Teoría — Estructura funcional del ordenador y arquitectura de buses

2.1 Del mundo analógico al digital

Un ordenador es una máquina que procesa información: recibe datos, los transforma siguiendo las instrucciones de un programa y devuelve resultados. Antes de ver cómo lo hace, hay que entender qué tipo de información maneja.

¿Por qué solo dos estados?

Dentro del ordenador la información se guarda y se mueve como tensión eléctrica. Distinguir solo dos niveles («hay tensión» y «no hay tensión») es muy fiable: aunque el cable recoja algo de ruido, es difícil confundir uno con otro. Si hubiera que distinguir diez niveles, cualquier interferencia provocaría errores.

A esos dos estados los llamamos 1 y 0 (también alto/bajo, H/L o verdadero/falso). Los primeros circuitos digitales trabajaban con 0 V y 5 V. Hoy se usan tensiones mucho más bajas para gastar menos y calentarse menos: el núcleo de un procesador actual funciona alrededor de 1 V y la memoria DDR5 a 1,1 V.

Agrupaciones de bits

Fíjate en la tercera columna: con n bits se pueden formar 2ⁿ combinaciones. Esta idea aparece una y otra vez en el tema.

2.2 Representación de la información

2.2.1 Sistema binario

Usamos el sistema decimal (base 10): diez cifras, y cada posición vale diez veces más que la de su derecha (unidades, decenas, centenas…). El sistema binario (base 2) funciona igual, pero solo con las cifras 0 y 1, y cada posición vale el doble que la de su derecha:

De binario a decimal: se suman los pesos de las posiciones que tienen un 1. Por ejemplo, 0010 1101 = 32 + 8 + 4 + 1 = 45.

De decimal a binario: se divide entre 2 una y otra vez y se leen los restos de abajo arriba. También se puede ir restando el mayor peso que quepa:

2.2.2 Sistema hexadecimal

Escribir muchos bits es incómodo y es fácil equivocarse. El sistema hexadecimal (base 16) usa 16 cifras: del 0 al 9 y de la A a la F (A = 10, B = 11, C = 12, D = 13, E = 14 y F = 15). Su gran ventaja es que cada cifra hexadecimal equivale exactamente a 4 bits.

Para pasar de binario a hexadecimal se agrupan los bits de cuatro en cuatro empezando por la derecha y se cambia cada grupo por su cifra:

0110 1100 0010 1110 → 6 C 2 E → 6C2E

El hexadecimal aparece continuamente en informática: direcciones de memoria en los mensajes de error, direcciones MAC de las tarjetas de red (3C:52:82:1A:F0:9B), colores de las páginas web (#17685E es el verde de este módulo) o códigos de error de la BIOS.

Para distinguir en qué base está un número se usa un subíndice o un prefijo: 101₂ o 0b101 en binario, 2E₁₆ o 0x2E en hexadecimal.

2.2.3 Unidades de capacidad

La capacidad de memorias y discos se mide en bytes y sus múltiplos. Aquí hay una trampa que conviene conocer: existen dos sistemas de múltiplos.

Los fabricantes de discos usan el sistema internacional. Windows calcula en base 1024, pero escribe «GB». Por eso un disco de 1 TB aparece en Windows como 931 GB: no falta espacio, solo cambia la forma de contar. La memoria RAM, en cambio, siempre se fabrica en potencias de 2: un módulo de «16 GB» tiene en realidad 16 GiB.

Por encima del exabyte están el zettabyte (ZB) y el yottabyte (YB). En 2022 se añadieron el ronnabyte (RB) y el quettabyte (QB).

2.2.4 Otros códigos

• BCD (decimal codificado en binario): cada cifra decimal se guarda por separado con 4 bits. 45 en BCD es 0100 0101. Lo usan relojes, calculadoras y el reloj de la placa base.
• ASCII: asigna un número a cada letra, cifra y símbolo. La «A» es el 65 (0x41) y la «a» el 97. ASCII solo tiene 128 caracteres, así que no incluye la «ñ» ni las tildes. Hoy se usa Unicode (normalmente en formato UTF-8), que tiene sitio para todos los idiomas y para los emojis.

2.3 Puertas lógicas: cómo calcula un circuito

En 1938, Claude Shannon demostró que el álgebra de Boole, una parte de las matemáticas que trabaja solo con «verdadero» y «falso», sirve para diseñar circuitos eléctricos. Desde entonces, todo lo que hace un procesador se construye a partir de unos bloques muy simples: las puertas lógicas.

Una puerta lógica recibe uno o varios bits de entrada y produce un bit de salida según una regla fija. Por dentro está hecha con transistores que funcionan como interruptores controlados por tensión. El chip 4011, por ejemplo, contiene cuatro puertas NAND. Un procesador actual tiene decenas de miles de millones de transistores.

