2.- Componentes internos de una PC

Motherboards: La motherboard es la placa de circuitos impresos principal que contiene los buses o rutas eléctricas que se encuentran en una PC. Estos buses permiten que los datos se desplacen entre los diversos componentes que forman parte de una PC. En la Figura 1, se muestra una variedad de motherboards. La motherboard también se conoce como “placa del sistema” o “placa base”.

La motherboard alberga a la unidad central de proceso (CPU, central processing unit), la memoria de acceso aleatorio (RAM, random access memory), las ranuras de expansión, el conjunto de disipador térmico y ventilador, el chip del sistema básico de entrada y salida (BIOS, basic input/output system), el conjunto de chips y los circuitos que interconectan los componentes de la motherboard. Los sockets, los conectores internos y externos, y diversos puertos.

CPU: La unidad central de proceso (CPU, central processing unit) se considera el cerebro de la PC. A veces, se la denomina “procesador”. La mayoría de los cálculos se realizan en la CPU. Con respecto a la capacidad de cómputo, la CPU es el elemento más importante de un sistema de computación. Las CPU tienen distintos factores de forma, y cada estilo requiere una ranura o un socket en particular en la motherboard. Entre los fabricantes de CPU más conocidos se incluyen Intel y AMD.

El socket o la ranura de la CPU es la conexión entre la motherboard y el procesador. La mayoría de los sockets de CPU y de los procesadores que se usan en la actualidad se fabrican sobre la base de las arquitecturas de matriz de rejilla de pines (PGA, pin grid array), que se muestra en la Figura 1, y de matriz de contactos en rejilla (LGA, land grid array), que se muestra en la Figura 2. En la arquitectura PGA, los pines en la parte inferior del procesador se insertan en el socket, generalmente con una fuerza de inserción nula (ZIF, zero insertion force). La ZIF se refiere a la cantidad de fuerza que se necesita para instalar una CPU en el socket o la ranura de la motherboard. En la arquitectura LGA, los pines se encuentran dentro del socket y no en el procesador. 

La CPU ejecuta un programa, que es una secuencia de instrucciones almacenadas. Cada modelo de procesador tiene un conjunto de instrucciones que debe ejecutar. La CPU ejecuta el programa al procesar cada uno de los datos como lo ordena el programa y el conjunto de instrucciones. Mientras la CPU ejecuta un paso del programa, las instrucciones restantes y los datos se almacenan en una memoria especial cercana denominada “caché”. Existen dos arquitecturas principales de CPU relacionadas con los conjuntos de instrucciones:

• PC con conjunto de instrucciones reducido (RISC, Reduced Instruction Set Computer): las arquitecturas usan un conjunto de instrucciones relativamente pequeño. Los chips RISC se diseñan para ejecutar estas instrucciones muy rápidamente.

• PC con conjunto de instrucciones complejo (CISC, Complex Instruction Set Computer): las arquitecturas usan un amplio conjunto de instrucciones, lo cual provoca que haya menos pasos por operación.

Algunas CPU Intel incorporan la tecnología hyperthreading para mejorar el rendimiento de la CPU. Con la tecnología hyperthreading, se ejecutan varias porciones de código (subprocesos) simultáneamente en la CPU. Para un sistema operativo, una única CPU con tecnología hyperthreading opera como si hubiera dos CPU cuando se procesan varios subprocesos.

Algunos procesadores AMD usan la tecnología hypertransport para mejorar el rendimiento de la CPU. La tecnología hypertransport es una conexión de alta velocidad y baja latencia entre la CPU y el chip puente norte.

La potencia de una CPU se mide según la velocidad y la cantidad de datos que puede procesar. La velocidad de una CPU se clasifica en ciclos por segundo, como millones de ciclos por segundo, denominados “megahercios” (MHz), o miles de millones de ciclos por segundo, denominados “gigahercios” (GHz). La cantidad de datos que una CPU puede procesar a la vez depende del tamaño del bus en la parte delantera (FSB, front side bus). Este también se denomina “bus de la CPU” o “bus de datos del procesador”. Se puede aumentar el rendimiento si se aumenta el ancho del FSB. El ancho del FSB se mide en bits. El bit es la unidad de datos más pequeña de una PC y es el formato binario en el que se procesan los datos. Los procesadores actuales usan un FSB de 32 bits o de 64 bits.

