Tema 3 - Hardware PDF

Grado en Inteligencia Artificial - 1er Curso Informática Noelia García Hervella [email protected] Guillermo Blanco González [email protected] Placa base La placa base también conocida como placa madre o matherboard, es el componente central de cualquier ordenador, ya que...

Grado en Inteligencia Artificial - 1er Curso Informática Noelia García Hervella [email protected] Guillermo Blanco González [email protected] Placa base La placa base también conocida como placa madre o matherboard, es el componente central de cualquier ordenador, ya que es donde se conectan y se comunican todos los demás dispositivos de hardware. Actúa como la columna vertebral del computador, permitiendo que el procesador, la memoria, los discos duros y otros dispositivos se conecten y funcionen de manera conjunta. Zócalo del procesador Es el lugar donde se instala el procesador. La compatibilidad del zócalo con el procesador es crucial, ya que un zócalo incorrecto puede impedir la instalación de ciertos procesadores. Procesador El procesador, también conocido como Unidad Central de Procesamiento (CPU), es el componente principal encargado de ejecutar las instrucciones de los programas y coordinar todas las operaciones en un sistema informático. Es el "cerebro" del ordenador, ya que realiza las decisiones lógicas y aritméticas necesarias para su funcionamiento, encargándose del 90% del trabajo. Este componente es fundamental no solo en ordenadores, sino también en teléfonos inteligentes y otros dispositivos programables. La CPU interpreta y ejecuta las instrucciones de los programas, realizando operaciones básicas como cálculos aritméticos, lógicos y gestionando la comunicación con dispositivos externos (entrada/salida). Partes físicas del procesador Físicamente el procesador está formado por tres elementos: Substrato o PCB: Es la base del procesador, comúnmente conocida como la placa verde que alberga los circuitos integrados que sirven para interconectar el procesador con el resto del ordenador. Die o matriz: se encuentra justo en el medio del procesador, es un pequeño trozo de silicio (semiconductor) donde está esculpido todo el circuito del procesador. Esta parte es la que se encarga de hacer todos los cálculos y ejecutar las instrucciones. A parte de contener la circuitería, guarda también todos los componentes internos del procesador, como los núcleos y la memoria caché. IHS: es la cubierta metálica del procesador, donde se imprime la marca y el modelo. Su función principal es conducir el calor desde el interior del componente hacia el exterior, permitiendo así la instalación de un disipador o sistema de refrigeración líquida. Procesador Partes de la CPU Unidad Aritmética/Lógica (ALU): Realiza operaciones matemáticas (como suma, resta, multiplicación) y operaciones lógicas (como comparaciones). Unidad de Control: Gestiona y coordina las acciones dentro del procesador, como la secuenciación de las instrucciones y el control del flujo de datos. Registros: Son pequeñas áreas de almacenamiento muy rápidas dentro del procesador que almacenan temporalmente los datos e instrucciones durante su procesamiento. Memoria Caché: Es una memoria de acceso ultrarrápido que almacena los datos e instrucciones que el procesador necesita con mayor frecuencia, reduciendo el tiempo de acceso a la memoria RAM. Características clave del procesador Frecuencia de reloj: velocidad a la que el procesador ejecuta sus operaciones, medida en gigahercios (GHz). Indica la cantidad de ciclos de reloj que realiza por segundo. Número de núcleos: Cada núcleo puede ejecutar tareas de manera independiente, lo que permite la ejecución simultánea de varios procesos. Un procesador puede tener varios núcleos (doble núcleo, cuádruple núcleo, etc.). Hilos de procesamiento: Son los procesos que cada núcleo puede manejar simultáneamente. Algunos procesadores tienen tecnologías como Hyper-Threading (de Intel) o Simultaneous Multithreading (SMT) (de AMD), que permiten a un núcleo manejar más de un hilo. Memoria caché: Se especifica la cantidad y el tipo de memoria caché del procesador (L1, L2, L3). La caché es de acceso