Buch lesen: «Montaje de componentes y periféricos microinformáticos. IFCT0108», Seite 5
2. Arquitectura
Cuando se habla de arquitectura de un ordenador se hace referencia al hardware y a cómo se organiza este de manera que el ordenador cumpla su cometido. El hardware de casi todos los ordenadores actuales, y por tanto el del PC, sigue el modelo estructural básico definido por la arquitectura de Von Neumann o de Eckert-Mauchly que se basa en los siguientes principios:
1 Se utiliza el sistema de numeración binario para simplificar la electrónica y hacerla más eficiente, ya que este sistema está implícito en la electrónica digital.
2 Los programas se almacenan en memoria junto a los datos, por lo que no necesita otras memorias o sistemas para almacenar y ejecutar los programas y se acelera la velocidad de procesamiento.
Nota
El hardware de un ordenador está constituido por todas las partes físicas que lo integran, es decir, las placas y circuitos de componentes electrónicos y eléctricos.
Siguiendo estos principios la arquitectura básica del ordenador quedó configurada por cinco módulos que son los siguientes:
1 La unidad aritmético-lógica o ALU (Aritmetic-Logic Unit), como es más conocida, es donde se realizan las operaciones con los datos que ordenan las instrucciones de los programas. La ALU debe ser capaz de realizar operaciones matemáticas con los datos dados en formato digital, como sumas, restas, productos y divisiones, así como operaciones lógicas y comparaciones entre los datos. La operación a realizar es indicada por la unidad de control mediante la señal (C). Los datos a operar pueden provenir de la memoria (3) o de la unidad de entrada (2).
2 La unidad de control es el dispositivo que coordina y dirige el funcionamiento del resto de los módulos, ya que es donde se introducen las instrucciones del programa, y se encarga de dar las órdenes concretas al resto de módulos mediante señales eléctricas de temporización y control para que se realice dicha instrucción [(A), (B), (C), (D)]. Los ordenadores incorporan un reloj interno que sirve para que la unidad de control pueda repartir su tiempo entre las distintas tareas que realiza, así como para sincronizar las transferencias de datos entre las distintas unidades funcionales. La unidad de control recibe las instrucciones del programa a ejecutar de la memoria mediante la conexión indicada en (6).
3 La memoria es el lugar donde se guardan las instrucciones y los datos del programa en forma de dígitos binarios, es decir, ceros y unos. La memoria permite escribir y leer los datos todas las veces que se necesite. En ella pueden ser escritos los datos desde la unidad de entrada (1) o desde la ALU (4). Así mismo, los datos pueden ser leídos de la memoria desde la ALU (3) o desde la unidad de salida (7). Las instrucciones de programa serán leídas por la unidad de control (6).
4 La unidad de entrada es el dispositivo que se encarga de recibir la información y los datos del exterior para almacenarlos en la memoria (1). También se encargaría de recibir el programa y sus datos de modo que pueda ser almacenado en memoria y recogido por la unidad de control para ejecutarlo. Puede que incluso enviar datos directamente a la ALU para su operación sin que pasen por memoria (2).
5 La unidad de salida se encarga de devolver los resultados de la ejecución del programa al exterior de modo que puedan ser mostrados a través de los dispositivos de salida, como el monitor, impresora, disco duro, etc., pudiendo provenir los datos directamente de la ALU (5) o de la memoria (7).
2.1. El procesador
La unidad central de proceso (CPU), en inglés Central Process Unit, viene a ser el cerebro del ordenador y tiene por misión efectuar las operaciones aritmético-lógicas y controlar las transferencias de información a realizar. La CPU está formada por los elementos más críticos de la arquitectura de Von Neumann, es decir, la ALU y la unidad de control, y en la actualidad estos dos componentes están construidos en un solo circuito integrado llamado microprocesador.
A continuación se muestra un ejemplo del funcionamiento de un ordenador con esta arquitectura. Se sigue la ejecución de un programa que suma tres números introducidos por el teclado y muestra el resultado en pantalla. El primer paso sería la carga del programa en memoria a través de la unidad de entrada (1). Después la unidad de control daría la orden a la memoria (B) de leer la dirección de la primera instrucción del programa y la recogería (6). La instrucción dice que se ha de leer un dato hacia la ALU por lo que se da la señal a la unidad de entrada (A) de que introduzca el dato en la ALU (2). Se lee ahora la segunda instrucción de la memoria que es igual a la anterior, es decir, leer un dato y enviarlo a la ALU. La tercera instrucción indica que la ALU debe realizar una suma, por lo que se envía la señal de suma mediante (C), y almacenar el resultado en memoria (4). A continuación se lee un nuevo dato y se introduce en la ALU (2). Después se lee de memoria (B) el resultado de la suma anterior y se envía a la ALU (3). Ahora se realiza una nueva suma (C) y se envía el resultado definitivo a la salida (5), indicando a la unidad de salida qué se debe mostrar (D). Como se observa, la unidad de control gobierna todo el funcionamiento del ordenador y dirige todas las operaciones y transferencias de datos entre los demás módulos.