La técnica de aceleración del reloj se utiliza para hacer que un procesador funcione a una velocidad mayor que la que se le especificó originalmente. Esta técnica no es un método recomendable para mejorar el rendimiento de la PC y puede provocar daños a la CPU. Lo opuesto a la técnica de aceleración del reloj es la moderación de velocidad de la CPU. La moderación de velocidad de la CPU es una técnica que se usa cuando el procesador funciona a una velocidad inferior a la nominal para conservar la energía o producir menos calor. La moderación de velocidad se suele utilizar en las computadoras portátiles y en otros dispositivos móviles.

Las tecnologías de procesador más modernas ayudaron a que los fabricantes de CPU encontraran formas de incorporar más de un núcleo de CPU en un único chip. Estas CPU pueden procesar varias instrucciones a la vez:

• CPU de núcleo único: un núcleo dentro de una única CPU que se encarga de todos los procesos. El fabricante de la motherboard puede proporcionar sockets para más de un único procesador, lo que proporciona la capacidad de armar un equipo multiprocesador potente.

• CPU de doble núcleo: dos núcleos dentro de una única CPU en la que ambos núcleos pueden procesar información al mismo tiempo.

• CPU de triple núcleo: tres núcleos dentro de una única CPU que en realidad es un procesador de cuatro núcleos en el que uno de ellos está deshabilitado.

• CPU de cuatro núcleos: cuatro núcleos dentro de una única CPU.

• CPU de seis núcleos: seis núcleos dentro de una única CPU.

• CPU de ocho núcleos: ocho núcleos dentro de una única CPU.

Sistemas de Refrigeración: El flujo de corriente entre los componentes electrónicos genera calor. Los componentes de la PC funcionan mejor cuando se los mantiene refrigerados. Si no se elimina el calor, es posible que la PC funcione más despacio. Si se acumula demasiado calor, se pueden dañar los componentes de la PC.

Aumentar la circulación de aire en el gabinete de la PC permite que se elimine el calor. El ventilador instalado en el gabinete de la PC, como se muestra en la Figura 1, hace que el proceso de refrigeración sea más eficaz. Además del ventilador del gabinete, el disipador térmico le quita calor al núcleo de la CPU. El ventilador que se encuentra en la parte superior del disipador térmico, como se muestra en la Figura 2, aleja el calor de la CPU.

Existen otros componentes que también son vulnerables al daño que causa el calor y que a veces cuentan con ventiladores. Las tarjetas adaptadoras de video también generan mucho calor. El propósito de los ventiladores es refrigerar la unidad de procesamiento gráfico (GPU, graphics-processing unit), como se muestra en la Figura 3.

Las PC con CPU y GPU extremadamente rápidas pueden utilizar un sistema de refrigeración por agua. Se coloca una placa metálica sobre el procesador y se bombea agua por encima de la parte superior para que absorba el calor que genera el procesador. El agua se bombea a un radiador para liberar el calor en el aire y, a continuación, se hace que vuelva a circular.

ROM: Los chips de memoria almacenan los datos en forma de bytes. Los bytes representan información, por ejemplo, letras, números y símbolos. Un byte es la unidad de información direccionable más pequeña de la PC. Cada bit se almacena como un 0 o un 1 en el chip de memoria.

Los chips de memoria de solo lectura (ROM, read-only memory) se encuentran en la motherboard y en otras placas de circuitos. Los chips de ROM contienen instrucciones a las que la CPU puede acceder de forma directa. Las instrucciones básicas para el funcionamiento, como arrancar la PC y cargar el sistema operativo, se almacenan en la ROM. Los chips de ROM retienen el contenido aun cuando la PC está apagada. El contenido no se puede borrar ni cambiar por medios normales.

NOTA: en ocasiones, la ROM se denomina “firmware”. Esto es engañoso, ya que el firmware, en realidad, es el software que se almacena en un chip de ROM.

