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Principio Básico de como Funiona un Ordenador

En los años 1950 se usó el término CPU (Central Processing Unit) para referirse a una caja que contenía circuitos con válvulas electrónicas para procesador datos. Actualmente esta función se ha logrado implementar en un solo chip o pastilla de material semiconductor, denominado microprocesador. Aunque ninguna máquina es realmente inteligente en el sentido de que pueda pensar y decidir, se dice que el microprocesador es la parte inteligente del computador, porque compara resultados de operaciones y toma por caminos previstos por el programador. El microprocesador lee las instrucciones de los programas que están cargados en la memoria y las va procesando de una en una a muy alta velocidad, haciendo las operaciones aritméticas y lógicas que se requieran. De las operaciones con cifras decimales, denominadas de punto flotante, se encarga una sección llamada coprocesador matemático.

Las CPUs se pueden dividir en dos categorías: las de un solo voltaje de alimentación, o single voltage, como las Pentium 6x86 y las AMD K5, que utilizan 3,5V para el núcleo (core voltage) y para los circuitos de entrada y salida (I/O voltage), y las que requieren dos voltajes distintos (dual-voltage), como las Pentium MMX, los cuales se configuran en el motherboard mediante puentes removibles. El bus para manejar los datos internos también se puede ajustar para operar a una velocidad comprendida entre 60 y 100 MHz. Lo uno y lo otro dependen del fabricante y la referencia de la CPU. La relación que hay entre la velocidad de la CPU y la velocidad de su bus, se llama CPU to Bus Frequency Ratio.

El usuario del computador maneja textos, cifras decimales y programas con caracteres alfanuméricos diversos, pero debido a que los circuitos internos de la máquina funcionan con impulsos de corriente eléctrica de sólo dos niveles de voltaje, deben convertir tales caracteres a un sistema binario equivalente, en el que el nivel bajo usualmente equivale al cero (0) y el nivel alto representa al uno (1). El 0 y el 1 se llaman dígitos binarios, pero se acostumbra más llamarlos bits, una abreviatura de binary digits. Con una combinación de 8 unos y ceros —8 bits—, denominada byte, se puede representar cualquier letra o signo del alfabeto. Y puesto que es posible hacer hasta 256 combinaciones distintas, ello quiere decir que se pueden representar hasta 256 caracteres. Por ejemplo, la frase MANUAL DEL USUARIO requiere 18 bytes —18 caracteres—, ya que los espacios en blanco también se cuentan. Tales espacios son los que eliminan los programas compresores de archivos para ahorrar espacio en el disco.

Los chips de memoria son circuitos electrónicos que tienen miles o millones de celdas que permiten retener temporalmente cargas eléctricas. La presencia de una carga eléctrica en la celda equivale a tener memorizado o escrito un 1 binario, y la ausencia equivale a tener un 0. Por ser el bit una unidad muy pequeña para uso práctico, la memoria se organiza en bancos o hileras de chips que permitan retener kilobytes (miles de grupos de ocho bits) o megabytes (millones de grupos de ocho bits).

Para ubicar y poder encontrar posteriormente cada uno de los bytes de datos escritos en la memoria, a cada celda o posición de memoria se le asigna una dirección que la identifique. La memoria se puede usar para grabar programas o información, como en el caso de la memoria ROM, los discos CD-ROM, el disco duro o los diskettes, o se puede usar para retener y manipular temporalmente los datos, tal como ocurre con la memoria RAM y la memoria caché.

Se denomina RAM a la memoria que, a manera de un cuaderno de borrador, retiene temporalmente información, instrucciones de programas y resultados parciales de operaciones de la CPU. Su nombre es el acrónimo de Random Access Memory, que significa "memoria de acceso directo a cualquiera de las posiciones". Existen varios tipos de memoria RAM, pero los más usuales son la DRAM, la SRAM (o caché), la FPM y la EDO.

Cargar un programa es leerlo total o parcialmente de la unidad de almacenamiento (disco, cinta magnética o lector de CD-ROM) y grabarlo en la memoria RAM, para ejecutarlo de manera más eficiente.

Para entender el funcionamiento de la memoria, imagina que hemos dibujado algo que ha de ser visto desde un lugar alto, y lo hicimos colocando en el piso del salón miles de copitas vacías y llenas con agua coloreada. Imagina también que el material de las copitas es poroso, y el agua se derrama lentamente. Si queremos conservar en buen estado el dibujo, entonces, periódicamente, a intervalos de tiempo, tendremos que cerrar al público las puertas del salón para proceder a rellenar cada una de las copitas antes de que su agua se seque. Claro que existe otra opción mejor: cambiar las copitas por otras de mejor calidad, que no requieran refrescamiento de la información, pero eso implica invertir más dinero.