De esta manera, la arquitectura de un PC se puede simplificar a partir de la de Von Neumman. Para ello, se empieza por unir la unidad de control y la ALU en un solo módulo: el procesador.
2.2. La memoria
La memoria en la arquitectura de Von Neumman es la que permite almacenar los datos con que operarán los programas, así como las instrucciones que constituyen dichos programas.
El PC usa como memoria del sistema una memoria RAM (Random Access Memory o Memoria de Acceso Aleatorio) volátil, esto es, pierde su contenido al quedarse sin alimentación eléctrica. Debido a esto, un PC necesita una memoria secundaria no volátil que almacene el sistema operativo y los programas auxiliares, así como los datos que necesita para su funcionamiento. Esta memoria secundaria es el disco duro. Los datos necesarios para distintas sesiones de procesamiento del ordenador son copiados de esta manera de la memoria principal a la secundaria.
2.3. Unidades de entrada y salida
Las unidades de entrada y salida son las encargadas de comunicar el ordenador con el exterior pudiendo recibir datos mediante los periféricos de entrada y enviar datos al exterior mediante los de salida.
Nota
Al integrar los módulos de entrada y de salida de la arquitectura Von Neumman, estos no se eliminan del esquema del PC, sin embargo, se tratarán como dispositivos de entrada (teclado, ratón, etc.) y de salida (monitor, impresora, etc.).
Con todos estos mimbres, la arquitectura básica del PC, muy simplificada, quedaría como la siguiente figura:
Como se ve en el esquema, estos módulos de los que consta el ordenador deben estar conectados para transferir los datos a procesar. Aparece en este momento el concepto de bus.
Definición
Bus
Conjunto de líneas eléctricas que enlazan los distintos componentes del ordenador, por ellas se realiza la transferencia de datos entre todas sus unidades funcionales.
Concretando y utilizando el concepto de bus, el esquema general de la arquitectura de un PC es el que aparece en la siguiente ilustración:
En la imagen se observa que en un PC el procesador y la memoria principal están interconectados por el bus del sistema que es el principal de un PC y debe trabajar a una velocidad suficiente para alimentar al procesador con datos de la memoria RAM. Este bus está conectado al exterior mediante un controlador que hace de puente entre el bus del sistema y el bus de entrada/salida, que es el encargado de comunicarse con todos los dispositivos de entrada y salida. En esta arquitectura, el controlador de bus hace las funciones de la unidad de entrada y de la unidad de salida del esquema de Von Neumman, conectando el microprocesador y la memoria al exterior mediante los elementos periféricos. Como consecuencia de este esquema quedan también los dispositivos de memoria secundaria como dispositivos de entrada y salida, separándolos así del bus del sistema dado que su velocidad de operación es muy inferior a la del procesador y la memoria.
3. Cajas de ordenador
Para empezar a estudiar el hardware del PC, veremos el más sencillo de sus componentes, la caja.
Definición
Caja
La caja del PC, también llamada carcasa, torre o gabinete, es el chasis en el que se alojan todos los componentes hardware del PC de manera que puedan ser ensamblados de forma estable y queden protegidos, ya que las placas y conectores electrónicos son bastante delicados y sensibles al trato rudo. También es la encargada de alojar los elementos auxiliares al ordenador en sí, como la fuente de alimentación y los elementos de refrigeración del sistema.
El aspecto general de la carcasa es simplemente el de una caja metálica rectangular que presenta en su parte trasera los huecos necesarios para los conectores de la placa base, la fuente de alimentación y las tarjetas de expansión, mientras que en su parte frontal presenta los salidas necesarias para las unidades de almacenamiento extraíble, como los lectores de CD-ROM o DVD-ROM o las Disqueteras, así como los botones de encendido del equipo (Power) y reinicio hardware (Reset) y puede presentar también conectores para dispositivos externos (USB, Audio, Firewire, etc.).
Vista trasera y fronto-lateral de la carcasa abierta y vacía
3.1. Tipos
Existe una cierta variedad en el tamaño y formato de las carcasas para PC. Muchos de ellos se pueden encontrar fácilmente en el mercado, pero hay algún formato no estándar que tendrá ciertas peculiaridades a tener en cuenta a la hora del montaje y mantenimiento del equipo.
