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¿Cómo funciona un ordenador? De la electricidad a la información

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18.10.2011Artículo

¿Te has preguntado alguna vez cómo funciona un ordenador? ¿Cómo la electricidad se transforma en información? En este artículo lo intentaremos explicar de una forma sencilla los principios que marcan el funcionamiento de una computadora. Cabe decir, que lo que se expone es un sistema básico y que hoy en día existen ciertas mejoras que aumentan la rapidez en la que se ejecuta, pero los fundamentos siguen siendo los mismos.

La arquitectura que utilizan las computadoras de hoy en día fue ideada por un científico húngaro-americano llamado John von Neumann. Su diseño divide los componentes en tres grandes grupos: La unidad central de procesamiento, la memoria y los periféricos.

La unidad central de procesamiento (o CPU) está formada por tres grandes grupos de componentes. En primer lugar tenemos una unidad de control cuya función es elegir qué tipo de operación se va a realizar. Luego tenemos la unidad de cálculo que se encarga, como dice su nombre, de realizar los cálculos que le indique la unidad de control. Finalmente, la CPU tiene una serie de registros donde se almacenan los bits que se van a utilizar para realizar el cálculo y su resultado.

En este sentido, cuando ejecutamos algo en una computadora, lo que se hace primero es identificar qué operación se va a realizar. Aquí, cuando hablamos de operaciones, hablamos de cálculos matemáticos tipo suma o multiplicación, pero también operaciones de otras naturalezas como comparar dos valores o asignar un bit a un registro. En realidad el conjunto de operaciones que se pueden realizar depende enteramente el procesador, cada marca tiene un juego de operaciones distinto. Así, cada operación tiene su propio código que se carga en un registro y que indica a la unidad de control qué operación se va a realizar.

Luego en otros registros se guardan los valores con los que se va a realizar la operación y con estos valores y la unidad de control generando un señal con la operación a realizar, se hace dicha operación y se guarda en los registros.

Por su parte, la memoria no es nada más que muchos registros estructurados en conjuntos donde el computador almacena datos para su posterior uso. Así como los registros del computador se utilizan para cada cálculo, los valores de la memoria se almacenan para usos futuros.

Pero ¿cómo sabe el ordenador que espacio de la memoria debe leer? La respuesta reside en el hecho que la memoria está estructurada y cada espacio de memoria tiene su propia dirección. Así, en el procesador hay un registro de programa que indica que dirección de la memoria debe leerse. Seguro que habéis oído hablar de sistemas operativos de 32 y 64 bits, pues bien, eso nos indica cuantas direcciones puede manejar. 32 bits son 4.294.967.296 direcciones distintas (2^32) mientras que, con 64 bits se pueden generar 18.446.744.073.709.551.616 direcciones (2^64).

En el apartado de la memoria, es interesante hablar sobre la CACHE. Cuando se puso en práctica este tipo de arquitectura se dieron cuenta que se tardaba más en mandar valores desde la memoria al procesador que lo que tardaba el procesador en hacer cálculos. Esto quería decir que el procesador estaba continuamente esperando que le llegaran los datos necesarios para realizar una operación y, por lo tanto, no estaba trabajando. Así que, por muy potente que fuera el procesador, la velocidad de cálculo se veía limitada por la transmisión de datos. Así, lo que se hizo es poner una serie de memorias de acceso rápido cerca del procesador que almacenan los valores que utiliza el procesador con mayor frecuencia y aquellos que se prevé que vaya a utilizar.

El último de los componentes de la arquitectura de von Neumann es el conjunto de periféricos con los que la computadora interactúa con el entorno. Este apartado abarca desde el teclado, el ratón y la pantalla a la tarjeta de red. Lo que hacen los periféricos no es nada más que introducir cadenas de bits al ordenador o interpretarlos.

Finalmente, solo comentar que para interconectar estos tres distintos grupos de componentes está lo que se llaman los buses y hay exactamente tres. En primer lugar, el bus de datos transmite las cadenas de bits necesarias para realizar una operación. Luego está el bus de direcciones, en las que circula la dirección de memoria donde viene o a donde va lo que haya en el bus de datos. En último lugar está el bus de control cuya función es determinar qué componente tiene acceso a los buses.

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