Hardware de ordenador

Los ordenadores tienen dos partes principales: el hardware y el software
Como el piano (hardware) y la música (software)
En esta sección: hardware

El ordenador es una tecnología de propósito general asombrosamente útil, hasta el punto de que ahora las cámaras, los teléfonos, los termostatos y mucho más son ahora pequeños ordenadores. Esta sección presentará las principales partes y temas del funcionamiento del hardware de los ordenadores. «Hardware» se refiere a las partes físicas del ordenador, y «software» se refiere al código que se ejecuta en el ordenador.

Chips y transistores

Transistor – bloque vital de construcción electrónica
-Los transistores son de «estado sólido» – sin partes móviles
-Una de las invenciones más importantes de la historia
-«Interruptor» que podemos encender/apagar con una señal eléctrica
Chip de silicio – pieza de silicio del tamaño de una uña
Los transistores microscópicos están grabados en chips de silicio
Los chips pueden contener miles de millones de transistores
Los chips están empaquetados en plástico, con pequeñas patas metálicas
e.g. chips de CPU, chips de memoria, chips de flash
Silicio (metaloide) vs. Silicona (sustancia blanda en los utensilios de cocina)

Aquí hay un chip de silicio dentro de su paquete de plástico. Lo saqué de la pila de desechos electrónicos del edificio de CS de Stanford, así que probablemente sea algo viejo. Este es un pequeño chip con sólo unos pocos «pines» de conexión eléctrica. Más tarde veremos un chip más grande con cientos de pines.

Dentro del paquete de plástico hay un chip de silicio del tamaño de una uña con transistores y otros componentes grabados en su superficie. Unos pequeños cables conectan el chip con el exterior. (Atribución de la licencia CC sharealke 3. usuario de wikipedia Zephyris)

Los ordenadores modernos utilizan diminutos componentes electrónicos que pueden grabarse en la superficie de un chip de silicio. (Ver: chip en wikipedia) ¡Nótese que el silicio (chips, paneles solares) y la silicona (material gomoso blando) son diferentes!

El componente electrónico más común es el «transistor», que funciona como una especie de válvula amplificadora de un flujo de electrones. El transistor es un dispositivo de «estado sólido», es decir, no tiene partes móviles. Es un bloque básico que se utiliza para construir componentes electrónicos más complejos. En concreto, un «bit» (abajo) puede construirse con una disposición de 5 transistores. El transistor se inventó a principios de los años 50, sustituyendo al tubo de vacío. Desde entonces, los transistores se han hecho cada vez más pequeños, lo que ha permitido grabar más y más de ellos en un chip de silicio.

Ley de Moore

Los transistores se hacen 2 veces más pequeños cada 2 años
– a veces se dice que en unos 18 meses
Pueden caber el doble de transistores por chip
Debido a una mejor tecnología de grabado de chips
-Pero una fábrica de chips de vanguardia cuesta más de 1.000 millones de dólares
Observación vs. «ley» científica
2 Efectos:
a. los chips tienen el doble de capacidad cada 2 años
la velocidad no se duplica, la capacidad se duplica lo que sigue siendo muy útil
b. o manteniendo la capacidad constante, los chips se hacen más pequeños y baratos cada 2 años
(b) es por lo que los ordenadores están ahora en los coches, los termostatos, las tarjetas de felicitación
Ejemplo: 50 dólares de capacidad del reproductor MP3 cada 2 años: 2GB, 4GB, 8GB, 16GB
Regla general: 8 veces la capacidad cada 6 años
8 veces en 6 años puede coincidir con el aumento de capacidad de tu teléfono
La ley de Moore probablemente no será eterna

La ley de Moore (Gordon Moore, cofundador de Intel) establece que la densidad de transistores en un chip se duplica aproximadamente cada 2 años (a veces se indica que es cada 18 meses). Este aumento se debe a la mejora de la tecnología de fabricación de chips. No es una ley científica, sino una predicción general que parece seguir funcionando. En términos más generales, recoge la idea de que, por dólar, la tecnología informática (no sólo los transistores) mejora exponencialmente con el paso del tiempo. Esto es bastante claro si se observa el coste o la capacidad de los ordenadores/cámaras, etc. que se han tenido. La Ley de Moore da lugar a ordenadores más capaces (compara lo que puede hacer un iPhone 7 frente al iPhone original) así como a ordenadores más baratos (los ordenadores menos capaces aparecen en todas partes, como en los termostatos y los coches).