Hay dos formas de dibujar las puertas: los símbolos ANSI (americanos, con formas curvas, los que verás en los esquemas de este tema) y los IEC (europeos, un rectángulo con un signo dentro). En los dos casos, un círculo pequeño en la salida significa «invertida».

2.3.1 Cómo leer un circuito lógico

Cuando se combinan varias puertas, la salida se calcula paso a paso, de izquierda a derecha:

1. Numera las puertas y escribe la expresión de la salida de cada una a partir de sus entradas.
2. Sustituye hasta llegar a la expresión de F en función de las entradas.
3. Haz la tabla de verdad: con n entradas hay 2ⁿ filas (con A, B y C, 8 filas).

Un punto donde se juntan cables indica que están unidos. Si dos cables se cruzan sin punto (o con un pequeño salto), no se tocan.

2.3.2 De las puertas a la memoria: circuitos combinacionales y secuenciales

2.3.3 Así suma la UAL

Sumar dos bits tiene cuatro casos: 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1 y 1 + 1 = 10 (es decir, 0 y «me llevo 1»). Si te fijas, la cifra de la suma se comporta como una XOR y la llevada como una AND. Con esas dos puertas se construye un semisumador:

Encadenando sumadores (cada uno pasa su llevada al siguiente) se suman números de 4, 8, 32 o 64 bits. Esto es, literalmente, lo que hay dentro de la unidad aritmético-lógica del procesador:

2.4 Bloques funcionales y arquitectura de Von Neumann

Da igual que sea un portátil, un servidor o un móvil: todos los ordenadores se organizan en los mismos bloques funcionales. Cada bloque cumple una función, aunque físicamente pueda estar repartido entre varios componentes.

2.4.1 El modelo de Von Neumann

En 1945, el matemático John von Neumann describió cómo debía organizarse un ordenador de propósito general. Casi todos los ordenadores actuales siguen ese modelo, que se basa en tres ideas clave:

1. Programa almacenado: los datos y las instrucciones del programa se guardan juntos en la misma memoria. Para cambiar lo que hace la máquina basta con cargar otro programa, sin recablear nada.
2. Acceso por dirección: cada celda de la memoria tiene un número (su dirección) y se llega a su contenido indicando ese número.
3. Ejecución secuencial: las instrucciones se ejecutan una detrás de otra, en el orden en que están en memoria, salvo que una instrucción ordene saltar a otra dirección.

Al conjunto de unidad de control + UAL + registros se le llama unidad central de proceso (CPU). Si se le añaden la memoria principal, la unidad de E/S y los buses, tenemos el ordenador completo.

Cómo circula la información: los datos entran por la unidad de E/S y se guardan en la memoria. La UC va leyendo las instrucciones de la memoria y ordena a la UAL las operaciones necesarias. Los resultados vuelven a la memoria y, desde ahí, salen al usuario por la unidad de E/S. Todo ese tráfico pasa por los buses.

2.4.2 La arquitectura Harvard

La arquitectura Harvard separa la memoria en dos: una para las instrucciones y otra para los datos, cada una con sus propios buses. Así la CPU puede leer una instrucción y un dato al mismo tiempo.

Los procesadores actuales son una mezcla: hacia fuera siguen el modelo de Von Neumann (una sola RAM), pero por dentro su caché de primer nivel (L1) está partida en dos, una para instrucciones y otra para datos. Es lo que se llama Harvard modificada.

2.4.3 De los bloques a las piezas reales

Cuando abras un equipo en el taller verás piezas, no bloques. Esta es la correspondencia:

Los discos son una pieza curiosa. Por su función forman parte de la jerarquía de memoria (memoria secundaria). Pero en el modelo de Von Neumann son periféricos de almacenamiento: la CPU no ejecuta programas directamente desde ellos, primero los copia a la RAM.

2.5 Las unidades funcionales por dentro

2.5.1 La memoria principal

La memoria es un conjunto de celdas iguales. Cada celda guarda un número fijo de bits (en los PC, un byte) y tiene su propia dirección. Sobre una celda se pueden hacer dos operaciones, nunca a la vez:

• Lectura (L): se consulta lo que hay guardado. El contenido no cambia.
• Escritura (E): se guarda un valor nuevo. Lo que hubiera antes se pierde.

Para trabajar, la memoria usa dos registros auxiliares:

• Registro de direcciones (RD): guarda la dirección de la celda a la que se quiere acceder. Le llega por el bus de direcciones.
• Registro de memoria (RM): guarda el dato que se acaba de leer o el que se va a escribir. Está conectado al bus de datos.

En otros libros verás estos registros con sus siglas en inglés: MAR (RD) y MDR o MBR (RM).