más rápido que la memoria principal y ayuda a acelerar el acceso a datos e instrucciones frecuentemente utilizados. Tipos de procesadores CISC (Complex Instruction Set Computer): Procesadores con un conjunto de instrucciones complejo, diseñados para realizar operaciones más avanzadas en menos ciclos de reloj. RISC (Reduced Instruction Set Computer): Procesadores con un conjunto de instrucciones más simplificado, que permite ejecutar las instrucciones de forma más eficiente, utilizando más ciclos pero con menos consumo de recursos. Su enfoque en la simplicidad permite que ejecuten más instrucciones por ciclo de reloj. ASIC (Application-Specific Integrated Circuit): Procesadores diseñados para realizar tareas específicas en dispositivos como controladores de hardware, sistemas embebidos, entre otros. Son más rápidos y eficientes para esas tareas, pero no tan flexibles como los procesadores tradicionales. Unidad de almacenamiento Desde la creación de los ordenadores, se ideó un sistema que actúa como una máquina de cálculo, procesando datos para convertirlos en información. En este contexto, el procesador desempeña un papel crucial, ejecutando instrucciones sobre esos datos. Sin embargo, para que el procesador funcione eficazmente, necesita memoria para almacenar la información. Características de la unidad de almacenamiento Memoria permanente: retienen datos incluso cuando se apaga la fuente de alimentación, mantienen su contenido de manera duradera. (No volatil) Capacidad de almacenamiento: desde gigabytes (GB) hasta terabytes (TB) e incluso petabytes (PB) en el caso de entornos de almacenamiento empresarial. La capacidad de almacenamiento suele ser mucho mayor en comparación con la memoria RAM. M.2 SSD HDD Unidades de almacenamiento: HDD o mecánico Los HDD almacenan datos en discos magnéticos que giran a alta velocidad. Los datos se leen y escriben mediante un brazo mecánico que se mueve sobre los discos. Dentro de este disco, se organizan sectores que almacenan bloques de información. La necesidad de que el cabezal de lectura se desplace mecánicamente hacia diferentes posiciones para acceder a la información ralentiza el proceso de carga y apertura de programas. Esto ha llevado a la demanda de formatos y sistemas de almacenamiento más rápidos y compactos, como las unidades de estado sólido (SSD). Unidades de almacenamiento: SSD La principal innovación de los SSD es la eliminación del disco de lectura y del brazo mecánico que se movía para localizar los sectores de información, siendo reemplazados por memoria flash. Para simplificar, la memoria flash es el mismo tipo de tecnología que se encuentra en los pendrives (memorias USB) y en las tarjetas SD que usas en tu teléfono móvil o cámara de fotos. Este tipo de memoria no requiere un mecanismo de lectura que busque físicamente la información, lo que permite accesos y lecturas mucho más rápidos. Unidades de almacenamiento: SSD (memoria flash) En la memoria flash, la ubicación de la información que se desea leer se determina mediante un sistema de dirección que organiza las celdas en páginas y bloques, cada una con una dirección única. Cuando el sistema operativo solicita un dato específico, el controlador del SSD consulta una tabla de asignación que mapea las direcciones lógicas utilizadas por el sistema a las direcciones físicas en la memoria. Esto permite al controlador acceder directamente a la celda que contiene la información deseada de manera rápida y eficiente, sin la necesidad de desplazamientos físicos, como ocurre en los discos duros, donde un cabezal de lectura debe moverse para localizar los datos. Unidades de almacenamiento: M.2 Se conecta directamente a la placa base, ofreciendo un formato compacto y sin necesidad de cables. Se caracteriza por su alta velocidad de transferencia de datos que pueden alcanzar velocidades significativamente superiores a las de los SSD y los discos duros mecánicos. Esto se traduce en tiempos de carga más rápidos para sistemas operativos y aplicaciones, mejorando el rendimiento general del sistema  Unidades de almacenamiento: M.2 Pequeño procesador dedicado a manejar el M.2 No solo se