puede
leer o escribir en una posición de memoria con un tiempo
de espera igual para cualquier posición, no siendo
necesario seguir un orden para acceder (acceso
secuencial) a la información de la manera más rápida
posible.

20. Tipos de RAM
Las dos formas principales de RAM moderna son:
SRAM (Static Random Access Memory), RAM estática,
memoria estática de acceso aleatorio.
• volátiles.
• no volátiles:
– NVRAM (non-volatile random access memory),
memoria de acceso aleatorio no volátil
– MRAM (magnetoresistive random-access
memory), memoria de acceso aleatorio
magnetorresistiva o magnética

21. Tipos de RAM
• DRAM (Dynamic Random Access Memory),
RAM dinámica, memoria dinámica de acceso
aleatorio.
–DRAM Asincrónica (Asynchronous Dynamic
Random Access Memory, memoria de
acceso aleatorio dinámica asincrónica)
• FPM RAM (Fast Page Mode RAM)
• EDO RAM (Extended Data Output RAM)

22. Tipos de RAM
• SDRAM (Synchronous Dynamic Random-
Access Memory, memoria de acceso aleatorio
dinámica sincrónica)
– Rambus:
• RDRAM (Rambus Dynamic Random Access Memory. De
00 a 600 Mhz).
• XDR DRAM (eXtreme Data Rate Dynamic Random
Access Memory)
• XDR2 DRAM (eXtreme Data Rate two Dynamic Random
Access Memory)

23. Tipos de RAM
– SDR SDRAM (Single Data Rate Synchronous Dynamic
Random-Access Memory, SDRAM de tasa de datos
simple)
– DDR SDRAM (SDRAM de tasa de datos doble de tipo
tres. De 200 MHz a 500 MHz).
– DDR2 SDRAM (SDRAM de tasa de datos doble de tipo
tres. De 400 MHz a 1200 MHz).
– DDR3 SDRAM (SDRAM de tasa de datos doble de tipo
tres. De 800 MHz a 2666,6 MHz).
– DDR4 SDRAM (SDRAM de tasa de datos doble de tipo
tres. De 1600 MHz a 2666,6 MHz).

25. Puertos PCI
El BUS PCI (Componente Periférico Interconectado) es un
bus de comunicaciones de 32 bits que trabaja a 33MHz
ofreciendo una tasa de transferencia tope teórica hacia y
desde la memoria RAM del PC de 133 Mbits/s ayudada
con la posibilidad de escribir en modo ráfaga. Esta
velocidad de transferencia es más que suficiente para
cualquier tarjeta PCI incluyendo tarjetas gráficas 2D.
En el bus PCI el procesador puede trabajar en otras tareas
más complejas y desentenderse de las tarjetas del PC
como ser manipulación de texturas, inteligencia artificial
o cálculo de polígonos de escenas 3D.

26. Puertos PCI
Las PCI tienen distintas ranuras de acuerdo a los bits que puede
transportar:
• Ranuras PCI de 32 bits: son las más comunes.
• Ranuras PCI de 64 bits: son las más recientes. Agrega una porción
más de conectores a la de 32 bits.
De acuerdo a los requerimientos eléctricos, existen tres tipos de
tarjetas PCI:
• Tarjetas PCI de 5 voltios para PC.
• Tarjetas PCI de 3.3 voltios para tarjetas de computadoras
portátiles. Su ranura es diferente a la de 5 voltios.
• Tarjetas Universales que son tarjetas específicas PCI que
seleccionan automáticamente el voltaje y son para los dos sistemas
anteriores.

27. Puertos PCI

28. Puertos PCI - Express
El BUS PCI-EXPRESS más veloz que el PCI (33Mhz) y
el AGP (66Mhz), es el sustituto de estos dos.
Actualmente con dos modos de velocidad:
• PCI-Ex 1x (133Mhz), para dispositivos como
tarjeta de sonido, de TV, etc.
• PCI-Ex 16x (2128Mhz) para las tarjetas gráficas.
Comparando el AGP con el PCI-Ex, una tarjeta
gráfica en AGP con el rendimiento de una PCI-ex,
tendría que ser un hipotético AGP 16x.