Existen dispositivos o circuitos integrados —chips— que hacen las veces de las copitas del ejemplo, pero en vez de agua almacenan electrones (carga eléctrica). Unos pueden ser los denominados condensadores eléctricos, que presentan usualmente fugas de corriente a través del material aislante, y otros pueden ser los circuitos flip-flops de enclavamiento, que actúan como interruptores de encendido y apagado. Según el tipo de elemento empleado para retener las cargas, algunos tipos de circuitos integrados de memoria RAM pueden necesitar refrescamiento de los datos almacenados en sus celdas. Se llama DRAM (Dynamic RAM) a los chips de memoria que necesitan interrumpir periódicamente la tarea de la CPU para solicitar el refrescamiento (refresh) de las celdas que tienen datos. Esta memoria dinámica es la que más se utiliza en los computadores como memoria principal (memoria de trabajo).

Algunos fabricantes de computadores utilizan una placa madre (motherboard) que permite la colocación de cierta cantidad de memoria RAM estática (SRAM), también llamada memoria caché, implementada con circuitos integrados que no necesitan refrescamiento, lo cual permite que la CPU trabaje de manera más eficiente, dedicando todo el tiempo al proceso de los programas. El circuito del sistema está diseñado de tal manera que la CPU trata de usar al máximo la memoria caché, y lo que desborde su capacidad se trabaja en la RAM convencional.

La memoria EDO (Extended Data Output), también conocida como EDO DRAM o EDO RAM, es una RAM dinámica con salida de datos optimizada para uso en computadores con procesador Pentium. Acelera los accesos a ubicaciones consecutivas en la memoria, asumiendo que la siguiente operación de lectura o escritura tendrá como objetivo una dirección en la misma fila de transistores que el acceso anterior. Pone los datos en la salida del chip de tal forma que puedan ser leídos incluso al mismo tiempo en que las entradas cambian a la siguiente posición en la memoria.

La memoria EDO RAM reduce los tiempos de acceso al banco de memoria en un promedio de 10% en comparación con los chips de memoria DRAM, y su fabricación es tan solo un poco más costosa. En muchos sistemas modernos se está usando para reemplazar a la memoria DRAM convencional.

Entre las ventajas de la memoria EDO DRAM, están las siguientes: 1. Es más corto el ciclo de modo de página, y más rápida la transmisión de datos. 2. Rompe la limitación del acceso convencional temporizado por el sistema. 3. Su modo de página reduce la carga global del sistema. 4. El desempeño es un 5% mejor que el de la memoria FPDRAM para un sistema con caché de nivel 2.

El banco de memoria RAM en los primeros computadores personales estaba formado por filas de chips insertados en la placa principal. En una fila se usaban 8 chips para los datos propiamente dichos y un noveno para control de paridad, un método para detección de errores en el proceso de la grabación o lectura de los datos. Al llegar programas más complejos, con exigencia de más memoria, los fabricantes debieron recurrir al empleo de barras o módulos de memoria con bancos de chips.

Las primeras barras tenían capacidad para 256 KB. Los computadores actuales tienen de 2 a 4 zócalos para inserción de barras de memoria SIMM (72 pines) o DIMM (168 pines), tipo FPM (Fast Page Mode) o EDO (Extended Data Output), usualmente con capacidad para 16 MB, 32 MB, 64 MB, 128 MB ó 256 MB.

Además de la memoria RAM, o memoria de trabajo, en la que se pueden escribir, leer y borrar datos, existe un tipo de memoria electrónica que usualmente se graba una sola vez y no se vuelve a modificar ni borrar. ¿Recuerdas la cajita de música, aquella que funcionaba con cuerda y que tocaba esa melodía que tanto te gustaba cuando eras niño o niña? Todavía se consigue como parte de juguetes móviles para bebé y cofrecillos joyeros. Es un mecanismo formado por un cilindro cubierto por unos botoncitos o clavitos de acero ubicados convenientemente, de modo que al girar lentamente el cilindro pulsan las lengüetas de un peine metálico templado y afinado para dar las notas musicales. A mayor cantidad de clavitos en el cilindro, mayor es el repertorio de combinación de las notas.

La cajita de música se comporta como una memoria mecánica para lectura solamente, ya que no puede ser regrabada. En inglés se dice que es una Read Only Memory y se identifica con el acrónimo ROM. La canción ha sido escrita en forma digital en el cilindro por el fabricante.

