¿Cómo funciona la computadora?

La computadora es sola una herramienta, pero puede hacer cosas mágicas. Hoy en día, computadoras calculan millones de números por segundo, predice el tiempo, y simulan bombas nucleares. Además, computadoras son casi humanas en su habilidad de hablar, ver, pintar, cantar, y decidir. ¿Cómo puede una caja de plástico, metal, y silicona crear tanta magia? Adentro esta caja, podemos ver sólo un revoltijo de placas, chips, alambres, cables, y más cajitas. Cuando la computadora está funcionado, no podemos ver nada moviendo adentro excepto un ventilador o un disco girando. Algo que produje tantas maravillas en el mundo moderno tiene que hacer algo interesante adentro. No necesitamos buscar varillas de brujas o pociones secretos para explicar el funcionamiento de la computadora. Aunque no podemos ver lo que está pasando adentro, la computadora no es inexplicable ni difícil de entender. Aunque produje maravillas complicadas, la computadora es muy sencilla cuando llega al fondo. Es sola una herramienta construida de partes lógicas. Para entender la computadora, hay que entender cada componente y su papel en el conjunto de la computadora.

La parte más importante es la procesador central, un chip de silicona que recibe, procesa, y emite casi toda la información de la computadora. La procesador central es como el cerebro. No solo maneja la información, pero también dirige todos los otros componentes. Sin un procesador central, nada funciona. Asimismo, el cuerpo humano necesita una cabeza para mover los abrazos y piernas.

Cuando se pregunta acerca el tipo de computadora, normalmente se refiere al tipo de procesador central. No se interesa mucho la marca o modelo de la computadora. Hay cientos de fabricantes y nombres de computadoras. Por el contrario, el cerebro adentro es lo que cuenta. La mayoría de los PCs usa un procesador Pentium de Intel, a la vez los Macintosh contienen un procesador PowerPC.

Aunque el procesador es el cerebro, no domina a su mismo, ni el cuerpo entero de la computadora. El reloj es el pulso de sangre que da vida al cuerpo. El procesador depende del pulso del reloj para empezar y terminar cada tarea, no importa tan pequeña sea. No sólo los procesos adentro, pero la mayoría afuera del procesador es sincronizado con el pulso del reloj. Como el corazón que emite el sangre, todo depende del reloj que emite la señal eléctrica.

El origen de esta señal es una de las maravillas de electrónica. Cuando un corriente directo pasa por algunos tipos de cristal, el corriente emerge en un pulso electrónico. Este pulso tiene una frecuencia tan exacta que puede usarla para medir la hora. Relojes electrónicos cuentan el número de pulsos para determinar cuanto tiempo está pasando.

Adentro la computadora un reloj emite un pulso que rige la rapidez del procesador central. Cuando la procesador recibe un pulso, empieza hacer un proceso como añadir o substraer dos números. El tiempo que gasta para hacer un proceso simple se llama un ciclo. Algunos procesos complicados como multiplicación y división requieren 2 o más ciclos. Se mide la rapidez de procesador con hertz o el numero de ciclos por segundo. Hoy en día los procesadores funcionan en megahertz (millones de ciclos por segundo) y en gigahertz (miles de millones de ciclos por segundo).

La tarea principal del procesador es tratar con información. Sin embargo, la computadora no puede ver información como nosotros. La computadora es sólo una maquina. Aunque es muy compleja, no puede pensar como nosotros, ni entender cosas como sonidos, vistas, y lenguaje. Por eso, tiene que convertir toda la información en la forma que trata la computadora. La única cosa que la computadora reconoce es electricidad. Cuando mira a algo, la computadora pregunta ¿Tiene poder? o ¿No tiene poder? Sólo hay dos opciones en el mundo de la computadora. Cuando hay poder, el computadora asigna uno. Cuando no hay poder, asigna cero. Así la computadora convierte todo en ceros y unos.

