Fundamentos de Arquitectura de Computadoras y Evolución Tecnológica

¿Qué es una Computadora?

Computadora: Es una máquina electrónica capaz de almacenar y procesar información para llevar a cabo determinadas acciones a grandes velocidades. Sus acciones están determinadas por los programas informáticos. El programa contiene las instrucciones que indican a la computadora qué debe hacer, mientras que los datos son la información sobre la cual esas instrucciones trabajan.

Evolución de las Computadoras

Los cambios tecnológicos permitieron hacer máquinas más pequeñas, rápidas, confiables y potentes. Antes existieron dispositivos y máquinas de cálculo como el ábaco, la máquina de Pascal, la máquina de Leibniz, el telar de Jacquard, las máquinas de Charles Babbage y las máquinas de tarjetas perforadas de Herman Hollerith. Uno de los grandes cambios se produjo cuando comenzaron a utilizarse componentes electrónicos para realizar cálculos.

Generaciones de la Computación

1ra Generación (1940-1956)

Usaban válvulas de vacío para realizar el procesamiento. Eran enormes, costosas y con un consumo de energía muy elevado. Generaban mucho calor y presentaban problemas de confiabilidad. Se mencionan la ENIAC y UNIVAC I. Para almacenar información se utilizaban tarjetas perforadas, cintas perforadas o tambores magnéticos.

• ENIAC: Computadora electrónica de propósito general. Se programaba de forma manual mediante interruptores, cables y conexiones.

2da Generación (1956-1963)

Reemplazó las válvulas de vacío por transistores. Se redujo el tamaño, el consumo energético y la generación de calor, e incrementó la velocidad y confiabilidad. Se comenzaron a utilizar más las cintas magnéticas y discos como almacenamiento. Aparecen lenguajes de programación como FORTRAN y COBOL.

3ra Generación (1964-1971)

Utilización de circuitos integrados, que permiten colocar numerosos componentes electrónicos dentro de un pequeño chip. Se redujo aún más el tamaño y costos, y se aumentó la velocidad, confiabilidad y cantidad de componentes integrados. Ejemplo: IBM System/360.

4ta Generación (1971-1981)

Aparición del microprocesador, que permitió integrar en un único circuito integrado gran parte de las funciones de una CPU. Fundamental para el desarrollo de las computadoras personales. Ejemplos: Altair 8800 y el Apple II.

5ta Generación

Microelectrónica, software, inteligencia artificial, Internet y computadoras portátiles.

6ta Generación

Inteligencia artificial, computación paralela, reconocimiento de voz, reconocimiento de escritura e imágenes, dispositivos portátiles, Wi-Fi y Bluetooth.

7ma Generación

Pantallas planas, almacenamiento SSD, dispositivos táctiles, arquitecturas paralelas, realidad virtual e inteligencia artificial.

8va Generación

Nanotecnología y computación cuántica.

Arquitecturas de Procesamiento

Máquina de Von Neumann y Programa Almacenado

En 1946, John von Neumann propuso que los datos y las instrucciones del programa pudieran almacenarse en una misma memoria; es decir, la CPU obtiene de ahí las instrucciones que debe ejecutar y los datos necesarios para realizar las operaciones. Esto dio origen al concepto de programa almacenado, permitiendo desarrollar computadoras de propósito general. La limitación que posee es la velocidad con la que pueden intercambiarse datos e instrucciones, conocido como el cuello de botella de Von Neumann.

Arquitectura Harvard

Separa la memoria de instrucciones de la memoria de datos, lo que permite utilizar vías independientes para acceder a ellas, optimizando el rendimiento.

Componentes de Hardware

El Hardware comprende todos los componentes físicos y tangibles de una computadora, tanto internos como externos.

Clasificación del Hardware

• Básico: Componentes necesarios para que la computadora pueda funcionar (placa madre, fuente de alimentación, microprocesador, memoria).
• Complementario: Componentes que amplían las capacidades de la computadora, pero no resultan indispensables (impresora, ciertas unidades de almacenamiento, dispositivos adicionales).

Ubicación de los Componentes

• Internos: Se encuentran dentro del gabinete.
• Periféricos: Dispositivos externos utilizados para interactuar con la computadora.
• Puertos: Permiten conectar periféricos con los componentes internos.