Para almacenar códigos de texto y de video, además de música, sería necesario un cilindro con millones de clavitos pulsadores y un sensor lector apropiado. En la práctica, en vez del cilindro se utilizan medios magnéticos, ópticos y electrónicos que soportan mayor cantidad de elementos de información (equivalentes también a los clavitos de la cajita, aunque de otro estilo).

Si el medio es magnético, como en las unidades de cinta y algunos discos, los clavitos son reemplazados por grupitos de imanes muy pequeños inducidos en la superficie mediante un electroimán llamado cabeza de lectura/escritura (R/W head).

Si el medio es óptico, como en los discos compactos digitales (CD), en vez de clavitos se utilizan pistas de millones de microscópicos hoyitos —pits— o quemones, los cuales hacen pulsar el reflejo de un rayo de luz láser que hace las veces de las lengüetas lectoras de la cajita de música. Si el medio es electrónico, los clavitos se representan por miles o millones de interruptores o celdas que pueden retener electricidad (electrones con cierto voltaje o presión).

La memoria ROM (Read Only Memory) o de sólo lectura se usa para almacenar programas o datos que tienen que ver con el diseño del sistema principal, o con alguna de sus partes, tal como la tarjeta de video VGA (maneja lo que tiene que ver con la imagen), la tarjeta controladora de las unidades de disco, la tarjeta de sonido, etc.

Algunos chips de memoria ROM, los EE-ROM, se pueden borrar mediante señales eléctricas. Otros, los EPROM, se pueden borrar iluminando con luz ultravioleta la pastilla del semiconductor a través de una ventanilla que tienen en la parte superior del encapsulado. Por lo general, los datos escritos en una memoria ROM permanecen intactos aunque falle el suministro de corriente eléctrica, o el usuario se equivoque en el manejo del computador.

Lo que hace funcionar a un computador, son los programas o juegos de instrucciones que la CPU debe interpretar y ejecutar. A tales instrucciones se les llama software, un nombre genérico que significa blando, flexible, porque originalmente se graban en un disco y son susceptibles de modificaciones. Hacer que un computador comience a funcionar y se mantenga funcionando es más fácil cuando parte del software está grabado de manera permanente en una memoria ROM en el interior del computador, y no en un disco. A los programas grabados en ROM se les llama firmware, que significa duro, inflexible, que no se puede modificar.

La memoria ROM se usa para grabar las rutinas de inicio, el POST y los programas del BIOS. Las rutinas de inicio son los programas encargados de supervisar de manera automática la puesta en marcha del computador cuando es encendido. Verifican la memoria RAM instalada, comprueban los dispositivos periféricos instalados, y sincronizan y ponen en posición de inicio (reset) los chips del sistema. Por último, el BIOS busca y ejecuta en las unidades de disco duro, de diskette o de CD, los archivos de arranque del sistema operativo.

Si el computador no tiene disco, cosa poco corriente hoy día, los programas de arranque de la ROM principal buscan una memoria Boot ROM secundaria que tenga grabados los archivos de inicio del sistema. A las pruebas automáticas de la fiabilidad del computador, para estar seguros de que todo está trabajando como debe ser, se les llama POST (Power-On Self Test). Cuando éstas terminan, en algunos computadores se produce un sonido corto, a manera de bip, para indicar que el control ha pasado al sistema operativo del disco (a los programas de extensión de la ROM).

El BIOS es un conjunto de rutinas o servicios en lenguaje de máquina, grabados en uno o dos chips de memoria ROM o de memoria Flash, la cual se puede actualizar mediante un programa externo. Se utiliza para controlar las operaciones de entrada y salida de datos del sistema, tales como la comunicación con la impresora, las unidades de disco, el teclado, el monitor de video y cualquier otro dispositivo similar. Los programas del BIOS convierten un comando simple, tal como la orden para leer texto del disco, en una secuencia de pasos necesarios para ejecutar dicha tarea, incluyendo la detección y corrección de errores.

El BIOS sirve de intermediario entre los programas que se están ejecutando en la memoria RAM y los dispositivos periféricos (hardware). Recibe las solicitudes efectuadas por los programas para realizar los servicios de entrada/salida, lo cual hacen mediante combinación de dos números: el número de la interrupción (indica cuál es el dispositivo solicitado, tal como la impresora), y número de servicio (indica la tarea específica que se quiere realizar). El BIOS también se comunica con los dispositivos (hardware) del computador (pantalla, unidades controladoras de disco, etc.) usando los códigos de control específicos requeridos por cada dispositivo.

El BIOS maneja, además, algunas interrupciones de hardware generadas por dispositivos para solicitar atención de la CPU. Por ejemplo, cada vez que el usuario pulsa una tecla, el teclado genera una señal de solicitud de interrupción que es reconocida por el BIOS y éste ejecuta el servicio correspondiente.