Esto tipo de numeración se llama binario. Es posible de representar números y letras, aun música y video en ceros y unos. Por ejemplo, según la computadora, el número 26 es 0001 1010. Asimismo, la computadora tiene una forma de representar letras en binario conocido como ASCII. En esta forma, la letra A es 0100 0001. A nuestros ojos, binario es largo y incómodo, pero la computadora moderna puede procesar millones de estos números en un segundo.

La computadora no sólo representa los números en binario, pero también cuenta su capacidad en binario. Cada cero o uno es un bit; ocho bits forma un byte. Un byte es el espacio necesario de guardar una letra o un número menos de 256. Computadores cuenta números con una base de 2, y guardan los números en unidades con base de 2. Un kilobyte (KB) es 210 bytes o 1024 bytes. Un megabyte (MB) es 220 bytes o 1.048.576 bytes. Hoy en día muchas computadoras trata con cantidades de gigabytes (GB) que son 230 bytes o 1.073.741.824 bytes. Porque estas sumas son cercas de un mil (103), un millón (106), y un mil millón (109) respectivamente, es común de confundir las cantidades de computadora con base de 2 con nuestra forma de contar con base de 10.

Un montón de kilobytes y megabytes de información llega al procesador central para ser procesado. El procesador no trata con esta información binaria como una mente humana. La computadora no puede añadir, dibujar, ni cantar en una manera normal. En lugar de procesar información en conjunto como la mente humana, la computadora quiebra todo en partes más básicas. Toda información es separada en sus bits y es procesada en esta forma pequeña.

Aunque la computadora puede hacer cálculos muy complicados, sus operaciones básicas son increíblemente sencillas. Con un bit, hay sólo dos operaciones posibles. Puede dejar el bit el mismo o puede tomar el complemento. El complemento de un bit es el opuesto del su valor actual. Cero es el complemento de uno, a la vez que uno es el complemento de cero.

Dos operaciones posibles con un bit solo

No cambia el bit Toma el complemento
1 –> 1 1 –> 0
0 –> 1 0 –> 1

Cuando hay que procesar junto pedazos múltiples de información, la computadora reduce todo a operaciones que trata con solo dos bits a la vez. Por ejemplo, para añadir dos números, cada numero es separado en su bits individuos. Los bits en primer número es añadido a los bits correspondidos en el segundo número.

Sin embargo, adición en la computadora es totalmente diferente de adición normal. Porque la computadora trata con solo ceros y unos, hay diferentes reglas o lógica en la computadora porque las acciones son muy limitadas.

Con dos bits, hay sólo tres operaciones posibles: Y, O, y O Exclusivo. En una operación de Y, el resulto es uno si ambos bits son unos, a la vez que el resulto es uno si algún bit es uno en una operación de O. La operación de O Exclusivo requiere que solo un bit es uno para un resulto de uno. Si ambos son unos, el resulto es cero.

Tres operaciones posibles con 2 bits

Y (&) O (|) O Exclusivo (^)
1 & 1 = 1 1 | 1 = 1 1 ^ 1 = 0
1 & 0 = 0 1 | 0 = 1 1 ^ 0 = 1
0 & 1 = 0 0 | 1 = 1 0 ^ 1 = 1
0 & 0 = 0 0 | 0 = 0 0 ^ 0 = 0

Con solo Y, O, O Exclusivo, y el complemento, la computadora forma toda su lógica. Estas operaciones aparece muy inútiles y solas no pueden calcular casi nada. Sin embargo, en combinaciones estas operaciones pueden hacer matemáticas, sonido, video, y mucho más. El secreto del poder de una computadora es su habilidad de hacer millones de estas operaciones sencillas en un segundo.

Millones de operaciones requieren millones de pedazos de información para procesar. Esta información viene de muchas fuentes cómo el teclado, el ratón, y el CD. Por lo general, la información está guardado en la memoria antes que llega al procesador. Hay muchos niveles y tipos de memoria en la computadora y cada tipo tiene una función propia.