RAM:  La RAM es el área de almacenamiento temporal de datos y programas a los que accede la CPU. La RAM es una memoria volátil, lo cual significa que el contenido se borra cuando se apaga la PC. Cuanta más RAM tiene una PC, más capacidad tiene de contener y procesar programas y archivos de gran tamaño. Una mayor cantidad de RAM también mejora el rendimiento del sistema. La cantidad máxima de RAM que se puede instalar está limitada por la motherboard y el CPU instalados.

Módulos de memoria: La RAM que tenían las primeras computadoras en la motherboard se instalaba en forma de chips individuales. Los chips de memoria individuales, denominados “chips de paquete doble en línea” (DIP, dual inline package), eran difíciles de instalar y solían aflojarse. Para solucionar este problema, los diseñadores soldaron los chips de memoria en una placa de circuitos especial para crear un módulo de memoria. En la Figura 1, se describen los distintos tipos de módulos de memoria.

NOTA: los módulos de memoria pueden ser de simple o doble cara. Los módulos de memoria de simple cara contienen RAM en una sola cara del módulo. Los módulos de memoria de doble cara contienen RAM en ambas caras.

La velocidad de la memoria tiene un impacto directo en la cantidad de datos que puede trabajar un procesador, ya que una memoria más rápida mejora el rendimiento de este último. Al aumentar la velocidad del procesador, la velocidad de la memoria también debe aumentar. Por ejemplo, la memoria de canal único es capaz de transferir datos a 64 bits por ciclo de reloj. La memoria de doble canal aumenta la velocidad al usar un segundo canal de memoria, lo cual genera una velocidad de transferencia de datos de 128 bits.

La tecnología de doble velocidad de datos (DDR, Double Data Rate) duplica el ancho de banda máximo de la RAM sincrónica dinámica (SDRAM, Synchronous Dynamic RAM). La tecnología DDR2 ofrece un rendimiento más rápido y utiliza menos energía. La tecnología DDR3 funciona a velocidades aun mayores que la DDR2. Sin embargo, ninguna de las tecnologías DDR es compatible con tecnologías anteriores o posteriores. En la Figura 2, se muestran varios tipos y velocidades comunes de memoria.

Caché: La RAM estática (SRAM, Static RAM) se usa como memoria caché para almacenar los datos y las instrucciones de uso más reciente. La SRAM le proporciona al procesador un acceso más rápido a los datos que la RAM dinámica (DRAM, dynamic RAM), o memoria principal, que tarda más en recuperarlos. En la Figura 3, se describen los tres tipos de memoria caché más comunes.

Verificación de errores: Los errores de memoria se producen cuando los datos no se almacenan correctamente en los chips de RAM. La PC utiliza distintos métodos para detectar y corregir los errores de datos en la memoria. En la Figura 4, se describen los distintos tipos de verificación de errores.

Tarjetas adaptadoras y ranuras de expansión: Las tarjetas adaptadoras aumentan la funcionalidad de una PC al agregar controladores para dispositivos específicos o al reemplazar los puertos que no funcionan correctamente. En la Figura 1, se muestran varios tipos de tarjetas adaptadoras, muchas de las cuales se pueden integrar a la motherboard. Las siguientes son algunas de las tarjetas adaptadoras que se suelen usar para expandir y personalizar la capacidad de una PC:

• Tarjeta de interfaz de red (NIC, Network Interface Card): conecta una PC a una red mediante un cable de red.

• NIC inalámbrica: conecta una PC a una red mediante el uso de radiofrecuencias.

• Adaptador de sonido: proporciona capacidad de audio.

• Adaptador de video: proporciona capacidad gráfica.

• Tarjeta de captura: envía una señal de video a una PC para que se pueda grabar la señal en el disco duro de la PC con un software de captura de video.

• Tarjeta sintonizadora de TV:proporciona la capacidad de mirar y grabar señales de televisión en una PC al conectar una televisión por cable, un satélite o una antena a la tarjeta sintonizadora instalada.

• Adaptador de módem: conecta una PC a Internet mediante una línea telefónica.

• Adaptador de interfaz de sistema para pequeñas computadoras (SCSI, Small Computer System Interface): conecta los dispositivos SCSI, como los discos duros o las unidades de cinta, a una PC.

