ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE ACTIVO DE LA ARQUITECTURA

ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE ACTIVO DE LA ARQUITECTURA

ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE ACTIVO DE LA ARQUITECTURA DE UN
COMPUTADOR PERSONAL
Fernando ROJAS1, Jesús GONZÁLEZ1, Héctor POMARES1, Luis Javier HERRERA1, Olga
VALENZUELA2, Alberto GUILLÉN1, Ignacio ROJAS1
Dpto. de Arquitectura y Tecnología de Computadores, Universidad de Granada1,
Dpto. de Matemática Aplicada, Universidad de Granada2
Resumen
En esta contribución se propone una metodología interactiva con el alumno para el
diseño, montaje y análisis de un Computador Personal (PC). A pesar de que los
fundamentos teóricos de
la arquitectura de un computador se han tratado
comúnmente en las asignaturas troncales de Ingeniería Informática y de
Telecomunicaciones, se observa que frecuentemente los estudiantes no llegan a
asociar dicha arquitectura con los componentes de los computadores con los que ellos
trabajan a diario. A través de este aprendizaje práctico (que el Espacio Europeo de
Educación Superior promueve activamente), tratamos de que el alumno descubra
cómo el modelo tradicional de un computador (Arquitectura Von Neumann), se sigue
adaptando a un PC convencional de sobremesa. Esta sesión de prácticas está
orientada a asignaturas introductorias de Estructura y Arquitectura de Computadores
en Informática, Telecomunicaciones, Ingeniería Electrónica, etc.
Palabras Clave:
Informática, Aprendizaje Activo, Estructura de Computadores,
Arquitectura de Computadores, Tecnologías de la Información y de la Comunicación.
1.
Introducción
Un computador está compuesto de los elementos hardware y software necesarios para hacer
posible su funcionamiento. De manera habitual, en las asignaturas introductorias a la informática y
a la arquitectura de computadores se trata la aritmética de los computadores, lógica y diseño
digital, estructura de la CPU (unidad central de procesamiento), programación en lenguaje
ensamblador y funcionamiento básico de un sistema operativo [1], [2], [3].
El término “arquitectura Von Neumann” [4] se emplea en referencia al modelo de computador
propuesto por el matemático John Von Neumann en 1945. En dicho modelo, se distinguen cinco
componentes principales: unidad aritmético-lógica (ALU), unidad de control, memoria, entradas y
salidas (Figura 1).
En el ámbito del Espacio Europeo de Educación Superior, el aprendizaje práctico adquiere mayor
importancia aún. Por tanto, será de gran interés para los nuevos planes de estudio de asignaturas
relacionadas con la Arquitectura de Computadores proporcionar un ejemplo real de en qué
consiste y cómo funciona un computador basado en la arquitectura Von Neumann [5].
Fig. 1 Arquitectura Von Neumann.
2.
Metodología de la sesión práctica
En la sesión práctica se detallarán los componentes reales de un computador personal real de la
forma más descriptiva posible: ensamblando nosotros mismos los elementos del PC. En el caso
de un número de alumnos superior a unos 15 estudiantes, el montaje del PC se llevará a cabo por
el profesor, si bien la opinión y ayuda de los alumnos debe ser tenida en cuenta continuamente.
La sesión práctica debe durar unas dos horas. La planificación de la sesión se divide en los
siguientes bloques:
1. Mostrar las diferentes partes del PC tal como se suministrarían por el fabricante.
2. Informar sobre las normas de seguridad al manipular dispositivos eléctricos y electrónicos.
3. Comenzar el ensamblaje del PC, invitando a los estudiantes a participar, proporcionando
soluciones, opiniones, alternativas, etc.
4. Una vez finalizado el montaje del PC, comprobar su correcto funcionamiento.
5. Presentar las tareas a realizar por el alumno:
a. Realizar un presupuesto alternativo de PC componente a componente a través de
comercios electrónicos y comparar su propuesta con el PC empleado en la sesión
de prácticas.
b. Ejecutar aplicaciones de banco de pruebas (benchmarks) sobre el PC analizado,
comparando y analizando críticamente los resultados con computadores actuales
en cada uno de los aspectos críticos en el rendimiento del computador (velocidad
de procesamiento, test de memoria, acceso a dispositivos de entrada (salida, etc.).
3.
Desarrollo de la sesión práctica: ensamblaje del PC.
Es posible utilizar cualquier computador para la sesión de montaje (excepto ordenadores
portátiles). Se recomienda adquirir una carcasa de metacrilato transparente para favorecer la
visibilidad de los componentes una vez ensamblados.
3.1
Características del computador empleado
En el caso concreto del computador disponible para el montaje en departamento de Arquitectura y
Tecnología de Computadores de la Universidad de Granada, las características de éste son las
siguientes:
- CPU Intel PIV Prescott 3 GHz Inbox
- Placa base: Asus P4S800 (Tarjeta Ethernet integrada + tarjeta de sonido).
- Fuente de alimentación: 350W.
- Tarjeta gráfica: ATI Radeon 9250 128MB
- Memoria Principal: DIMM DDR 512MB PC400
- Disco Duro: Maxtor Diamond Max 9 Plus 120GB ATA.