La Placa Madre (Motherboard)

Es una placa de circuito impreso que permite conectar e intercomunicar los distintos componentes de la computadora.

• Socket del procesador: Lugar de la placa madre donde se instala el microprocesador. Establece la conexión física y eléctrica. Debe ser compatible con el procesador.
• Dual Channel: El sistema utiliza dos módulos de memoria de manera coordinada para aumentar el ancho de banda disponible.
• Chipset: Conjunto de circuitos encargado de gestionar la comunicación entre componentes (USB, memoria, buses PCI Express, etc.). Tradicionalmente se dividía en:
  • Northbridge: Conectaba el procesador con componentes de alta velocidad (RAM y GPU).
  • Southbridge: Gestionaba dispositivos de menor velocidad y funciones de entrada/salida (USB, almacenamiento).
• BIOS: Programa almacenado en memoria no volátil que realiza la puesta en marcha (comprobar hardware, cargar el sistema operativo).
• CMOS: Pequeña memoria que almacena la configuración del equipo (fecha, hora, parámetros). Se modifica mediante el Setup.
• Pila: Mantiene la configuración y el reloj de tiempo real cuando el equipo está apagado.
• Generador de Clock: Proporciona señales para sincronizar las operaciones del sistema. Su frecuencia se expresa en Hz, MHz o GHz.

El Microprocesador y la CPU

El Microprocesador es un circuito integrado formado por millones de transistores que ejecuta las instrucciones de los programas mediante operaciones aritméticas y lógicas.

Componentes de la CPU

• Unidad de Control: Coordina la ejecución de las instrucciones.
• ALU (Unidad Aritmético Lógica): Realiza cálculos y operaciones lógicas.
• Registros: Áreas de almacenamiento temporal de alta velocidad dentro del procesador.
• Núcleos (Cores): Unidades de procesamiento independientes dentro de un mismo chip que permiten ejecutar tareas en paralelo.

Hitos y Tecnologías

• Intel 4004: Primer microprocesador (4 bits, 740 kHz, 46 instrucciones).
• Memoria Caché: Memoria de acceso ultra rápido organizada en niveles (L1, L2, L3) para reducir el tiempo de acceso a datos frecuentes.

Ciclo de Ejecución de una Instrucción

1. Fetch (Leer): La CPU obtiene la instrucción desde la memoria.
2. Decode (Decodificar): La Unidad de Control interpreta la instrucción.
3. Execute (Ejecutar): Se realiza la operación (interviene la ALU).
4. Writeback (Escribir): El resultado se almacena en un registro o memoria.

Ley de Moore y Miniaturización

La Ley de Moore establece que la cantidad de transistores en un circuito integrado se duplica aproximadamente cada dos años. Esta reducción del tamaño de los transistores permite una mayor capacidad de procesamiento.

Sistemas de Almacenamiento

• HDD (Hard Disk Drive): Utiliza tecnología magnética y partes mecánicas (platos, cabezales, motor).
• SSD (Solid State Drive): Utiliza memoria flash de estado sólido. Es no volátil, más rápido, silencioso y no tiene partes móviles.

Interconexión y Buses

Los Buses son conductores que permiten la conexión lógica y eléctrica entre subsistemas.

Tipos de Transferencia

• Bus Serie: Los datos se transmiten bit a bit secuencialmente.
• Bus Paralelo: Varios bits se transmiten simultáneamente.

Funciones de los Buses

• Bus de Datos: Transporta la información entre la CPU y otras unidades.
• Bus de Direcciones: Indica la posición de memoria que se desea utilizar.
• Bus de Control: Transporta señales para coordinar y sincronizar las operaciones.

Sistemas Numéricos en Informática

La computadora utiliza el Sistema Binario (0 y 1) debido a la naturaleza de los circuitos digitales.

Conversiones y Códigos

• Binario a Octal/Hexadecimal: Agrupación de bits (de a 3 para octal, de a 4 para hexadecimal).
• Código BCD (Binary Coded Decimal): Representación de cada dígito decimal individualmente con 4 bits (ejemplo: 25 en BCD es 0010 0101).