• Adaptador de matriz redundante de discos independientes (RAID, Redundant Array of Independent Disks): conecta varios discos duros a una PC para proporcionar redundancia y mejorar el rendimiento.

• Puerto de bus serie universal (USB, Universal Serial Bus): conecta una PC a los dispositivos periféricos.

• Puerto paralelo: conecta una PC a los dispositivos periféricos.

• Puerto serie: conecta una PC a los dispositivos periféricos.

Las PC tienen ranuras de expansión en la motherboard para instalar las tarjetas adaptadoras. El tipo de conector de la tarjeta adaptadora debe coincidir con la ranura de expansión. En la Figura 2, se muestran los distintos tipos de ranuras de expansión.

La tarjeta riser se utilizaba en los sistemas de computación con el factor de forma LPX para permitir la instalación horizontal de las tarjetas adaptadoras. La tarjeta riser se usaba principalmente en las computadoras de escritorio de línea delgada.

El elevador de comunicaciones y red (CNR, Communications and Networking Riser) es una ranura especial que se utilizaba para algunas tarjetas de expansión de red o de audio. El CNR ya no se usa, porque muchas de las funciones que tiene ahora se encuentran integradas a la motherboard.

Dispositivos de almacenamiento y RAID: Las unidades de almacenamiento, como las que se muestran en la Figura 1, leen la información de o la escriben en medios de almacenamiento magnéticos, ópticos o semiconductores. La unidad se puede utilizar para almacenar datos de forma permanente o para recuperar información de un disco de medios. Las unidades de almacenamiento, por ejemplo, un disco duro, se pueden instalar dentro del gabinete de la PC. Para fines de portabilidad, algunas unidades de almacenamiento se pueden conectar a la PC mediante un puerto USB, un puerto FireWire, eSATA o un puerto SCSI. Estos dispositivos de almacenamiento portátiles, a veces, se denominan “unidades extraíbles” y se pueden usar en varias PC. Las siguientes son algunas de las unidades de almacenamiento más comunes:

• Unidad de disquete

• Disco duro

• Unidad óptica

• Unidad flash

Unidad de disquete: Las unidades de disquete son dispositivos de almacenamiento que utilizan disquetes extraíbles de 3,5 in. Estos disquetes magnéticos pueden almacenar 720 KB o 1,44 MB de datos. En una PC, la unidad de disquete se suele configurar como unidad A:. Las unidades de disquete se pueden utilizar para arrancar la PC si contienen un disquete de arranque. La unidad de disquete de 5,25 in es una tecnología antigua, y rara vez se utiliza.

Disco duro: Las unidades de disco duro son dispositivos magnéticos que se utilizan para almacenar datos. En un equipo Windows, la unidad de disco duro se suele configurar como unidad C: y contiene el sistema operativo y las aplicaciones. La capacidad de almacenamiento de un disco duro va de gigabytes (GB) a terabytes (TB). La velocidad de los discos duros se mide en revoluciones por minuto (RPM). Esta es la velocidad a la que el eje hace girar los platos que contienen los datos. Cuanto más rápido gira el eje, más rápido recupera el disco duro los datos almacenados en los platos. Los ejes de disco duro comunes suelen tener velocidades de 5400, 7200, 10 000 y hasta 15 000 RPM en los discos duros de servidor de tecnología avanzada. Se pueden agregar varios discos duros para aumentar la capacidad de almacenamiento.

Los discos duros tradicionales utilizan tecnología de almacenamiento magnético. Los discos duros magnéticos tienen motores de unidad diseñados para hacer girar los platos magnéticos y mover los cabezales de la unidad. En cambio, las unidades de estado sólido (SSD, solid state drives) más modernas no tienen partes móviles y utilizan semiconductores para almacenar los datos. Dado que las SSD no tienen motores de unidad ni partes móviles, utilizan mucho menos energía que los discos duros magnéticos. Los chips de memoria flash no volátil administran todo el almacenamiento de una SSD, lo cual brinda un acceso más rápido a los datos, una mayor confiabilidad y una reducción del consumo de energía. Las SSD tienen el mismo factor de forma que los discos duros magnéticos y utilizan interfaces ATA o SATA. Se puede reemplazar una unidad magnética por una SSD.