Se puede diferenciar principalmente entre dos tipos de formatos, el vertical, comúnmente llamado “torre”, y el horizontal, conocido como “sobremesa”.
Caja sobremesa
También se puede diferenciar según su tamaño en formatos torre o gran torre, semitorre, minitorre y miniPC (mini ITX).
3.2. Características básicas
Para definir las características básicas de la caja de un PC, se tomará como referencia la placa base más extendida en el formato ATX y sus derivados.
Importante
Las características que suelen definir una caja de ordenador son su tamaño, del que dependerán las bahías presentes para dispositivos y el tipo de placa base que admite, es decir, el factor de forma de la placa.
El formato vertical más grande es la llamada torre o gran torre (Full Tower) y no tiene un tamaño fijo pero, normalmente suele tener espacio para 5 o más bahías de 5 ¼ pulgadas (para CD-ROM, DVD-ROM) y para 5 o más bahías de 3 ½ pulgadas internas (para discos duros) y 1 o 2 externas (para disquetera). Dado su tamaño suele usarse para albergar servidores que requieran de una gran cantidad de discos duros y de unidades de almacenamiento externas.
El formato más difundido por su compromiso entre tamaño y capacidad, es la semitorre (Mid Tower). Suele tener una capacidad de 4 bahías de 5 ¼ pulgadas y 4 bahías de 3 ½ pulgadas internas y 1 o 2 externas. Son muy utilizadas y las más usadas, ya que tienen capacidad para albergar un número de dispositivos más que suficiente para cualquier PC doméstico o estación de trabajo.
Caja con formato minitorre
Un formato vertical menos usado es la llamada minitorre o torre mini (Mini Tower). Suele tener una capacidad para dos bahías de 5 ¼ pulgadas y 2 o 4 bahías de 3 ½ pulgadas internas y 1 o 2 externas. Son poco usadas en PC clónicos (ensamblados sin marca), ya que no son fáciles de encontrar. Suelen ser más comunes en PC de marca (como HP, Dell, Fujitsu-Siemens, etc.), ya que tienen un reducido tamaño, ideal para un PC doméstico que no va a requerir ampliaciones.
El formato horizontal de carcasa es el conocido como sobremesa o escritorio (Desktop). Suele tener las mismas bahías que una minitorre (2 de 5 ¼ pulgadas y 4 de 3 ½ pulgadas) pero ocupa el espacio de una semitorre (o algo menos, ya que suelen ser más delgadas), porque es más difícil acomodar las bahías de almacenamiento en horizontal, por lo que estas carcasas han caído un poco en desuso.
Un formato de carcasa que puede llegar a ser muy práctico es el mini PC que suele utilizar placas base mini-ITX, ya que su característica principal es su reducido tamaño.
Carcasa mini PC
Aplicación práctica
En el taller de montaje en el que trabaja recibe un pedido de tres equipos, un PC doméstico económico, un PC de gama alta que tendrá varios discos duros y unidades de DVD y Blu-Ray, y otro equipo que será un servidor para una empresa, que necesitará gran capacidad de almacenaje y ampliación y que requerirá varias bahías externas para unidades de cinta de backup para discos duros cambiables. Identifique la caja más adecuada en cada caso y diga el tipo de caja de que se trata.
| Caja | Nombre y PC que se montará |
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SOLUCIÓN
En la primera fila hay una torre completa que se debe utilizar para el servidor. La segunda fila corresponde a la minitorre que será suficiente para montar el PC económico. Por último, en la tercera fila hay una semitorre en la que se montará el PC de gama alta.
4. Fuentes de alimentación
Una fuente de alimentación es un dispositivo que se conecta a la red eléctrica y transforma la corriente alterna en continua y proporciona la tensión a la que funcionan los componentes del ordenador.
4.1. Tipos
En la actualidad se pueden encontrar dos tipos de fuentes de alimentación, a saber: la AT y la ATX.
La fuente AT es la que corresponde a las placas base más antiguas con factor de forma AT. Para la conexión de la fuente de alimentación a la placa, se utilizan dos conectores iguales de 6 contactos con el consiguiente peligro de intercambiar los conectores en la placa base inadvertidamente y quemarla. Cuando se enchufen estos conectores AT a la placa base, se debe hacer de tal forma que los cables negros estén juntos, quedando todos en el centro. En la actualidad es difícil encontrarse con equipos de formato AT, ya que han quedado obsoletos.