Los ordenadores en la vida: Sistemas de control

Sistema de control: responde al estado externo
por ejemplo, el motor del coche: varía la mezcla de combustible en función de la temperatura
por ejemplo. activar el airbag en caso de fuerzas G elevadas por colisión
Los chips son una gran manera barata de construir sistemas de control
Los sistemas de control presistemas de control por ordenador no funcionaban tan bien
Una razón por la que los coches funcionan mucho mejor hoy en día

Demostración del sistema de control / linterna de Moore

La linterna Maglite XL200 linterna lleva un chip
Ejemplo de un sistema de control
La ley de Moore hace factible esta aplicación de un chip
La linterna convierte la posición angular en luminosidad. (1-clic)
También tiene un modo de ángulo a velocidad de parpadeo. (2-clics)

Hardware del ordenador – CPU, RAM y almacenamiento persistente

Ahora vamos a hablar de las tres partes principales que componen un ordenador – CPU, RAM y almacenamiento persistente. Estos tres se encuentran en todos los ordenadores: portátiles, teléfonos inteligentes y tabletas.

CPU

CPU – Unidad Central de Procesamiento
Actúa como un cerebro: sigue las instrucciones del código
«general» – imágenes, redes, matemáticas.. todo en la CPU
Realiza cálculos, e.p. ej. sumar dos números
vs. la RAM y el almacenamiento persistente que sólo almacenan datos
«gigahercios» = 1.000 millones de operaciones por segundo
Una CPU de «2 gigahercios» realiza 2.000 millones de operaciones por segundo

CPU – Unidad Central de Procesamiento – inevitablemente denominada el «cerebro» de los ordenadores. La CPU realiza la «ejecución» activa del código, manipulando los datos, mientras que los otros componentes tienen un papel más pasivo, como el almacenamiento de datos. Cuando decimos que un ordenador puede «sumar dos números, mil millones de veces por segundo»… eso es la CPU. Cuando se pulsa el botón de ejecutar, la CPU, en última instancia, «ejecuta» el código. Más adelante, completaremos el cuadro de cómo su código Javascript es ejecutado por la CPU.

Aparte: CPU «Cores»

Los chips de las CPU modernas tienen múltiples «núcleos»
Cada núcleo es una CPU semi-independiente
Clave: tener 4 núcleos no es 4x más rápido que tener 1 núcleo
i.e. 4 coches no te llevan más rápido que 1 coche
Rendimientos decrecientes
Más de 4 núcleos suele ser inútil

Ejemplos de CPU

Variante de CPU: GPU – Unidad de Procesamiento Gráfico

Como la CPU, pero especializada para manejar imágenes
Los juegos de ordenador utilizan mucho la GPU
Las CPUs modernas son en su mayoría suficientemente rápidas, más energía va a las GPUs

RAM

RAM – Random Access Memory
Actúa como una pizarra
Temporal, trabajando bytes de almacenamiento
RAM almacena tanto el código como los datos (temporalmente)
e.g. abrir una imagen en Photoshop
– los datos de la imagen se cargan en los bytes de la RAM
e.g. sumar 2 a un número en una calculadora
– manipular bytes en la RAM
«persistente»
-La RAM no es persistente. El estado desaparece cuando se apaga
-por ejemplo, estás trabajando en un documento, luego se apaga y pierdes tu trabajo (vs. «Guardar»)

RAM – Memoria de Acceso Aleatorio, o simplemente «memoria». La RAM es la memoria de trabajo que el ordenador utiliza para almacenar el código y los datos que se utilizan activamente. La RAM es efectivamente un área de almacenamiento de bytes bajo el control de la CPU. La RAM es relativamente rápida y es capaz de recuperar el valor de cualquier byte concreto en unos pocos nanosegundos (1 nanosegundo es la milmillonésima parte de un segundo). La otra característica principal de la RAM es que sólo mantiene su estado mientras se le suministra energía: la RAM no es un almacenamiento «persistente».

Suponga que está trabajando en su ordenador y de repente se queda sin energía y la pantalla se queda en blanco. Usted entiende que lo que estaba trabajando ha desaparecido. La memoria RAM se ha borrado, dejándole sólo lo que guardó por última vez en el disco (abajo).

Ejemplos de RAM

Tienes muchas pestañas abiertas en tu navegador
– los datos de cada pestaña están en la RAM
Un programa se está ejecutando
– el código del programa está en la RAM
Un programa está manipulando una imagen grande
– los datos de la imagen están en la RAM
e.g. puedes quedarte sin RAM – no puedes abrir una nueva pestaña o programa porque toda la RAM está en uso
Además: ahora los teléfonos tienen de 2 a 4GB de RAM… suficiente para la mayoría de los propósitos

Almacenamiento persistente: Disco duro, unidad flash

Almacenamiento persistente de bytes
«Persistente» significa que se conserva incluso cuando no se alimenta
por ejemplo. Disco duro – almacena bytes como un patrón magnético en un disco giratorio
– también conocido como «disco duro»
– Sonido de giro de tono alto que puede haber escuchado
Los discos duros han sido la principal, tecnología de almacenamiento persistente durante mucho tiempo
Pero ahora flash se está volviendo más popular.