29. Puertos PCI - Express
El PCI-Ex actualmente es el doble de potente que el
AGP 8x en su versión paragráficas, y más veloz y el
sustituto del PCI normal en su versión 1x. Está
disponible en 5 formatos (x1 / x2 / x3 / x4 / x16)
para los distintos anchos de banda.
El PCI Express x2 está compuesto por dos lanes y el
ancho de banda máximo es de500MB/s para una
dirección y de 1000MB/s para las dos direcciones y
en el caso del sustituto del AGP, el PCIe X16 es de
4.000MB/s para una dirección y de 8.000MB/s en
las dos direcciones.

30. Puertos PCI - Express

31. Puertos AGP
EL BUS AGP (Puerto Avanzado de Gráficos) es un
sistema para conectar periféricos en la placa
madre de la PC; es decir, es un bus por el que
van datos del microprocesador al periférico.
El bus AGP actualmente se utiliza
exclusivamente para conectar, por lo que sólo
suele haber una ranura. Dicha ranura mide unos
8 cm y se encuentra a un lado delas ranuras.

32. Puertos AGP
El bus AGP cuenta con diferentes modos de
funcionamiento.
AGP 1X: velocidad 66 MHz con una tasa de transferencia
de 264 MB/s y funcionando a un voltaje de 3,3V.
AGP 2X: velocidad 133 MHz con una tasa de transferencia
de 528 MB/s y funcionando a un voltaje de 3,3V.
AGP 4X: velocidad 266 MHz con una tasa de transferencia
de 1 GB/s y funcionando a un voltaje de 3,3 o 1,5V paraa
daptarse a los diseños de las tarjetas gráficas.
AGP 8X: velocidad 533 MHz con una tasa de transferencia
de 2 GB/s y funcionando a un voltaje de 0,7V o 1,5V.

33. Puertos AGP

35. Disco rígido
La unidad de disco duro o unidad de disco rígido (en
inglés: Hard Disk Drive, HDD) es el dispositivo de
almacenamiento de datos que emplea un sistema de
grabación magnética para almacenar archivos digitales. Se
compone de uno o más platos o discos rígidos, unidos por
un mismo eje que gira a gran velocidad dentro de una caja
metálica sellada. Sobre cada plato, y en cada una de sus
caras, se sitúa un cabezal de lectura/escritura que flota
sobre una delgada lámina de aire generada por la rotación
de los discos. Es memoria no volátil.

36. Disco rígido
Las características que se deben tener en cuenta en un disco duro
son:
Tiempo medio de acceso: tiempo medio que tarda la aguja en
situarse en la pista y el sector deseado; es la suma del Tiempo medio
de búsqueda (situarse en la pista), Tiempo de lectura/escritura y la
Latencia media (situarse en el sector).
Tiempo medio de búsqueda: tiempo medio que tarda la aguja en
situarse en la pista deseada; es la mitad del tiempo empleado por la
aguja en ir desde la pista más periférica hasta la más central del
disco.
Tiempo de lectura/escritura: tiempo medio que tarda el disco en leer
o escribir nueva información: Depende de la cantidad de información
que se quiere leer o escribir, el tamaño de bloque, el número de
cabezales, el tiempo por vuelta y la cantidad de sectores por pista.

37. Disco rígido
Latencia media: tiempo medio que tarda la aguja en situarse en el
sector deseado; es la mitad del tiempo empleado en una rotación
completa del disco.
Velocidad de rotación: Es la velocidad a la que gira el disco duro, más
exactamente, la velocidad a la que giran el/los platos del disco. A
mayor velocidad de rotación, más alta será la transferencia de datos,
pero también mayor será el ruido y mayor será el calor generado por
el disco duro. Se mide en número revoluciones por minuto (RPM).
Una velocidad de 5400 RPM permitirá una transferencia entre 10MB
y 16MB por segundo.
Tasa de transferencia: velocidad a la que puede transferir la
información a la computadora una vez que la aguja está situada en la
pista y sector correctos. Puede ser velocidad sostenida o de pico.