Debido a que de un disco duro a otro pueden variar el número de cabezas de lectura/escritura (dos por cada plato), la cantidad de cilindros y el número de sectores por pista, según el diseño y la capacidad de información, el BIOS necesita conocer exactamente la geometría o características de las unidad controladora de disco instalada en el computador. Los BIOS modernos contienen una tabla con los parámetros de los discos duros más usuales, para que el usuario seleccione con un número los que corresponden a su máquina.

En los BIOS modernos, si la tabla interna no tiene los parámetros del disco requerido por el usuario, éste dispone de uno o dos renglones para actualizarla. Este dato se necesita para el formateo de bajo nivel del disco y para que la tabla FAT reserve una cantidad de entradas correspondientes con el número de sectores del disco.

A los programas que se agregan a los del BIOS cuando se instala cierto equipo opcional, tal como un disco duro tipo SCSI, se les llama extensiones del BIOS. También se considera extensión al archivo oculto IBMBIO.COM del sistema operativo DOS grabado en el disco (o al equivalente del sistema operativo instalado en el equipo).

En vez de BIOS en memoria ROM convencional, los sistemas modernos vienen equipados con un Flash ROM que le permite al usuario actualizar las rutinas del BIOS a versiones nuevas sin tener que cambiar piezas. Es un chip de memoria que se puede actualizar eléctricamente con las mejoras que haya hecho el fabricante, mediante un programa suministrado en disco o bajado por Internet. Para los BIOS Award se llama AWDFLASH. A diferencia de la memoria RAM, la Flash no se borra al faltar la energía.

El Chipset es uno o más circuitos integrados LSI (usualmente dos de muy alta integración) que albergan en su interior toda la circuitería de otros integrados menores usados, entre otras cosas, para dar soporte al microprocesador en lo que tiene que ver con la transferencia de entrada y salida de datos. Manejan el bus de direcciones y de datos; tienen a su cargo las funciones del generador de reloj, del controlador de bus, el reloj de tiempo real (hora y fecha) y la implementación Maestro-Esclavo de los controladores programables de interrupciones.

El chipset permite modificar la hora y la fecha del sistema (tiempo real o RTC), definir el tipo de monitor, ajustar la velocidad de reloj para las conexiones de entrada y salida de datos de las tarjetas de expansión con el bus AT (bus ISA de 16 bits), activar o desactivar la memoria caché, ajustar los tiempos de espera y retardo para la memoria y las operaciones de entrada/salida (I/O). Algunos también permiten especificar el tipo de chips de memoria DRAM utilizados y activar la función de memoria sombra (shadow RAM).

El setup es parte crucial en la determinación de la configuración del computador, ya que una buena definición hace al sistema más rápido, y una mala puede producir bloqueos esporádicos.

La placa principal (main board, system board) de todo computador (se excluyen los viejos XT) tiene un circuito integrado de tecnología CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) encargado de guardar la información que el usuario define cuando instala o reconfigura el sistema, proceso que en inglés se llama setup (pronúncialo "sérap"). Dicho integrado tiene en su interior el circuito de un reloj para mantener la hora y la fecha reales (real-time clock), así como 64 bytes de memoria RAM. Usualmente la referencia del chip es MC146818, HM6818A u 82230.

El reloj de tiempo real utiliza 14 bytes de memoria RAM para almacenar los datos. Los otros 50 bytes son de uso general; se emplean para guardar la configuración, tal como la cantidad de memoria, los tiempos de espera (wait state) para las transferencias de datos, el tipo de monitor y discos usados. Esta información se introducía inicialmente con un programa que se suministraba en un diskette, pero actualmente forma parte de la programación grabada en el integrado ROM BIOS de la máquina.

En unos equipos se puede entrar al menú del setup oprimiendo la tecla DEL (o Supr si tienes teclado en español) un poco después de encender el computador, cuando aparezca en la pantalla la frase "hit <DEL> if you want to run setup". En otros, es necesario oprimir a la vez la combinación de teclas Ctrl + Alt + Esc, o Ctrl + Alt + S.

Para que no se borre la información grabada en el bloque de memoria RAM del circuito integrado CMOS RAM, éste recibe energía permanente de una batería de respaldo (battery backup), la cual puede durar hasta dos o más años. En reemplazo de la batería original se pueden colocar de 3 a 4 pilas corrientes de 1,5V, conectadas en serie para obtener 4,5 ó 6 voltios.

Esta sección se ha realizado gracias a la colaboración de Aurelio Mejía Mesa

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