Introducció a l'arquitectura dels ordinadors

Anem a veure ara amb més profunditat quines són les parts d'un ordinador i com es relacionen entre elles.

El maquinari (hardware) d'un ordinador és el conjunt de les seves parts físiques. Es classifica principalment per situació (central o perifèric) i funció (entrada, sortida, entrada-sortida o emmagatzematge).

La part central de qualsevol ordinador és la caixa, ja que conté els components bàsics perquè pugui realitzar les feines que se li encomanin. Ha de servir d'estructura de protecció del components interns a l'hora que ha de permetre una correcta ventilació. Depenent de quin sigui el propòsit de l'equip, es poden triar diferents tipus:

Si un obre una d'aquestes caixes, encara que la col·locació dels components pot variar, el primer que crida l'atenció és que pot arribar a haver una gran quantitat de cables que no deixen anar més enllà.

La visió es fa més fàcil si ens adonem de que tots els fils de colors surten d'una mateixa caixa situada a la part superior. Aquesta caixa és la font d'alimentació, que s'encarrega de transformar els 220V de corrent alterna de l'endoll a petits voltatges en contínua per a cadasquna de les parts.

La resta de cables que resalten tenen un aspecte aplanat. Són el s'anomena busos de dades i connecten diferents parts com explicarem més endavant.

Una vegada llevats tots els cables, es pot veure a l'esquerra un conjunt de circuits integrats i a la dreta, una sèrie de dispositius col·locats un damunt l'altre. Anem a començar amb els circuits integrats.

El més gran de tots els circuits és la placa mare, també coneguda com placa basi o amb l'anglicisme motherboard, és un gran circuit imprès sobre el qual se solda el chipset (conjunt de chips que s'encarreguen de controlar tot el que passa a la placa mare), les ranures d'expansió (slots), els sòcols per connectar el processador, connectors, diversos integrats, etc. És el suport fonamental que allotja i comunica a tots els altres components. Per comunicar aquests components, la placa basi posseeix una sèrie de busos (canals de comunicació) amb els quals es transmeten les dades dins i cap a fora del sistema.

El tipus de placa mare ha d'estar relacionat amb el tipus de caixa que es té.

La tendència d'integració ha fet que la placa basi es converteixi en un element que inclou també la majoria de les funcions bàsiques (vídeo, àudio, xarxa, ports de diversos tipus), funcions que abans es realitzaven amb targetes d'expansió. Encara que això no exclou la capacitat d'instal·lar altres targetes addicionals específiques, tal com capturadores de vídeo, targetes d'adquisició de dades, etc.

Què se pot trobar connectat a la placa mare?

• CPU o processador: Destaca pel seu volum. És el component fonamental del computador, encarregat d'interpretar i executar instruccions i de processar dades. En els computadors moderns, la funció de la CPU la realitza un o més microprocessadors. Està format per:

  • • Unitat de control (UC): gestiona el funcionament de la CPU.

    • Unitat aritmètic-lògica (ALU): realitza operacions aritmètiques i lògiques (booleanes) i resol els càlculs que li encomana la UC.

    • Registre: emmagatzema temporalment la informació.

    • El microprocessador es munta sobre un sòcol que permet les connexions elèctriques entre els circuits de la placa i el processador. Sobre el processador i ajustat a la targeta mare es fixa un disipador de calor, que en general és de alumini, en alguns casos de coure; aquest és indispensable en els microprocessadors que consumeixen bastant energia, la qual, en gran part, és emesa en forma de calor. En alguns casos poden consumir tanta energia com una bombeta incandescent (de 40 a 130 watts). Addicionalment, sobre el dissipador s'acobla un ventilador, que està destinat a forçar la circulació d'aire per extreure més ràpidament la calor emesa pel dissipador. Complementàriament, per evitar danys per efectes tèrmics, també se solen instal·lar sensors de temperatura del microprocessador i sensors de revolucions del ventilador.

• • Les característiques importants a l'hora de comprar un són:

    • Freqüencia: nombre d'operacions que fa en un segon. S'expressa en GHz, pot arribar fins a 5GHz i dóna la seva velocitat.

    • Nombre de nuclis: poden ser fins a 7 i quants més n'hi hagi, més estable sirà l'ordinador.

    • Memòria caché: petita quantitat de memòria RAM molt ràpida a on s'emmagatzemen les dades d'ús més freqüent pel processador. La quantitat pot arribar fins a 8MB i augmenta amb cada generació.

• Memòries: dispositius electrònics amb capacitat per emmagatzemar dades. A la placa mare hi trobam:

  • • RAM (memòria d'accès aleatori): La RAM només carrega les dades que l'usuari fa servir en aquell moment i d'aquesta manera accelera l'accés a la informació. Es pot accedir a qualsevol dada emmagatzemada de forma directa i en un temps constant.

      • Es pot classificar en estàtica (la informació es manté inalterada tot el temps que hi ha corrent) i dinàmica (la informació va variant en funció de les necessitats de l'usuari).

      • L'evolució de la memòria RAM fa que cada any apareguin versions més ràpides, pel que avui en dia es poden trobar al mercat SDR (fins a 133'3MHz), DDR (500MHz), DDR2 (1200MHz), DDR3 (2133'3MHz).