Cómo funciona un disco duro Video (Webm es un formato de vídeo estándar abierto, funciona en Firefox y Chrome). 4:30 en el video para ver algo de lectura/escritura de bits.

Almacenamiento persistente, tecnología más nueva: Flash

«Flash» es una tecnología de almacenamiento persistente tipo transistor
«estado sólido» – sin partes móviles
-aka «Flash drive»
-aka «Flash memory»
-aka «SSD»: Solid State Disk
El flash es mejor que un disco duro en todos los sentidos menos en el coste – más rápido, más fiable, menos energía
El flash es más caro por byte
Formatos: llave usb, tarjeta SD en la cámara, almacenamiento flash incorporado en un teléfono o tableta u ordenador
El flash solía ser muy caro, por lo que la mayoría de los ordenadores utilizaban discos duros
El flash se está abaratando (ley de Moore)
Sin embargo, por byte, los discos duros siguen siendo sustancialmente más baratos
No hay que confundirlo con «Adobe Flash», un formato multimedia propietario
Atención: flash no persiste para siempre. Puede que no aguante los bits más allá de 10 o 20 años. Nadie lo sabe con seguridad

Almacenamiento persistente: almacenamiento a largo plazo de bytes como archivos y carpetas. Persistente significa que los bytes se almacenan, incluso cuando se quita la energía. Un portátil puede utilizar un disco duro giratorio (también conocido como «disco duro») para el almacenamiento persistente de archivos. O puede utilizar una «unidad flash», también conocida como disco de estado sólido (SSD), para almacenar los bytes en chips flash. El disco duro lee y escribe patrones magnéticos en un disco metálico giratorio para almacenar los bytes, mientras que el flash es de «estado sólido»: no hay partes móviles, sólo chips de silicio con pequeños grupos de electrones para almacenar los bytes. En cualquiera de los dos casos, el almacenamiento es persistente, es decir, mantiene su estado incluso cuando está apagado.

Una unidad flash es más rápida y consume menos energía que un disco duro. Sin embargo, por byte, el flash es significativamente más caro que el almacenamiento en disco duro. La tecnología flash es cada vez más barata, por lo que puede ocupar nichos en detrimento de los discos duros. Flash es mucho más lento que la RAM, por lo que no es un buen sustituto de ésta. Tenga en cuenta que Adobe Flash es un concepto no relacionado; es un formato de medios propietario.

El almacenamiento flash es lo que subyace en las unidades de pulgar USB, las tarjetas SD para su uso en cámaras, o el almacenamiento incorporado en una tableta o teléfono.

Sistema de archivos

¿Cómo se organizan los bytes en el almacenamiento persistente?
por ejemplo, los bytes en una unidad flash?
«Sistema de archivos» – organiza los bytes del almacenamiento persistente, archivos y carpetas
«Archivo» – un nombre, un manejador de un bloque de bytes
por ejemplo, «flores.jpg» se refiere a 48KB de bytes de datos de imagen

El disco duro o la unidad flash proporciona almacenamiento persistente como un área plana de bytes sin mucha estructura. Normalmente, el disco duro o la memoria flash están formateados con un «sistema de archivos» que organiza los bytes en el conocido patrón de archivos y directorios, donde cada archivo y directorio tiene un nombre algo útil como «resume.txt». Cuando se conecta la unidad a un ordenador, éste presenta el sistema de archivos de la unidad al usuario, permitiéndole abrir archivos, moverlos, etc.

Esencialmente, cada archivo del sistema de archivos se refiere a un bloque de bytes, por lo que el nombre «flores.jpg» se refiere a un bloque de 48KB de bytes que son los datos de esa imagen. En efecto, el sistema de archivos da al usuario un nombre (y probablemente un icono) para un bloque de bytes de datos, y le permite realizar operaciones con esos datos, como moverlos o copiarlos o abrirlos con un programa. El sistema de archivos también registra información sobre los bytes: cuántos hay, la hora en que fueron modificados por última vez.

Microsoft utiliza el sistema de archivos propietario NTFS, y Mac OS X tiene su equivalente propietario HFS+ de Apple. Muchos dispositivos (cámaras, reproductores de MP3) utilizan el antiguo sistema de archivos FAT32 de Microsoft en sus tarjetas flash. FAT32 es un sistema de archivos antiguo y primitivo, pero es bueno cuando es importante un amplio soporte.

