El ordenador por dentro: Von Neumann, componentes, memorias y arranque

En pocas palabras

• Un ordenador guarda datos e instrucciones en la misma memoria: es la arquitectura de Von Neumann.
• La CPU (unidad central de procesamiento) tiene una unidad de control, que decide qué toca hacer, y una ALU (unidad aritmético-lógica), que hace las cuentas.
• Cada instrucción pasa por cuatro fases: búsqueda, decodificación, ejecución y almacenamiento.
• La RAM se borra al apagar; la ROM y la memoria flash, no.
• Al encender, el firmware (BIOS o UEFI) hace el POST, busca el disco de arranque y carga el sistema operativo.

La arquitectura de Von Neumann

En 1945, el ENIAC ocupaba una sala entera y, para cambiar de programa, había que recablearlo a mano. Ese mismo año, John von Neumann propuso guardar el programa en la memoria, igual que los datos. Esa idea, el «programa almacenado», es la base de casi todos los ordenadores, móviles y servidores de hoy.

Piensa en una cocina: la receta (el programa) y los ingredientes (los datos) están en la misma despensa (la memoria). El cocinero (la CPU) va a la despensa, lee un paso, coge lo que necesita y cocina. El pasillo entre la despensa y los fogones es el bus.

El ciclo de cada instrucción

1. Búsqueda: la CPU trae la siguiente instrucción de la memoria.
2. Decodificación: la unidad de control entiende qué pide.
3. Ejecución: se hace (un cálculo, mover un dato, hablar con un periférico).
4. Almacenamiento: el resultado se guarda en memoria o sale por un dispositivo.

Truco para recordarlo: «Busco, Descifro, Ejecuto, Guardo».

Trampa de examen: te pondrán el ciclo desordenado. El orden es siempre búsqueda → decodificación → ejecución → almacenamiento.

Ventajas y problemas

• Ventajas: simplicidad (diseño sencillo), flexibilidad (cambiar de programa es cargar otro) y economía (una sola memoria abarata el hardware).
• Cuello de botella de Von Neumann: CPU y memoria comparten el mismo camino, y la CPU, rapidísima, se queda esperando a los datos.
• Riesgo de corrupción: un programa con errores puede pisar sus propias instrucciones.
• Cómo se alivia hoy: con memoria caché (una despensa pequeña junto a los fogones) y con varios núcleos trabajando a la vez.

Trampa de examen: la arquitectura que guarda datos e instrucciones en memorias separadas es la Harvard. Von Neumann = misma memoria.

Los componentes y cómo se conectan

La placa base

Es la placa grande a la que se conecta todo. Su formato decide el tamaño de la caja:

En la placa están el zócalo del procesador (solo admite procesadores compatibles), las ranuras de RAM (DIMM en sobremesa y SO-DIMM en portátiles; DDR4 y DDR5 no son intercambiables), el chipset (el controlador de tráfico entre CPU, memoria y periféricos), las ranuras PCI Express (tarjeta gráfica, de red o de sonido), los conectores SATA y M.2 para discos, los puertos traseros y el chip del firmware.

El procesador por dentro

• Juego de instrucciones: el «idioma» que entiende. Hoy dominan x86-64 (Intel y AMD) y ARM (móviles y cada vez más portátiles, porque gasta menos).
• Registros: memorias minúsculas y ultrarrápidas dentro de la CPU.
• Contador de programa: guarda la dirección de la siguiente instrucción. Es el marcapáginas de la receta.
• Interrupciones: avisos que obligan a la CPU a atender algo urgente, como una tecla pulsada o un paquete que llega por la red.

Trampa de examen: el contador de programa no cuenta programas ni instrucciones hechas: apunta a la próxima instrucción.

Las memorias

La palabra clave es volátil: la memoria que pierde su contenido al apagar.

Truco: EPROM = «E de Exponer a la luz»; EEPROM = «E de Eléctrica».

La jerarquía de memoria es una pirámide: arriba, poco espacio, muy rápido y caro (registros, caché); abajo, mucho espacio, lento y barato (RAM, SSD, disco duro). Si leer un registro fuera coger el boli de la mesa, ir al disco duro sería ir andando a otra ciudad.

Trampa de examen: la ROM no es volátil. Clasifica siempre por «se borra o no se borra al apagar».

Discos y almacenamiento

Trampa de examen: M.2 es la forma del conector; NVMe es el «idioma» rápido. Hay discos M.2 que van por SATA y son más lentos.

La regla del eslabón más lento: el conjunto va a la velocidad de la pieza más lenta. Un SSD NVMe dentro de una carcasa USB 2.0 irá a velocidad de USB 2.0. Cuando dos piezas no encajan se usa un adaptador de red, de vídeo o de almacenamiento.

La puesta en marcha del equipo

1. La fuente de alimentación da las tensiones que necesita el equipo.
2. Arranca el firmware: antes la BIOS (sistema básico de entrada y salida) y hoy la UEFI, su sucesora (con ratón, arranque seguro y discos de más de 2 TB con particiones GPT).
3. POST (autoprueba de encendido): comprueba CPU, RAM, gráfica y teclado. Si algo falla, avisa con pitidos o luces; cada fabricante tiene su código.
4. Busca un disco de arranque según el orden de arranque.
5. Carga el gestor de arranque (Windows Boot Manager o GRUB), que carga el sistema operativo.

Para comprobar que todo va bien: cables de 24 y 8 pines bien puestos y RAM encajada hasta el clic; que la UEFI reconozca la CPU, toda la RAM y los discos; y, ya dentro, temperaturas y uso con el Administrador de tareas, el Monitor de actividad, top o htop, más la salud del disco (datos SMART).

Trampa de examen: el POST lo hace el firmware, no el sistema operativo. Ocurre antes de que Windows o Linux empiecen a cargar.

Los periféricos

Un periférico es cualquier aparato que se conecta al ordenador para meter, sacar o guardar información.

• De entrada: teclado, ratón, escáner, micrófono, webcam.
• De salida: monitor, impresora, altavoces, proyector.
• Mixtos: pantalla táctil, impresora multifunción, cascos con micrófono.
• De almacenamiento: disco externo, pendrive, tarjeta SD.
• De comunicación: tarjeta de red, adaptador Wi-Fi o Bluetooth, módem.

Para instalarlo: se conecta, el sistema pone el controlador (driver) gracias al Plug and Play o se descarga de la web del fabricante, y se configura y comprueba en el Administrador de dispositivos (un triángulo amarillo indica que falta el controlador) o con lsusb y lspci en Linux.