La capacidad de una memoria es el número de celdas por el tamaño de cada celda. Las celdas se organizan en filas y columnas, y en los chips de verdad, en varios bloques (bancos). Para localizar un dato el chip activa una fila y después una columna. Volverás a ver esta idea al estudiar las latencias de la RAM en el tema 3.

La jerarquía de memoria

No existe una memoria a la vez rápida, enorme y barata. Por eso el ordenador combina varios niveles: arriba los pequeños y rapidísimos; abajo los grandes, lentos y baratos. Lo que más se usa se mantiene en los niveles rápidos.

Los valores son aproximados y cambian según el modelo. La última columna ayuda a hacerse una idea: si leer un registro durase un segundo, ir a la RAM supondría unos cuatro minutos y leer del disco duro, medio año. Por eso la caché es tan importante.

Los registros, la caché y la memoria principal forman la memoria interna. La memoria secundaria y la auxiliar forman la memoria externa.

2.5.2 La unidad aritmético-lógica (UAL)

La UAL contiene los operadores: los circuitos que suman, restan, comparan o hacen operaciones lógicas como el sumador que has visto en el apartado 2.3. Según cuántos datos usan, los operadores son monádicos (un dato, como NOT o cambiar el signo) o diádicos (dos datos, como la suma).

• Los datos llegan a unos registros de entrada de la UAL.
• El resultado se guarda en el acumulador (AC), desde donde puede usarse en la siguiente operación o enviarse a memoria.
• El registro de estado guarda información sobre el último resultado mediante indicadores (flags): si ha salido cero, si es negativo, si ha habido llevada o si el resultado no cabe (desbordamiento). La UC los consulta para tomar decisiones, como en un «si… entonces» de un programa.

2.5.3 La unidad de control (UC)

La UC busca las instrucciones, las interpreta y genera las órdenes para ejecutarlas. Sus partes principales son:

• Contador de programa (CP): registro con la dirección de la siguiente instrucción. En inglés, PC (program counter).
• Registro de instrucción (RI): guarda la instrucción que se está ejecutando. En inglés, IR.
• Decodificador: interpreta la instrucción del RI y averigua qué operación hay que hacer y con qué datos.
• Secuenciador: genera las señales de control en el orden correcto, paso a paso.
• Reloj: marca el ritmo. Cada pulso es un ciclo, y cada paso de una instrucción ocupa uno o varios ciclos.

Hay dos formas de construir una UC. En la de control cableado, los pasos de cada instrucción están fijados en los circuitos. En la de control microprogramado, cada instrucción se descompone en un pequeño programa interno de microinstrucciones. A ese software grabado dentro del hardware se le llama, en general, firmware.

2.5.4 La unidad de entrada/salida

Los periféricos se clasifican en:

• De entrada: introducen información (teclado, ratón, escáner, micrófono, webcam).
• De salida: muestran o entregan información (monitor, impresora, altavoces).
• De entrada/salida: hacen las dos cosas. Unos son de almacenamiento (discos, memorias USB) y otros de comunicación (tarjeta de red, router, módem). La pantalla táctil también es de entrada/salida.

Entre la CPU y cada periférico hay dos piezas:

• El controlador maneja directamente el dispositivo. Por ejemplo, el controlador de un disco mueve el cabezal. Suele ir dentro del propio periférico.
• La interfaz traduce las señales del periférico a las señales normalizadas del sistema. Ejemplos: USB, SATA, HDMI.

Para que la CPU distinga si habla con la memoria o con un periférico hay dos sistemas:

• E/S mapeada en memoria: los periféricos ocupan algunas direcciones del mismo mapa que la memoria. La CPU les habla con las mismas instrucciones que usa para leer y escribir en memoria.
• E/S aislada (o independiente): los periféricos tienen su propio mapa de direcciones, separado del de la memoria. La CPU usa instrucciones especiales de E/S y una señal del bus de control que indica «esto va para la E/S, no para la memoria».

Los periféricos son lentos comparados con la CPU. Para no tenerla esperando, se usan interrupciones (el periférico avisa cuando tiene algo listo; lo verás en el apartado 2.7). Para mover muchos datos se usa el acceso directo a memoria (DMA): el periférico copia los datos a la RAM sin pasar por la CPU.

2.6 Los buses

Un bus es un conjunto de líneas (cables o pistas de cobre) que comparten varias unidades para comunicarse. Por cada línea viaja un bit cada vez. El número de líneas es el ancho del bus.

La velocidad de un bus se mide por su ancho de banda: cuántos bytes transfiere por segundo.

ancho de banda = (ancho en bits ÷ 8) × frecuencia × transferencias por ciclo

Las memorias DDR (double data rate) hacen dos transferencias por ciclo de reloj. Por eso una DDR4 con reloj de 1600 MHz se vende como DDR4-3200: 3200 millones de transferencias por segundo.