- Lector y grabador DVD: LG 4163.
- Teclado y ratón.
- Pantalla: TFT 17" AOC
- Carcasa de metacrilato transparente. Aunque es algo más cara y menos duradera que una
carcasa metálica tradicional, ésta facilita la visibilidad por parte de los estudiantes, haciendo que el
aspecto final del computador sea más instructivo (ver Figura 2).
Fig. 2 Computador para la sesión práctica.
3.2
Normas de seguridad
Antes de comenzar con el ensamblado del PC, es importante que los estudiantes sean
conscientes de las normas básicas de seguridad al tratar con elementos eléctricos y electrónicos
[6]:
3.3
•
Asegurarse de que todos los dispositivos estén completamente desenchufados de
cualquier fuente de alimentación.
•
Antes de tocar cualquier tarjeta o la placa base, el individuo debe descargar su electricidad
estática. Dicha energía puede dañar algunos componentes delicados (tales como
memorias, circuitos, etc.). Para descargar su electricidad estática, basta con estar en
contacto con algún elemento conductor que actúe como tierra o masa, a través de una
pulsera conductora o por contacto directo.
•
Emplear un lugar cómodo para el ensamblaje: debe disponer de suficiente iluminación y
espacio, así como de las herramientas adecuadas (destornillador con punta magnética
americana y pinzas de precisión).
Desembalaje del computador
Evidentemente, la primera parte del proceso debe ser desembalar los componentes que formarán
el PC. Los estudiantes deben prestar atención para guardar los manuales y las garantías de los
productos.
3.4
Montaje de la placa base
La placa base (motherboard) se distingue bajo varios nombres en computación: placa base, placa
principal, placa madre, mainboard. En ella se insertan (entre otros): el procesador, los módulos de
memoria, las tarjetas de control y expansión y los buses de comunicación de las distintas
unidades.
En este punto, es importante mostrar a los estudiantes el esquema general de una placa base,
identificando cada una de las ranuras (“slots”) de inserción de los componentes más
representativos y chips integrados. Este esquema se encuentra normalmente en la documentación
de la placa base.
Fig. 3 Placa base ASUS P4S800 (imagen real y esquema). Fuente: http://www.asus.com
La instalación de la placa base consiste en fijarla a la carcasa a través de los puntos de atornillado
de la placa. Después, fijándose en el esquema de la placa (Figura 3) se realizan las conexiones
de los cables de encendido, LEDs, altavoz interno, luces, puertos USB,…
3.5
Montaje del procesador (CPU)
El procesador es el elemento central de un computador, puesto que es el dispositivo que
interpreta las instrucciones máquina. En este caso específico, se emplea un Intel Pentium 4
Prescott 3E GHz. En cualquier caso, la mayoría de los procesadores se instalan de una manera
similar.
Para instalar el procesador en la placa base procedemos de la siguiente forma:
1. Localizar el zócalo de 478 pines en que se debe insertar en la placa base.
2. Desbloquearlo levantando la palanca en el lateral.
3. Colocar la CPU sobre el zócalo de forma que la esquina marcada coincida con la base de
la palanca del zócalo (Figura 4).
Fig. 4 Procesador antes de ser insertado en el zócalo de la placa base.
4. Empujar hacia abajo la palanca para fijar la CPU.
5. Fijar el disipador a la placa base. Se suele usar cola térmica para favorecer la disipación
de calor (Figura 5, izquierda).
6. Conectar el cable de alimentación del disipador a la placa base (Figura 5, derecha)...
Fig. 5. Montaje del disipador de la CPU.
3.6
Montaje de la fuente de alimentación
La fuente de alimentación es de potencia justa (350W) para los periféricos y ventiladores
instalados. Ésta provee alimentación a la placa base (2 conectores de 20 pines y 4 pines, 12V), a
las unidades de disco duro y CD (12V) y disqueteras (5V).
La instalación consiste en atornillar la fuente a la carcasa y fijar las conexiones a la placa base y
unidades.
Fig. 6 Fuente de alimentación.
En este punto, los estudiantes deben reflexionar sobre la potencia necesaria para el correcto
funcionamiento del computador, en función del número y requerimientos de potencia de cada
dispositivo.
3.7
Montaje de la tarjeta gráfica
Algunas placas base proporcionan una tarjeta gráfica integrada. Si este no es el caso, o si se
prefiere disponer de una tarjeta independiente con mejores prestaciones, se debe instalar a través
del bus correspondiente (AGP, Accelerated Graphics Port; PCI- Express o cualquier estándar
futuro).
Los alumnos deben intervenir para explicar cuáles son las necesidades prácticas de este
computador. Por ejemplo, si el PC se pretende emplear para tareas de programación, no es
necesario disponer de una potente tarjeta gráfica, pero si se desea utilizar para CAD (Diseño
Asistido por Computador) o juegos, entonces es preciso que la tarjeta gráfica presente buenas
prestaciones.