• Mitjans d'emmagatzematge: A més de les memòries, l'ordinador necessita dispositius per emmagatzemar grans quantitats d'informació que no siguin volàtils (que no s'esborrin). Aquests mitjans són:

  • • Disc dur (HDD): és un dispositiu d'emmagatzematge no volàtil. S'hi guarden grans quantitats de dades digitals en la superfície magnetitzada dels diversos discs que conté, els quals giren a gran velocitat (7200rpm).

      • Les característiques principals d'un disc dur són la seva capacitat d'emmagatzematge (actualment d'uns quants gigabytes (GB) a varis terabytes (TB), la velocitat de transferència (MB/s), i el temps d'accés (ms), que alhora ve condicionat per la velocitat de rotació (rpm o rotacions per minut).

Tots aquests dispositius de hardware s'han de connectar a la placa mare per poder compartir informació. El problema és que cadascun d'ells vol compartir més o menys informació a més o menys velocitat (Mbps o MB/s). Per tant, tots es connecten fent servir un bus d'informació (nombre variable de fils per transferir l'informació binaria) que s'adapta a les seves necessitats i que ha anat evolucionant al llarg dels anys. A més, tots els perifèrics (ratolí, teclat, pantalla,...) també necessiten el seu propi bus, motiu pel qual, a les parts trasera i frontal existeixen el que anomenam connexions o ports.

Els busos que s'utilitzen avui en dia són:

• Sèrie: Les dades són enviades, bit a bit i es reconstrueixen per mitjà de registres o rutines de programari. Està format per pocs conductors i el seu ample de banda depèn de la freqüència. És idoni en aplicacions on es requereix la connexió de dispositius interactius de baixa i mitja velocitat (ratolí, teclat, pantalla).

• USB: És un cas especial de port sèrie que ha arribat a velocitats molt elevades i que pretén estandaritzar la forma de connexió per poder connectar qualsevol cosa. La velocitat màxima depén de la generació: USB 1.0 (12Mbps), USB 2.0 (400Mbps) i USB 3.0 (4'8Gbps).

• • Paral·lel: Les dades són enviades per bytes al mateix temps, amb l’ajuda de diverses línies que tenen funcions fixes. La quantitat de dades enviada és bastant gran amb una freqüència moderada. En els ordinadors ha estat utilitzat de manera intensiva, des del bus del processador, els de RAM, els busos de discos durs, targetes d’expansió i de vídeo, fins a les impressores.

  • Les targetes d'expansió que es poden instal·lar van desde gràfiques, a targetes de so, de xarxa (amb fil o sense), capturadores de video, de ports USB,... Els tipus de busos per les targetes d'expansió, que cada dia són més potents, són:

    • PCI: arriba a 266MB/s.

    • AGP: arriba a 2GB/s.

    • PCI Express: arriba a 8 GB/s.

• • • • Els busos destinats a dispositius d'emmagatzematge poden ser paral·lels, com l'antic IDE que arribava fina a 166MB/s, o sèrie, com les diferents versions SATA (150MB/s), SATA II (300MB/s) i SATA III (600MB/s).

Tots aquests dispositius de hardware connectats mitjançant els busos adequats tenen un funcionament coordinat que comença quan s'encén l'ordinador.

1. El 1r que es carrega és el programa de la BIOS, que és l'encarregat de revisar totes les coses connectades al PC i revisar que no hi ha hagut canvis, comparant el que veu amb la configuració que es va guardar a la CMOS quan es va tancar l'ordinador la darrera vegada.

2. Si tot está bé, la BIOS deixa que el processador carregui a la memòria RAM la part imprescindible del sistema operatiu.

3. A partir d'aquell moment, el sistema operatiu s'encarrega de realitzar les peticions que l'usuari li fa.

Exercicis:

1. Fes un resum al que s'expliquin els següent conceptes bàsics de maquinari: Disc dur, memòria RAM i processador.

2. Per què serveix el programa BIOS a un ordinador? A quin tipus de memòria està instal·lat? A on es desen les dades que es modifiquen amb aquest programa?

3. Cerca quins microprocessadors s'estan fent servir avui en dia a equips de sobretaula i portàtils i quines són les seves característiques.

4. Com s'expressa la velocitat a les que pot funcionar una regravadora de CD's o DVD's i què volen dir aquests números?

5. Els busos de connexió dels dics durs han canviat molt als darrers anys passant de IDE fins a SATA3. Cerca informació sobre ells i compara'ls.

6. Actualment els discos duros més ràpids i confiables són d'estat sòlid (memòries flaix SSD). Compara la velocitat, la capacitat i el preu d'aquests dispositius amb les dels HDD magnètics.

7. Als darrers anys ha aparegut l'HDMI un nou tipus de cable de connexió que ha tingut un gran èxit. Cerca quines són les seves caraterístiques.

8. Al mercat hi ha una gran quantitat de targetes gràfiques. Esbrina quines són actualment les més potents, quines són les seves característiques i una imatge de cadasquna d'elles.

9. Imagineu que heu de comprar 2 ordinadors diferents, un per a treball d'oficina i un altre per jugar a videojocs d'última generació com el "Call of Duty: Modern Warfare 3", que té com a requisits mínims.

10. Visita les pàgines de diferents tendes online i configura els dos equips sabent que totes les peces han de ser compatibles (ex.: el processador ha d'entrar en la placa mare, etc.), que el pressupost és il·limitat, però que no has de gastar més del necessari. Pàgines:

• http://www.pcbox.com/

• http://www.pccoste.es/

• http://www.pccomponentes.com/

• http://www.appinformatica.com/