El procesador central tiene una poca memoria adentro para guardar las valores que necesita cuando hace cálculos. Esta memoria se llama los registros y es muy temporal porque puede cambiar con cada operación nueva. Cuando el procesador necesita más información, busca primero en la memoria pegado al procesador que se llama el cache. Esta memoria es muy rápida y contiene lo que el procesador usa próximamente o con mucha frecuencia. Por ejemplo, el cache puede guardar los próximos líneas de instrucciones del programa y la información sobre los gráficos en la pantalla. Hoy en día, computadoras suelen usar dos niveles de cache. L1 es cache chico adentro el chip de procesador, a la vez que L2 es cache afuera del procesador.

Muchas veces, el cache no es suficiente para surtir toda la información necesaria. En este caso, información viene por medio de una conexión que se llama el bus. Como el transporte publico para todo el sistema, el bus lleva mucho a la vez con rapidez. El bus forma la médula espinal de la computadora. Toda la información que viene del cuerpo de la computadora fluye por el bus. Todos los otro componentes de la computadora conectan al procesador central por el bus. Información fluye por el bus con una rapidez que también es controlado por el reloj. La rapidez del bus es generalmente 2 o 3 veces más lenta de la rapidez del procesador. Esta medida es importante porque indica tan rápido el procesador puede comunicar con los otro componentes y últimamente con el mundo afuera.

En la médula espinal, información pasa en ambas direcciones, desde y hacia el cerebro. El cerebro puede originar el mensaje, pero otro partes del sistema nerviosa inician mensajes también. Por ejemplo, cuando se empieza pisar en un clavo, los nervios del pie manda un mensaje de dolor por el médula espinal al cerebro. Igualmente, componentes conectado al bus puede mandar mensajes al procesador o interrupciones. Estos mensajes interrumpen el procesamiento normal del procesador. Cuando el cerebro recibe el mensaje de dolor del pie, deja todo para concentrar en el este problema. Igualmente, el procesador para cuando recibe un interrupción y trata con esta información nueva.

En el caso del clavo, el cerebro inmediatamente manda un mensaje de levantar el pie, y después sigue caminando y concentrando en sus pensamientos previos. El procesador también vuelve a su procesamiento normal después de tratar con la interrupción. Sin embargo, algunas interrupciones requiere mucho tiempo para procesar. Como la persona que para caminando después de pisar en un clavo, la interrupción puede atrasar, aun parar el procesamiento. Cuando todo se congela en la pantalla de una computadora, muchas veces la causa fue una interrupción con que la procesador no puede tratar.

El bus conecta el procesador con lo demás del torso del computadora o la placa matriz. Esta placa contiene las partes vitales de la computadora como chips que procesan video y sonido y controlan comunicaciones con los puertos y las ranuras de expansión y memoria. La placa matriz se forma de muchas laminas que contiene traces o alambres minúsculos para conectar los chips diferentes. Los traces son los nervios que llevan información y los vasos sanguíneos que lleva poder eléctrico y el pulso del reloj. Los traces tuercen y entrelazan en carreteras tridimensionales adentro la placa matriz. Los niveles de laminas permiten los traces de cruzar y solapar sin tocar hasta llegan a los chips soldados encima y abajo la placa matriz.

Cuando el procesador sigue procurando información en en bus, va principalmente a la memoria RAM. Como el cache, RAM es memoria temporal, sino es más grande y puede guardar más. RAM es Memoria de Acceso Aleatorio que quiere decir que la computadora pueda obtener información en cualquiera parte de la memoria. Ahora este nombre no significa mucho, pero en los principios de computadoras mucha memoria no fue muy accesible. Por ejemplo, para sacar información grabado en cintas magnéticas tenía que mover secuencialmente por toda la cinta hasta llega a la parte deseada.

El vocabulario de RAM es muy confuso porque había muchos avances en la tecnología. Hoy puede encontrar muchas variedades como Fast Page, EDO RAM, SDRAM, y RAMBus. A pesar de los muchos nombres, toda esta memoria es dinámica que significa su información puede desaparecer fácilmente. Dinámica RAM (DRAM) necesita un pulso de electricidad periódicamente para renovar la memoria. En cambio, la memoria del cache es estática porque no necesita ser renovada periódicamente. DRAM gasta tiempo renovando su información y por eso es más lenta del la memoria del cache

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