Arquitectura de ordenadores y sistemas

La mayoría de los ordenadores actuales siguen el modelo propuesto por John von Neumann en 1945. Este modelo establece que un ordenador no necesita ser reconfigurado físicamente para cada tarea, sino que puede ejecutar diferentes programas almacenados en memoria.

Los componentes principales son:

• Unidad Central de Procesamiento (CPU): El "cerebro" que ejecuta instrucciones.
• Memoria Principal (RAM): Donde se almacenan los datos y programas que la CPU está utilizando en ese momento.
• Unidad de Control: Dirige el flujo de datos.
• Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Realiza operaciones matemáticas y lógicas.
• Buses: Canales físicos (cables o pistas de cobre) por donde viaja la información. Existen buses de datos (transportan la información), buses de direcciones (indican dónde está la información) y buses de control.

El ciclo de instrucción es el proceso repetitivo mediante el cual la CPU extrae una instrucción de la memoria, la decodifica y la ejecuta.

La placa base (motherboard) es el soporte físico donde se conectan todos los componentes. Sus elementos clave son:

1. Factor de forma: Define el tamaño y forma física (ej. ATX, Micro-ATX).
2. Zócalo (Socket): El lugar específico donde se encaja el microprocesador.
3. Ranuras de expansión: Permiten conectar tarjetas adicionales (gráficas, de red) mediante el estándar PCI Express.
4. Chipset: Conjunto de circuitos integrados que gestionan la comunicación entre los componentes. Tradicionalmente se dividía en Puente Norte (comunicación rápida: CPU, RAM, GPU) y Puente Sur (periféricos y almacenamiento), aunque hoy en día muchas de estas funciones están integradas en la propia CPU.

El rendimiento de un ordenador depende en gran medida del microprocesador. Sus características principales son:

• Núcleos e hilos: Un núcleo es una unidad de procesamiento independiente. Los hilos (threads) permiten que un núcleo gestione varias tareas simultáneamente.
• Frecuencia de reloj: Medida en Gigahercios (GHz), indica la velocidad a la que la CPU procesa instrucciones. $1 \text{ GHz} = 10^9 \text{ ciclos por segundo}$.
• Memoria Caché: Memoria ultra-rápida interna de la CPU. Se organiza en niveles: L1 (más rápida y pequeña), L2 y L3 (más lenta pero mayor).
• Arquitectura: Los sistemas de 64 bits pueden gestionar mucha más memoria RAM que los antiguos de 32 bits (limitados a 4 GB).

No toda la memoria es igual. La jerarquía busca equilibrio entre velocidad y capacidad.

• Memoria RAM (Random Access Memory): Es de lectura y escritura. Su principal característica es la volatilidad: cuando se apaga el equipo, la información se pierde. La tecnología actual es la DDR (Double Data Rate) en versiones como DDR4 o DDR5.
• Memoria ROM (Read Only Memory): Es no volátil. Contiene el firmware básico. Antiguamente era la BIOS, que ha sido sustituida por la UEFI, una interfaz más moderna y segura para el arranque.
• Memoria Virtual: El sistema operativo utiliza parte del disco duro como si fuera RAM cuando esta se agota, aunque es mucho más lenta.

Aquí guardamos nuestros archivos de forma permanente:

1. HDD (Hard Disk Drive): Discos magnéticos giratorios. Son económicos y de gran capacidad, pero lentos y frágiles.
2. SSD (Solid State Drive): Basados en memoria flash. Son mucho más rápidos, silenciosos y resistentes.
3. Interfaces:
   • SATA: Estándar más antiguo, limitado en velocidad.
   • NVMe (vía M.2): Protocolo moderno que aprovecha el bus PCIe para alcanzar velocidades extremas.