En el más moderno formato ATX se adopta un solo conector de 20 contactos en las primeras versiones y actualmente un conector de 24 contactos. Además este conector es de una sola postura, por lo que no podremos insertarlo al revés, evitando el riesgo que esto supondría.
Conector de alimentación AT y ATX
Nota
En versiones anteriores el conector era de 20 contactos.
En la actualidad, se ha revisado varias veces el factor de forma ATX/Micro-ATX para irse adaptando a las necesidades del nuevo hardware, que suele ser más exigente sobre todo en cuanto a alimentación eléctrica se refiere. Así se ha pasado de un conector de alimentación de 20 pines, a dos conectores: uno de 20 y otro de 4, y por último a un conector de 24 pines y otro de 4, por lo que se podrá encontrar fuentes de alimentación con varios tipos de conectores de alimentación ATX.
La siguiente imagen muestra las distintas versiones de los conectores ATX de más antigua a la más nueva (de izquierda a derecha).
4.2. Potencia
La característica más importante de una fuente de alimentación es la potencia que suministra en vatios (w). Las necesidades de potencia dependerán del consumo del equipo, por lo que es primordial suministrar la potencia que requiere el aparato para que pueda funcionar con estabilidad y de manera adecuada. Además, la fuente debe realizar una entrega de potencia constante y uniforme.
La potencia de las fuentes ha ido variando a lo largo del tiempo, ya que han aumentado las prestaciones de los equipos, lo que ha tenido la consecuencia de aumentar el consumo de energía. Si hace unos años era normal que una fuente tuviera una potencia de entre 250 y 350 watios, esa potencia es hoy en día insuficiente, estableciéndose el mínimo requerido en torno a los 450 vatios para equipos medios de sobremesa. Para un equipo de grandes prestaciones se necesitarán fuentes de alimentación de entre 500 y 650 vatios.
No es fácil saber la potencia que requerirá un PC, pero existen algunas calculadoras que permitirán, indicando los componentes del equipo, saber la potencia que deberá tener la fuente. En los siguientes enlaces encontrará varios calculadores de potencia para las fuentes de alimentación:
Rendimiento y consumo energético
Cuando se calcule la potencia que necesitará el equipo, se debe tener en cuenta utilizar una fuente que exceda dicha potencia, siendo aproximadamente el doble de la potencia que consumirá el equipo. Esto es porque se debe tener en cuenta que una fuente de alimentación tiene rendimiento óptimo entre el 20 % y el 100 % de carga, teniendo el máximo rendimiento en un 50 % de carga. Calculando el consumo del equipo para un 50 % o 60 % de carga se estará optimizando el rendimiento de la fuente, disminuyendo el ruido del ventilador y la temperatura de funcionamiento y además se tendrá potencia de reserva por si más adelante es necesario añadir componentes al equipo.
El consumo energético de la fuente no se gasta solo en la potencia suministrada a los componentes, sino que, por la propia naturaleza de la transformación, se consume energía que se transforma en calor en la resistencia interna de la fuente. De este modo, el rendimiento es la relación entre la potencia suministrada y la potencia útil entregada.
El rendimiento de una fuente de alimentación es un factor importante a tener en cuenta al elegirla. Por lo general, cuanto más calidad tenga una fuente, mejor rendimiento ofrecerá, por lo que lo ideal es utilizar fuentes de calidad de marcas reconocidas como Antec, Enermax, Fortron (FSP Group), Seasonic, Corsair, etc., ya que estas suelen ofrecer la potencia nominal que prometen, estabilidad de la corriente, sistemas de protección y, además, respetan la normativa sobre perturbación electromagnética.
Las fuentes de calidad de los fabricantes más importantes se están certificando en la actualidad respecto a su rendimiento con el certificado 80 Plus de la empresa Ecos Consulting. El certificado 80 Plus certifica que la fuente de alimentación es capaz de igualar o superar el 80 % de rendimiento (se entrega al menos un 80 % de la potencia consumida) en un rango de carga del 20 al 100 % de su potencia nominal.
Logos de la Certificación 80 Plus
Existen varios certificados 80 Plus, dependiendo de rendimiento conseguido por la fuente:
Otro factor a tener en cuenta en una fuente es la Corrección del Factor de Potencia (PFC). El PFC es un componente obligatorio en una fuente para respetar las normas europeas de perturbación electromagnética. Se pueden encontrar fuentes de alimentación con PFC pasivo o con PFC activo. Las fuentes de mayor calidad utilizan un PFC activo, que es preferible, ya que tienen un menor consumo eléctrico y, por ende, mayor esperanza de vida, y reducen en mayor medida las perturbaciones electromagnéticas en relación a las de PFC pasivo.
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