El computador

Un computador es básicamente una máquina que realiza dos funciones básicas: ejecuta en forma muy rápida una secuencia de instrucciones (un programa) y almacena y recupera grandes cantidades de información (datos). De acuerdo a esto, un computador puede caracterizarse por su velocidad de operación (medida en Hertz o ciclos por segundo), el tipo de instrucciones que puede ejecutar (esto determina el tipo de computador) y la capacidad de su memoria (medida en bytes).

El término hardware se refiere a la circuitería electrónica que posee un determinado computador y software a los programas que dicho computador puede ejecutar. Dentro del hardware están, entre otras cosas, el procesador, la memoria RAM, el disco duro, la placa madre, la tarjeta de sonido, el monitor y el lector de CD. Incluídos en el software están el sistema operativo y programas tales como procesadores de texto, planillas de cálculo, agendas y juegos. El sistema operativo es un conjunto de programas que permiten que el hardware funcione correctamente y que el usuario cree otros programas para usos más específicos.

Figura 4.11: Estructura básica de un computador

En la figura numero 4.11 se puede apreciar la estructura básica de un computador. En ella se aprecian cuatro unidades fundamentales: memoria externa, entrada/salida, unidad central de procesos (CPU) y memoria interna. La Unidad Central de Procesos (CPU en inglés), es el sistema central del computador. Controla la operación del sistema leyendo e interpretando instrucciones para el flujo de la información. Estas instrucciones pueden también tomar decisiones basadas en los datos que son almacenados en el computador o en dispositivos externos. Es esta propiedad de tomar decisiones la que diferencia a un computador de, por ejemplo, una simple calculadora.

La memoria guarda tanto programas (instrucciones) como datos. Está dividida en distintas particiones en las cuales la información es almacenada. Cada partición de memoria está unívocamente asociada a un número de dirección. La CPU utiliza este número tanto para almacenar como para leer la información contenida en una partición determinada.

Cuando el computador es encendido, el harware interno le da a la CPU la dirección de memoria que contiene la primera instrucción de programa. La ejecución del programa comienza en este momento. Las instrucciones siguentes son obtenidas en forma secuencial a partir de las sucesivas direcciones de memoria a menos que el programa indique a la CPU que hay que hacer un salto a alguna dirección de memoria distinta.

Mientras la CPU está ejecutando algo, el programa puede hacer referencias a direcciones de memoria distintas a las que contienen las instrucciones del programa ya sea para almacenar datos o para ejecutar otras instrucciones.

El programa almacenado en memoria le otorga al computador la flexibilidad de ejecutar una gran cantidad de tareas diversas, porque el programa puede ser cambiado fácilmente cambiando sólo las direcciones de memoria. Esto no siempre fue así. Antiguamente los programas y los datos no compartían la misma memoria, por lo tanto los cambios en los programas eran dificultosos porque muchas veces implicaban también cambio en el hardware. Pero a fines de 1940, John von Neumann llevó a cabo la idea de utilizar la misma memoria tanto para los datos como para los programas. Este nueva concepción fue todo un hito en la historia de la computación, pues permitió que los programas fueran tratados como datos. De esta manera, los programas pueden utilizarse para escribir otros programas, lo que facilita la labor del programador. Actualmente, el noventa por ciento de los computadores modernos utiliza la arquitectura de von Neumann.

Existen dos tipos básicos de memoria: ROM y RAM. La memoria ROM (Read Only Memory) es una memoria que no puede alterada durante el proceso normal de ejecución de la CPU. Por lo general, las instrucciones de inicialización de un computador están contenidas en memoria de este tipo, de manera de garantizar que el computador siempre se reinicie de la misma manera. La memoria RAM (Random Access Memory) es una memoria volátil, en el sentido de que puede ser leída y escrita por la CPU y una vez que el computador se apaga, su contenido es borrado. La cantidad de memoria RAM que un posee un computador determina el tamaño de los programas que éste puede ejecutar.

Una instrucción de CPU puede utilizar uno o más bytes. La mayoría de los computadores utiliza instrucciones de largo variable: de esta manera se optimiza el uso de la memoria, dado que instrucciones más simples necesitan menos memoria que las que son más complejas.

Para que el trabajo de la CPU sea útil, es necesario que ésta tenga acceso a información externa y tenga los mecanismos necesarios para reportar el resultado de sus cálculos. El sistema en Entrada/Salida (Input/Output en inglés, o simplemente I/O), permite a la CPU interactuar con una gran cantidad de dispositivos externos. Ejemplos de dispositivos de entrada son el teclado y el mouse y de salida el monitor o una impresora que permiten al usuario interactuar adecuadamente con el computador.

Un ejemplo de este tipo de dispositivo es el disco duro, que constituye la memoria externa del computador. Este disco almacena datos y programas que no están siendo utilizados por la CPU en un determinado momento y tiene la capacidad de guardar su contenido en el tiempo, es decir, su contenido no desaparece una vez que el computador es apagado. Otro ejemplo es el CD-ROM, dispositivo que permite guardar información en un disco removible. Por lo general, este tipo de dispositivos tiene una capacidad de almacenamiento bastante mayor que la memoria RAM y pueden llegan al orden de 20 o más Gigabytes (mil millones de bytes).

Todas las instrucciones que ejecuta la CPU están sincronizadas por un reloj interno que oscila con una frecuencia del orden de los 1000 MHz en el caso de los computadores más modernos. Este sincronismo es necesario para que, por ejemplo, la CPU no trate de leer y escribir en una misma dirección de memoria al mismo tiempo. La velocidad de oscilación de este reloj se conoce como la velocidad de operación del computador y determina el número de instrucciones por segundo que la CPU puede ejecutar aunque no necesariamente en una relación uno a uno.