38. Disco rígido IDE
IDE, ATA o PATA
Artículo principal: Integrated Drive Electronics
La interfaz ATA (Advanced Technology Attachment) o PATA (Parallel
ATA), originalmente conocido como IDE (Integrated Device
Electronics o Integrated Drive Electronics), controla los dispositivos
de almacenamiento masivo de datos, como los discos duros y ATAPI
(Advanced Technology Attachment Packet Interface) o unidades de
discos ópticos como lectoras o grabadoras de CD y DVD.
Hasta el 2004, aproximadamente, fue el estándar principal por su
versatilidad y asequibilidad.
Son planos, anchos y alargados.

39. Disco rígido SATA
Serial ATA o SATA es el más común de los estándares de conexión,
utiliza un bus serie para la transmisión de datos.
Notablemente más rápido y eficiente que IDE.
Físicamente es mucho más pequeño y cómodo que los IDE, además
de permitir conexión en caliente (hot plug).
Existen tres versiones:
SATA 1 con velocidad de transferencia de hasta 150 MB/s
(descatalogado),
SATA 2 de hasta 300 MB/s, disponible en equipos de hace unos años
atrás;
SATA 3 de hasta 600 MB/s, el más común actualmente. Compatible
con las versiones anteriores.

40. Disco SSD
La unidad de estado sólido o SSD (acrónimo inglés de Solid-State
Drive) es el dispositivo de almacenamiento de datos que puede estar
construido con memoria no volátil o con memoria volátil. Las no
volátiles son unidades de estado sólido que como dispositivos
electrónicos, están construidos en la actualidad con chips de
memoria flash. No son discos, pero juegan el mismo papel a efectos
prácticos aportando ventajas pero también inconvenientes
tecnológicos como la corrupción de las celdas de memoria con cada
escritura, lo que acorta la vida útil de estos dispositivos y aumenta el
riesgo de corrupción de los datos.​
Esos soportes son muy rápidos ya que no tienen partes móviles o
mecánicas y consumen menos energía. Todos esto les hace muy
fiables y físicamente duraderos.

41. Disco rígido SSD

42. Otros discos rígidos…
Otros discos duros son:
• Las interfaces Small Computer System Interface (SCSI) son
interfaces preparadas para discos duros de gran capacidad de
almacenamiento y velocidad de rotación.
Se presentan bajo tres especificaciones:
SCSI Estándar (Standard SCSI),
SCSI Rápido (Fast SCSI) y
SCSI Ancho-Rápido (Fast-Wide SCSI).
• Serial Attached SCSI (SAS) es la interfaz de transferencia de datos
en serie, sucesor del SCSI paralelo, aunque sigue utilizando
comandos SCSI para interaccionar con los dispositivos SAS.
Aumenta la velocidad y permite la conexión y desconexión
rápidamente.

43. Disco rígido
Estructura de disco magnético:
A es una pista del disco (roja ),
B es un sector geométrico (azul ),
C es un sector de una pista (magenta ),
D es un grupo de sectores o clúster (verde ).

44. Disco rígido

45. Tarjeta gráfica o placa de video
Es una tarjeta para expansión de capacidades que sirve para procesar
y otorgar mayor capacidad de despliegue de gráficos en pantalla, por
lo que libera al microprocesador y a la memoria RAM de estas
actividades y les permite dedicarse a otras tareas. La tarjeta de video
se inserta dentro de las ranuras de expansión o "Slots" integradas en
la tarjeta principal ("Motherboard") y se atornilla al gabinete para
evitar movimientos y por ende fallas. Todas las tarjetas de video
integran uno o varios puertos para conectar los dispositivos externos
tales como monitores CRT, pantallas LCD, proyectores, etc.

46. Tarjeta gráfica o placa de video
Integran dentro de si un circuito integrado o chip encargado del
proceso de gráficos, por lo que liberan al microprocesador de estas
actividades, llamado GPU/VPU.
• También integran memoria RAM propia para evitar el consumo de
la RAM principal.
• Tienen uno o varios puertos para la conexión de los dispositivos
externos como monitores y proyectores.
• Cuentan con un conector especial que permite insertarlas en las
ranuras de expansión de la tarjeta principal.
• Pueden convivir con las tarjetas de video integradas en la tarjeta
principal, ya que al instalarlas, reemplazan su lugar en el sistema.