encarga de guardar los datos, sino que también se encarga de leerlos, es decir, cuando el procesador necesita acceder a los datos, habla con este coprocesador para que se encargue de su búsqueda y transmisión. El M.2 está formado por chips conocidos también como bancos de memoria formados por transistores que permiten almacenar datos. Unidades de almacenamiento Esta es la función más básica de un procesador: leer datos, procesarlos y volver a almacenarlos. Esta acción se hace muchas veces por segundo. Procesador Datos Almacenamiento Existe un pequeño problema con estas unidades almacenamiento y es que cargar los datos directamente de ellas es bastante lento. Por eso, existe la RAM Random Access Memory (RAM) Es un tipo de memoria volátil utilizada en los ordenadores para almacenar datos e instrucciones que están en uso activo por el procesador. Su principal función es proporcionar un acceso rápido a la información, lo que permite que los programas se ejecuten de manera eficiente. A diferencia del almacenamiento permanente, como los discos duros o las unidades de estado sólido, la RAM pierde su contenido cuando el sistema se apaga. Random Access Memory (RAM) Los módulos de RAM vienen en diferentes tipos, como DDR (Double Data Rate), que han evolucionado en generaciones para ofrecer mayores velocidades y eficiencia energética. La cantidad de RAM instalada en un sistema afecta directamente su capacidad para realizar múltiples tareas y ejecutar aplicaciones de alto rendimiento Random Access Memory (RAM) Como se ve en la diapositiva anterior, suelen traer una pequeña cubierta que hace de disipador para el calor. Cada uno de los elementos negros de la imagen de la derecha son bancos de memoria parecidos a los de M.2 pero mucho más rápidos.  Random Access Memory (RAM) La memoria RAM se encuentra en medio entre el procesador y el almacenamiento principal. Procesador Memoria RAM Almacenamiento En vez de cargar datos del la unidad de almacenamiento al procesador, lo que se hace es cargar la información de la unidad a la memoria RAM. El procesador trabaja con los datos directamente sobre la RAM. Una vez los datos se van a guardar de forma permanente, se pasan a la unidad de almacenamiento. Memoria caché Es un tipo de memoria de acceso rápido que se utiliza para almacenar temporalmente datos e instrucciones que son frecuentemente utilizados por el procesador, con el fin de mejorar la velocidad de acceso a la información. Su principal función es reducir la latencia en el acceso a los datos, permitiendo que el procesador obtenga rápidamente la información necesaria sin tener que recurrir a la memoria principal (RAM), que es más lenta. Almacenar datos e instrucciones en la caché significa que el procesador puede realizar operaciones más rápidamente, mejorando así el rendimiento general del sistema. Clasificación de la memoria caché Se organiza en varios niveles: Caché de Nivel 1 (L1): es la más rápida y está integrada en el procesador, con capacidades de 16 KB a 128 KB. Se divide en dos partes: una para datos y otra para instrucciones, almacenando la información más crítica para un acceso inmediato. Caché de Nivel 2 (L2): es más grande que la L1, generalmente entre 256 KB y 2 MB, y se utiliza como un intermediario entre la L1 y la RAM. Proporciona acceso rápido a datos que se usan con frecuencia, mejorando la eficiencia del procesador. Caché de Nivel 3 (L3): la más grande, con capacidades de 2 MB a 64 MB, y es compartida entre varios núcleos del procesador. Ofrece almacenamiento adicional para datos e instrucciones, facilitando un acceso rápido y eficiente a una mayor cantidad de información. Pirámide de Jerarquía de memoria Pirámide de Jerarquía de memoria La jerarquía de memoria se refiere a la organización y estructura de los diferentes niveles de almacenamiento en una computadora, diseñada para ofrecer un equilibrio entre velocidad y capacidad, optimizando el rendimiento del sistema. Esta jerarquía incluye varios niveles, desde la memoria más rápida y cercana al procesador hasta el almacenamiento más grande pero más lento. A continuación, se presenta una descripción de cada nivel: Registro: estas son las ubicaciones de almacenamiento más rápidas y cercanas al procesador. Se utilizan para almacenar datos temporales y resultados intermedios. Normalmente, un procesador tiene un conjunto limitado de registros. Caché Memoria principal Memoria flash Discos HDD Almacenamiento en la Nube: Servicios que permiten el almacenamiento remoto de datos, ofreciendo acceso a través de Internet. Proporciona capacidad de almacenamiento escalable y acceso desde múltiples dispositivos, facilitando la colaboración y el respaldo de archivos. Sistema de alimentación eléctrica En un ordenador, la fuente de alimentación (PSU) es responsable de convertir la corriente alterna (AC) que recibimos de la red eléctrica (230V a 50Hz en Europa) en diferentes niveles de corriente continua (DC), como 12V, 5V, y 3.3V, que son adecuados para los componentes del sistema. Esta conversión es crucial, ya que los componentes internos del ordenador, como el procesador, la memoria y las tarjetas gráficas, no pueden funcionar con la corriente alterna de alta tensión que llega desde la red. Sistema de alimentación eléctrica La fuente de alimentación distribuye estos diferentes voltajes a través de conectores, como el conector ATX y el EPS. Conector ATX: es el conector principal que suministra energía desde la fuente de alimentación a la placa base. Tiene 24 pines (o 20 pines en versiones anteriores) y distribuye diferentes voltajes como 3.3V, 5V y 12V a los componentes clave de la placa, como el chipset, las ranuras PCIe y los puertos SATA, garantizando el correcto funcionamiento de todo el sistema. Conector EPS: es un conector específico para alimentar el procesador (CPU). Puede tener 4, 8 o más pines y suministra 12V al procesador. El conector EPS es crucial para asegurar un suministro estable de energía, especialmente en situaciones de alta demanda, como durante tareas intensivas o el overclocking. Sistema de alimentación eléctrica Los componentes críticos, como el procesador, la memoria y la tarjeta gráfica, requieren un suministro de energía preciso y adaptado a sus necesidades específicas. Estos dispositivos no pueden operar directamente con los 12V que proporciona la fuente de alimentación, ya que muchos de ellos requieren voltajes significativamente más bajos y estables para funcionar correctamente. Debido a la creciente demanda de potencia en los ordenadores modernos, especialmente en tareas intensivas como el gaming o el procesamiento de datos, es crucial contar con un sistema de regulación que garantice que cada componente reciba la cantidad exacta de energía que necesita sin comprometer la estabilidad ni el rendimiento del sistema. Sistema de alimentación eléctrica Este sistema de regulación es proporcionado por los VRM (Voltage Regulator Modules) y las fases de alimentación eléctrica, que juegan un papel esencial en la distribución eficiente de la energía: VRM (Voltage Regulator Modules): son circuitos encargados de regular y convertir el voltaje de entrada, generalmente de 12V, a niveles mucho más bajos y precisos, como 1.2V o 1.3V, adecuados para el procesador, la memoria y otros componentes. Mediante un proceso de filtrado y regulación en varias etapas, que incluye inductores, capacitores y transistores, los VRM garantizan un suministro de energía estable y continuo. Se encuentran en la placa base cerca del zócalo del procesador. Fases de Alimentación Eléctrica:son subdivisiones dentro de un VRM que distribuyen la carga eléctrica entre varios circuitos, actuando como módulos de regulación independientes. Esto reduce el estrés en los componentes y mejora la eficiencia en la entrega de energía. Cuantas más fases tiene un VRM, mejor es la capacidad del sistema para manejar grandes demandas de energía sin generar calor excesivo, lo que garantiza una regulación estable del voltaje durante tareas intensivas y asegura la estabilidad del sistema. Problemas con el procesador Cuando un ordenador está en funcionamiento, la fuente de alimentación proporciona energía tanto al procesador como a otros componentes, como la memoria RAM y la memoria principal. Sin embargo, existe un problema importante