Para que el sistema operativo pueda usar un disco, este debe estar organizado:

• Particiones: Divisiones lógicas de una unidad física. Permiten tener, por ejemplo, el sistema operativo en una "letra C:" y los datos en una "letra D:".
• Sistemas de archivos: La forma en que se organizan los archivos. NTFS es el estándar de Windows, ext4 de Linux y FAT32 se usa para compatibilidad universal (pendrives).
• Formateo: Proceso de preparar el disco borrando datos y creando el sistema de archivos.

Los periféricos permiten la interacción entre el usuario y la máquina:

• Entrada: Teclado, ratón, escáner, micrófono.
• Salida: Monitor, altavoces, impresora.
• Híbridos (E/S): Pantallas táctiles, auriculares con micro, impresoras multifunción. La mayoría son Plug and Play, lo que significa que el sistema los reconoce y configura automáticamente al conectarlos.

• USB (Universal Serial Bus): El estándar más común. El USB-C es el conector reversible que soporta carga, datos y vídeo.
• Vídeo: HDMI (transmite audio y vídeo digital) y DisplayPort (preferido en entornos profesionales/gaming).
• Red: Puerto RJ-45 para Ethernet.
• Thunderbolt: Desarrollado por Intel, ofrece velocidades de transferencia altísimas y permite encadenar múltiples dispositivos.

Un Driver o controlador es el software que permite al Sistema Operativo comunicarse con el hardware. Sin el driver adecuado, una tarjeta gráfica potente no funcionará correctamente. Se gestionan desde el Administrador de dispositivos en Windows. Es vital mantener actualizado también el Firmware (software interno del hardware) para corregir errores de seguridad.

El Sistema Operativo (SO) es el software principal que gestiona el ordenador. Sus funciones son:

1. Gestión de procesos: Decidir qué programa usa la CPU en cada momento.
2. Administración de memoria: Asignar espacio en la RAM a las aplicaciones.
3. Interfaz de usuario: Puede ser GUI (interfaz gráfica con ventanas e iconos) o CLI (línea de comandos, basada en texto).
4. Gestión de archivos: Controlar la creación, borrado y acceso a los datos.

• Propietarios: Software de pago con código cerrado. Ejemplos: Windows (Microsoft) y macOS (Apple).
• Código Abierto: El código es accesible y modificable. El núcleo Linux da lugar a múltiples "distribuciones" como Ubuntu, Debian o Fedora.
• Móviles: Android (basado en Linux) e iOS (Apple).

Para instalar un SO, debemos cumplir los requisitos mínimos (procesador, RAM y espacio en disco). El proceso suele implicar:

1. Crear un medio de instalación (USB booteable).
2. Configurar el orden de arranque en la UEFI.
3. Crear cuentas de usuario con diferentes privilegios (Administrador vs. Usuario estándar) para mejorar la seguridad.

La virtualización permite ejecutar varios sistemas operativos simultáneamente en una sola máquina física.

• Máquina Virtual (VM): Un ordenador "ficticio" que corre dentro de una ventana.
• Hipervisor: El software que gestiona las máquinas virtuales (ej. VirtualBox, VMware).
• Ventajas: Permite crear entornos de prueba seguros; si un virus infecta la máquina virtual, no afecta al ordenador real.

La nube consiste en utilizar recursos de servidores remotos a través de Internet:

• SaaS (Software as a Service): Usar aplicaciones online sin instalar nada (ej. Google Docs, Spotify).
• IaaS (Infrastructure as a Service): Alquilar servidores o potencia de cálculo (ej. Amazon Web Services).
• Sincronización: Permite que un archivo editado en el móvil aparezca actualizado en el PC al instante.

Para mantener el sistema sano, es fundamental:

• Backup: Realizar copias de seguridad periódicas de los datos importantes.
• Puntos de restauración: Capturas del estado del sistema para volver atrás si una instalación sale mal.
• Monitorización: Usar el Administrador de Tareas para ver qué programas consumen excesivos recursos.
• Limpieza: Eliminar archivos temporales y desinstalar programas innecesarios para liberar espacio y mejorar la velocidad.