Ejemplos de almacenamiento persistente

Este es fácil de entender, ya que ha utilizado archivos y sistemas de archivos
por ejemplo, 100 archivos de vídeo separados de 1 GB .. necesitan 100 GB de capacidad de almacenamiento

Imágenes de hardware

Abajo hay imágenes de un ordenador Shuttle de gama baja con una CPU de 1,8ghz, 512MB de RAM y un disco duro de 160GB. Costó unos 200 dólares en torno a 2008. Se rompió y se convirtió en un ejemplo para el aula.

Aquí está la «placa base» plana, un poco más pequeña que una hoja de papel de 8,5 x 11, a la que se conectan los distintos componentes. En el centro está la CPU. En el extremo derecho está la memoria RAM. Justo a la derecha de la CPU hay un par de chips de apoyo. Uno de los chips está cubierto con un «disipador» de cobre, que presiona fuertemente contra el chip, disipando el calor del chip en el aire circundante. La CPU también tenía un disipador muy grande, pero fue retirado para hacer visible la CPU.

Placa base
Envase metálico de la CPU, sostenido por una palanca
Disipador de cobre

La CPU se mantiene firmemente contra la placa base por un pequeño mecanismo de palanca. Aquí el mecanismo se libera para que la CPU pueda ser recogida. La CPU del tamaño de una uña se encuentra debajo de esta cubierta metálica que ayuda a conducir el calor de la CPU hasta su disipador. El material gris en la cubierta metálica del chip es «pasta térmica», un material que ayuda a conducir el calor de la carcasa del chip a su (no se muestra) disipador de calor.

El chip de la CPU en el paquete de metal
El disipador de calor se ha retirado
Inferior del paquete .. muchas conexiones (pequeños cables)

Dando la vuelta a la CPU se ven las pequeñas almohadillas de oro en la parte inferior de la CPU. Cada almohadilla está conectada por un cable muy fino a un punto del chip de silicio.

Aquí hay una foto de otro chip, pero con el embalaje superior quitado. Se ve el chip de silicio en el centro con los detalles del transistor grabados en él. En el borde del chip, ver los cables muy finos que conectan partes del chip a las almohadillas exteriores (CC atribución con licencia sharealke 3. wikipedia usuario Zephyris)

Ahora mirando desde el lado, el disipador de calor y la tarjeta de memoria RAM se puede ver más claramente, que sobresale de la placa base.

Tarjeta de memoria RAM
Se conecta a la placa base
Tarjeta de 512 MB (4 chips)

La memoria RAM se construye con unos cuantos chips empaquetados en una pequeña tarjeta conocida como DIMM que se conecta a la placa base (módulo de memoria dual en línea). Aquí vemos el DIMM de RAM extraído de su zócalo en la placa base. Se trata de un DIMM de 512 MB construido con 4 chips. Unos años antes, este DIMM podría haber necesitado 8 chips para almacenar 512MB … la ley de Moore en acción.

Este es un disco duro que se conecta a la placa base con el conector SATA estándar visible. Se trata de una unidad de 160 GB, «3,5 pulgadas» en referencia al diámetro del disco giratorio en el interior; toda la unidad es del tamaño de un pequeño libro de bolsillo. Este es un tamaño de disco estándar para utilizar dentro de un ordenador de sobremesa. Los ordenadores portátiles utilizan unidades de 2,5 pulgadas, que son un poco más pequeñas.

Disco duro de 160 GB (almacenamiento persistente)
Es decir, persistente
Se conecta a la placa base con un cable SATA estándar

Se trata de una unidad flash USB que, al igual que un disco duro, proporciona almacenamiento persistente de bytes. También se conoce como «thumb drive» o «llave USB». Es esencialmente una toma USB conectada a un chip de almacenamiento flash con algunos componentes electrónicos de apoyo:

Unidad flash (el otro tipo de almacenamiento persistente)
es decir, persistente
Contiene un chip flash, de estado sólido
Tarjeta SD, idea similar

Aquí se desmonta, mostrando el chip flash que realmente almacena los bytes. Este chip puede almacenar unos mil millones de bits… ¿cuántos bytes son? (R: 8 bits por byte, por lo que son unos 125 MB)

Aquí hay una «tarjeta SD» que proporciona almacenamiento en una cámara. Es muy similar a la unidad flash USB, sólo una forma diferente.

Microcontrolador – Chip de ordenador barato

Microcontrolador
Ordenador completo en un chip
Pequeña CPU, RAM, almacenamiento (ley de Moore)
El chip puede costar menos de 1 dólar
Coche, microondas, termostato

Hardware de ordenador