Unidad de cinta: Por lo general, las cintas magnéticas se suelen usar para hacer copias de seguridad o archivar datos. La cinta utiliza un cabezal magnético de lectura/escritura. Si bien la recuperación de datos mediante una unidad de cinta puede ser rápida, la ubicación de datos específicos es lenta, ya que la cinta se debe enrollar en un carrete hasta que se encuentran los datos. La capacidad común de las cintas varía desde los gigabytes hasta los terabytes.

Unidad óptica: Las unidades ópticas utilizan láseres para leer los datos almacenados en los medios ópticos. Existen tres tipos de unidades ópticas:

• Disco compacto (CD)

• Disco versátil digital (DVD)

• Disco Blu-ray (BD)

Los CD, DVD y BD pueden estar previamente grabados (solo lectura), pueden ser grabables (de una sola escritura) o pueden ser regrabables (se graban y se escriben varias veces). Los CD tienen una capacidad de almacenamiento de datos de aproximadamente 700 MB. Los DVD tienen una capacidad de almacenamiento de datos de aproximadamente 4,7 GB en un disco de capa simple, y de aproximadamente 8,5 GB en un disco de doble capa. Los BD tienen una capacidad de almacenamiento de 25 GB en un disco de capa simple y de 50 GB en un disco de capa doble.

Existen varios tipos de medios ópticos:

• CD-ROM: medio de CD de memoria de solo lectura que viene pregrabado.

• CD-R: medio de CD grabable que se puede grabar una vez.

• CD-RW: medio de CD regrabable que se puede grabar, borrar y volver a grabar.

• DVD-ROM: medio de DVD de memoria de solo lectura que viene pregrabado.

• DVD-RAM: medio de DVD RAM que se puede grabar, borrar y volver a grabar.

• DVD+/-R: medio de DVD grabable que se puede grabar una vez.

• DVD+/-RW: medio de DVD regrabable que se puede grabar, borrar y volver a grabar.

• BD-ROM: medio de Blu-ray de memoria de solo lectura en el que se graban previamente películas, juegos o software.

• BD-R: medio de Blu-ray grabable en el que se puede grabar video de alta definición (HD, high-definition) y almacenar datos de PC una vez.

• BD-RE: formato Blu-ray regrabable para grabar video en HD y almacenar datos de PC.

Unidad flash externa: Una unidad flash externa, también denominada “unidad en miniatura”, es un dispositivo de almacenamiento extraíble que se conecta a un puerto USB. Las unidades flash externas utilizan el mismo tipo de chips de memoria no volátil que las SSD y no requieren energía para conservar los datos. Es posible acceder a estas unidades mediante el sistema operativo de la misma manera en que se accede a otros tipos de unidades.

Tipos de interfaces de unidad: Los discos duros y las unidades ópticas se fabrican con distintas interfaces que se utilizan para conectar la unidad a la PC. Para instalar una unidad de almacenamiento en una PC, la interfaz de conexión de la unidad debe coincidir con la controladora que se encuentra en la motherboard. Las siguientes son algunas de las interfaces de unidad más comunes:

• IDE: la interfaz electrónica integrada de unidades, también denominada “conexión de tecnología avanzada” (ATA, Advanced Technology Attachment), es una de las primeras interfaces de controladora de unidades que conecta las PC y las unidades de disco duro. La interfaz IDE utiliza un conector de 40 pines.

• EIDE: la interfaz electrónica integrada de unidades mejorada, también denominada ATA-2, es una versión actualizada de la interfaz de controladora de unidades IDE. La interfaz EIDE admite discos duros de más de 512 MB, habilita el acceso directo a memoria (DMA, Direct Memory Access) para obtener velocidad y utiliza la interfaz de paquete de conexión AT (ATAPI, AT Attachment Packet Interface) para albergar las unidades ópticas y de cinta en el bus EIDE. La interfaz EIDE utiliza un conector de 40 pines.