relacionado con el procesador: está hecho de silicio, un material semiconductor que permite realizar cálculos complejos al abrir y cerrar millones de compuertas electrónicas bajo demanda. Aunque este diseño permite un rendimiento avanzado, también genera calor debido a la resistencia que enfrenta la corriente al fluir a través del material, lo que provoca que parte de la energía se convierta en calor. Este calor es un problema significativo, ya que si no se controla, puede causar sobrecalentamiento y daños en el procesador. Disipador Para enfriar el procesador, se utilizan disipadores de calor. Un disipador básico es una pieza de cobre que se coloca directamente sobre el procesador para disipar el calor, pero los sistemas de refrigeración más avanzados, como los sistemas de refrigeración líquida todo en uno, utilizan agua para transferir el calor de manera más eficiente. Estos sistemas cuentan con una bomba que circula el agua a través de tubos y un radiador que enfría el líquido, asegurando que el procesador mantenga una temperatura adecuada. Los ventiladores también son fundamentales en estos sistemas de refrigeración, y la placa base proporciona conectores específicos para alimentarlos, facilitando la integración de estos componentes. Pasta térmica Para garantizar un contacto adecuado entre el procesador y el disipador, se utiliza un adaptador universal, normalmente hecho de cobre niquelado, que permite que diferentes tipos de refrigeración sean compatibles con el chip. Entre el disipador y el procesador se aplica pasta térmica, que mejora la transferencia de calor al llenar los pequeños espacios microscópicos entre las superficies rugosas de ambos materiales. Esta pasta, que suele estar compuesta de metales o cerámica, asegura que el calor se transfiera de manera efectiva del procesador al disipador. La aplicación de pasta térmica crea un contacto óptimo, permitiendo que el sistema funcione eficientemente sin sobrecalentarse. Chipset El chipset es el verdadero núcleo operativo de la placa base. Se distingue fácilmente, ya que suele ser el circuito integrado de mayor tamaño. Su nombre significa literalmente "conjunto de chips", y su principal tarea es gestionar el flujo de información entre los diferentes componentes fundamentales del ordenador, como el procesador, la memoria y los periféricos conectados. Chipset Un ordenador está compuesto por numerosos componentes de diversos tamaños y funciones, como la tarjeta gráfica, la CPU y los módulos de memoria. El chipset se encarga de asegurar que todos estos elementos se comuniquen de manera correcta y eficiente. Actúa como un centro de control, gestionando el tráfico de datos entre el procesador y los demás componentes, garantizando que todo funcione de forma sincronizada. Por ejemplo, si mueves el ratón y ese movimiento se refleja en la pantalla, es el chipset el que ha transmitido esos datos al procesador y, posteriormente, al monitor. Este mismo proceso se aplica a todas las tareas, desde la escritura de datos en el disco duro hasta el funcionamiento de otros periféricos. Chipset El tipo de chipset que posea la placa base también influye en las capacidades y limitaciones del sistema. No todos los chipsets son compatibles con todos los procesadores, y algunos pueden requerir actualizaciones del BIOS o UEFI para garantizar la compatibilidad. Aunque fabricantes como Intel y AMD a veces mantienen los mismos zócalos entre generaciones de procesadores, en otros casos, las nuevas placas base cambian el tipo de zócalo, lo que puede provocar incompatibilidades con componentes más antiguos. Asimismo, el chipset define la cantidad máxima de conectores PCI Express, SATA y USB disponibles en la placa base. PCH (Platform Controller Hub) El PCH (Platform Controller Hub) es un componente esencial en las placas base modernas porque gestiona la comunicación entre el procesador y los componentes del sistema, como la memoria RAM, el almacenamiento (HDD/SSD), los puertos USB y otros periféricos. Anteriormente, estas funciones estaban divididas entre el northbridge y el southbridge, pero ahora el PCH integra todas esas tareas en un solo chip, lo