2.6.1 Los buses en un ordenador actual

El modelo de Von Neumann dibuja un único juego de buses compartido por todos. Los primeros PC eran así, pero hoy sería un atasco permanente. Un equipo actual usa varias conexiones punto a punto, cada una dedicada a un tipo de tráfico:

• CPU ↔ RAM: el controlador de memoria está dentro del procesador y se comunica con los módulos por dos o más canales de memoria independientes.
• CPU ↔ tarjeta gráfica y SSD NVMe: por PCI Express, organizado en carriles (x1, x4, x16). A más carriles, más ancho de banda.
• CPU ↔ chipset: un enlace dedicado (en Intel se llama DMI).
• Chipset ↔ resto de E/S: USB, SATA, red, sonido…

Además, casi todos estos buses modernos son serie: en lugar de muchas líneas en paralelo, usan pocas líneas a velocidades altísimas. Con muchas líneas en paralelo, a frecuencias muy altas, los bits de las distintas líneas llegan desfasados. Verás todo esto con detalle al estudiar la placa base en el tema 3.

2.7 El ciclo de instrucción

Un programa es una lista de instrucciones guardadas en memoria. Cada instrucción tiene un formato fijo. En nuestra máquina de ejemplo, cada celda tiene 4 cifras con formato operación-dirección:

1408 → operación 1 sobre el dato de la dirección 408

La lista de operaciones que entiende un procesador es su juego de instrucciones. Cada familia de procesadores tiene el suyo: un programa para x86 (Intel, AMD) no funciona en un procesador ARM (móviles, Mac actuales) sin traducirlo.

2.7.1 Las fases

La CPU repite sin parar el mismo ciclo para cada instrucción:

1. Búsqueda (fetch): la UC copia el CP en el RD, la memoria lee esa celda y la instrucción llega por el bus de datos hasta el RI. El CP se incrementa para apuntar a la siguiente instrucción.
2. Decodificación: el decodificador separa la operación y la dirección del dato.
3. Ejecución: la UC genera las órdenes: llevar la dirección del dato al RD, leer o escribir en memoria, pedir a la UAL que opere… El resultado queda en el AC o en memoria.
4. Interrupción (solo si hace falta): antes de empezar la siguiente instrucción, la CPU comprueba si algún periférico ha pedido atención.

En el simulador completo puedes escribir tus propios programas en la memoria y ejecutarlos paso a paso.

2.7.2 Las interrupciones

Imagina que la CPU tuviera que preguntar al teclado mil veces por segundo «¿han pulsado algo?». Perdería muchísimo tiempo. En su lugar, el teclado avisa con una señal de petición de interrupción (IRQ) por el bus de control. Entonces la CPU:

1. termina la instrucción que estaba ejecutando;
2. guarda el contexto: el valor del CP y de los registros, para poder volver;
3. ejecuta la rutina de servicio de ese periférico (por ejemplo, leer la tecla pulsada);
4. restaura el contexto y sigue con el programa donde lo había dejado.

Si varios periféricos piden atención a la vez, hay que decidir prioridades. Puede hacerse en cadena (daisy chain), donde tiene más prioridad el que está más cerca de la CPU, o con un controlador de interrupciones que recibe todas las peticiones y decide el orden.

2.8 Del hardware al software: niveles de un ordenador

Un ordenador se puede ver como una cebolla: cada capa se apoya en la de debajo y oculta sus detalles a la de arriba.

El lenguaje máquina es la frontera entre hardware y software: es lo último que «entiende» el procesador. Todo programa, esté escrito en el lenguaje que esté, acaba traducido a esas instrucciones.

Resumen

• Los ordenadores son digitales: trabajan con bits (0 y 1). Con n bits hay 2ⁿ combinaciones.
• El hexadecimal abrevia el binario: cada cifra son 4 bits. Hay unidades en base 1000 (kB, MB, GB) y en base 1024 (KiB, MiB, GiB).
• Las puertas lógicas (NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR) se combinan para formar sumadores, registros y, al final, la CPU.
• Bloques funcionales: CPU (UC, UAL y registros), memoria principal, unidad de E/S y buses.
• Von Neumann: programa almacenado en una memoria común, acceso por dirección y ejecución secuencial. Harvard: memorias separadas para instrucciones y datos.
• Buses: datos (bidireccional), direcciones (n líneas → 2ⁿ direcciones) y control (órdenes y avisos).
• Ciclo de instrucción: búsqueda → decodificación → ejecución → (interrupción). Registros clave: CP, RI, RD, RM y AC.

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