• PATA: la interfaz ATA paralela se refiere a la versión paralela de la interfaz de controladora de unidades ATA.

• SATA: la interfaz ATA serie se refiere a la versión serie de la interfaz de controladora de unidades ATA. La interfaz SATA utiliza un conector de datos de 7 pines.

• eSATA: la interfaz ATA serie externa proporciona una interfaz externa intercambiable en caliente para las unidades SATA. El intercambio en caliente es la capacidad de conectar y desconectar un dispositivo mientras la PC está encendida. La interfaz eSATA conecta una unidad SATA externa mediante un conector de 7 pines. El cable puede medir hasta 6,56 ft (2 m) de longitud.

• SCSI: la interfaz de sistema para pequeñas computadoras es una interfaz de controladora de unidades que puede conectar hasta 15 unidades. La interfaz SCSI puede conectar unidades internas y externas. La interfaz SCSI utiliza un conector de 25 pines, 50 pines o 68 pines.

La RAID proporciona un método para almacenar datos en varios discos duros para obtener redundancia. Para el sistema operativo, la RAID aparece como un disco lógico. En la Figura 2, se comparan los distintos niveles de RAID. Los siguientes términos describen cómo la RAID almacena los datos en los distintos discos:

• Paridad: detecta los errores de datos.

• Creación de bandas de datos:escribe datos en varios discos.

• Copia espejo del disco: almacena los datos duplicados en una segunda unidad.

Cables internos de una PC: Las unidades requieren tanto un cable de alimentación como un cable de datos. Las fuentes de energía pueden tener conectores de alimentación SATA para las unidades SATA, conectores de alimentación Molex para las unidades PATA y conectores Berg para las unidades de disquete. Los botones y las luces LED de la parte delantera del gabinete se conectan a la motherboard mediante los cables del panel frontal.

Los cables de datos conectan las unidades a la controladora de unidades, que se encuentra en una tarjeta adaptadora o en la motherboard. Los siguientes son algunos de los cables de datos más comunes:

• Cable de datos de unidad de disquete (FDD, floppy disk drive):tiene hasta dos conectores de unidad de 34 pines y un conector de 34 pines para la controladora de unidades.

• Cable de datos PATA (IDE/EIDE) de 40 conductores: originalmente, la interfaz IDE admitía dos dispositivos en una única controladora. Con la introducción de la interfaz IDE extendida, se introdujeron dos controladoras capaces de admitir dos dispositivos cada una. El cable plano de 40 conductores utiliza conectores de 40 pines. Este cable tiene dos conectores para las unidades y un conector para la controladora.

• Cable de datos PATA (EIDE) de 80 conductores: al aumentar las velocidades de datos disponibles en la interfaz EIDE, también aumentó la posibilidad de que se dañen los datos durante la transmisión. Los cables de 80 conductores se introdujeron para los dispositivos que transmiten a velocidades de 33,3 MB/s y superiores, lo cual permitió una transmisión de datos más confiable y equilibrada. El cable de 80 conductores utiliza conectores de 40 pines.

• Cable de datos SATA: este cable tiene siete conductores, un conector enchavetado para la unidad y un conector enchavetado para la controladora de unidades.

• Cable de datos SCSI: existen tres tipos de cables de datos SCSI. Los cables de datos SCSI Estrecho (Narrow SCSI) tienen 50 conductores, hasta siete conectores de 50 pines para las unidades y un conector de 50 pines para la controladora de unidades, que también se denomina “adaptador de host”. Los cables de datos SCSI Ancho (Wide SCSI) tienen 68 conductores, hasta 15 conectores de 68 pines para las unidades y un conector de 68 pines para el adaptador de host. Los cables de datos SCSI Alt-4 tienen 80 conductores, hasta 15 conectores de 80 pines para las unidades y un conector de 80 pines para el adaptador de host.

NOTA: la línea de color de un cable de unidad de disquete o PATA identifica al pin 1 del cable. Al instalar un cable de datos, siempre asegúrese de que el pin 1 del cable esté alineado con el pin 1 de la unidad o de la controladora de unidades. Los cables enchavetados se pueden conectar a la unidad y a la controladora de unidades en una única dirección.