que simplifica la conexión y optimiza el rendimiento. Sin el PCH, el procesador tendría que manejar directamente las conexiones y transferencias de datos, lo que lo sobrecargaría y reduciría significativamente el rendimiento del sistema. El PCH actúa como un intermediario eficiente, permitiendo que el procesador se concentre en sus tareas principales. Además de gestionar los dispositivos de entrada/salida, también controla la conectividad de red, el audio y la administración de energía, lo que lo convierte en un componente clave para el funcionamiento coordinado y eficiente del ordenador. Tarjetas gráficas Las tarjetas gráficas son componentes encargados de procesar y renderizar gráficos, lo que es fundamental para aplicaciones como videojuegos, diseño gráfico y edición de vídeo. Contienen una GPU (Unidad de Procesamiento Gráfico), que es el núcleo responsable de realizar cálculos gráficos complejos, y VRAM, que almacena datos temporales como texturas y modelos gráficos. Existen tarjetas gráficas integradas en la CPU, adecuadas para tareas básicas, y dedicadas, que ofrecen un rendimiento superior. Estas tarjetas suelen contar con puertos de salida como HDMI o DisplayPort, permitiendo la conexión de pantallas externas. Slots - PCIe Los slots son ranuras en la placa base donde se pueden conectar diferentes componentes, como tarjetas gráficas, de red o de sonido. Los más comunes son los slots PCIe; se pueden definir como una interfaz de alta velocidad que conecta componentes como tarjetas gráficas, SSDs y tarjetas de red a la placa base. Es una evolución del PCI tradicional, con un diseño basado en "carriles" que permite diferentes configuraciones para ofrecer mayor ancho de banda según las necesidades del dispositivo. Bus Son canales que permiten la transferencia de datos entre los diferentes componentes de un ordenador. El chipset (incluyendo el PCH) gestiona estos buses, facilitando la comunicación entre el procesador, la memoria y los periféricos. Existen diferentes tipos de buses, como el bus de datos, que transporta la información: Bus de direcciones: que indica dónde se almacenan los datos Bus de control: que envía señales para gestionar las operaciones. Bus de datos: permite la transferencia de datos entre la CPU y las demás unidades. BIOS (Basic Input/Output System) Es un software esencial almacenado en un chip de memoria de la placa base de una computadora. Su función principal es facilitar el inicio del sistema y realizar configuraciones básicas del hardware antes de cargar el sistema operativo. La BIOS realiza autopruebas de encendido (POST), configura parámetros del hardware, y carga el sistema operativo desde el dispositivo de almacenamiento principal. En términos simples, la BIOS actúa como un puente entre el hardware y el software, garantizando que todos los componentes esenciales estén en funcionamiento antes de transferir el control al sistema operativo. En sistemas más modernos, la BIOS ha sido reemplazada en gran medida por el UEFI (Unified Extensible Firmware Interface), que es una interfaz más avanzada con capacidades adicionales. El chip donde se almacena la BIOS se conoce cono ROM (Read-Only Memory) es un tipo memoria que únicamente permite realizar lecturas. Este chip contiene datos que no pueden ser modificados o reprogramados fácilmente.  Núcleo 1. Conectores de alimentación EPS: alimenta directamente el procesador. Conectores de alimentación 2. Slots de expansión ATX: alimenta la memoria RAM 3. Circuito de audio y el resto de la placa base. 4. Módulos reguladores de voltaje: se denominan fases. Son las encargadas de filtrar la corriente hasta dar voltajes precisos. 5. Socket o zócalo: aloja el procesador (CPU). 6. Slots de la RAM: transmite la información Slot para la tarjeta gráfica al procesador a través de los buses de datos. 7. Puerto PCIe para conectar el M.2. 8. Platform Controller Hub (PCH): recibe las señales de los periféricos y controla quién y como se comunican con el procesador. 9. PCIe 10. PCIe  Grado en Inteligencia Artificial - 1er Curso Informática Noelia García Hervella [email protected] Guillermo Blanco González [email protected]