Fig. 7 Tarjeta gráfica AGP ATI Radeon 9250 128 MB. Fuente: http://www.amd.com/
3.8
Montaje de los módulos de memoria
En este caso, el módulo de memoria es del tipo DIMM (Dual In-line Memory Module). Las
memorias DIMM (Dual In-line Memory Module) son de 168 contactos. DDR (Double Data Rate) Es
un tipo de memoria síncrona RAM (SDRAM), que permite la transmisión de datos por dos canales
distintos en un mismo ciclo de reloj [7].
Se deben mostrar a los alumnos y comparar los diferentes tipos de memorias volátiles SDRAM
(SIMM, DIMM), RDRAM (RIMM)… La instalación del módulo es sencilla, aunque los estudiantes
deben asegurarse de que el módulo esté completamente instalado en la ranura.
Fig. 8 Ensamblaje del módulo de memoria DIMM de 512MB.
3.9
Montaje de los dispositivos de almacenamiento masivo.
El disco duro y otros dispositivos ópticos (si son IDE o S-ATA) tienen un montaje similar.
Instalación:
1. Seleccionamos la ranura de la carcasa en la que lo vamos a fijar
2. Lo atornillamos (4 tornillos, 2 por lateral) a la carcasa.
3. Conectamos el cable de alimentación que proviene de la fuente (12V) al disco.
4. Conectamos el disco al conector IDE correspondiente.
Fig. 9 Montaje de los conectores IDE de un disco duro.
3.10
Finalización del montaje: atornillado de la caja, monitor, teclado y ratón.
Finalmente, tras instalar los componentes internos, se cierra y atornilla la caja. Se conectan los
dispositivos externos: monitor TFT (conexión VGA al PC y alimentación a la corriente eléctrica),
teclado (puerto PS2) y ratón (puerto USB o PS2).
3.11
Encendido y comprobación del funcionamiento del computador.
Una vez finalizado el montaje del computador, se procede a conectarlo a la corriente eléctrica y se
pulsa el botón de encendido. En este punto, si no se había instalado previamente un sistema
operativo en el disco duro, se debe instalar uno. Por razones de limitación de tiempo, esta sección
no se lleva a cabo en esta sesión práctica. No obstante, se podría organizar otra sesión para la
instalación de un sistema operativo, tratando de concienciar a los alumnos de las ventajas de
utilizar software libre, y la ejecución de programas para la evaluación de la configuración del
computador.
4.
Tareas y evaluación
A través de la evaluación por parte del profesorado y de la opinión de los propios alumnos por
medio de las encuestas oficiales de opinión y del uso del foro electrónico de las asignaturas, se
observa un alto grado de satisfacción y participación en esta práctica.
Las tareas que el alumno debe realizar y el profesor evaluar son:
1. Involucrarse en el montaje y configuración del computador.
2. Utilizar los recursos electrónicos para encontrar una alternativa al computador
montado en prácticas con un presupuesto ajustado. Obviamente, si el computador
de la sesión práctica es antiguo, la alternativa del alumno debe aventajar en todos
los aspectos al primero.
3. Realizar evaluaciones con software del rendimiento de un computador (del propio
del alumno y del empleado en la sesión de prácticas)
En general, algunas de las cuestiones que el alumno se debe plantear y responder son las
siguientes:
5.
•
¿Cuáles son los aspectos y componentes fundamentales que influyen en el rendimiento de
un computador?
•
¿Cuánto cuesta el computador propuesto componente a componente?
•
¿Cuáles son los puntos fuertes del computador propuesto?
•
¿Cuál es la aplicación práctica principal (programación, ofimática, juegos,…) para la que
se ha diseñado el computador propuesto?
Conclusión
El objetivo principal de la lección práctica propuesta en esta contribución es la de proporcionar al
alumno de una visión realista de la arquitectura actual de un computador personal. Se pretende
que el alumno realice un proceso de aprendizaje activo a través de la participación interactiva en
el diseño y montaje de un PC, así como un análisis crítico de las características y eficiencia del
PC. Finalmente, como contraposición a los posibles carencias del computador ensamblado en la
sesión práctica, el alumno debe proponer un computador que podría ser obtenido a través de
alguno de los múltiples proveedores electrónicos que pueden encontrarse en Internet. Esta forma
de aprendizaje activo y práctico está en consonancia con las directrices marcadas para la
construcción del Espacio Europeo de Educación Superior.
6.
Referencias
[1]
PRIETO, A.; LLORIS, A.; TORRES, J.C. Introducción a la Informática, 4ª Ed., McGraw-Hill,
2006.
[2]
STALLINGS, W. Computer organization and architecture: designing for performance,
Ed., Pearson Education, 2003.
[3]
HAMACHER C., VRANESIC Z., ZAKY S. Computer Organization, 5ª Ed.,
Hill, 2003
[4]
ROJAS, R.; HASHAGEN, U. The First Computers: History and Architectures, MIT Press,
2000
[5]
CLEMENTS A., “Work in Progress, The Role of Hardware and Architecture in the New
Computer Sciences”, Session F3H. 37th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference.
[6]
MUELLER, S. Manual de actualización y reparación de PCs, Prentice Hall, 12ª
2001.
[7]
ROSCH, W.L. Hardware Bible (5th Edition). Ed. Que, 1999.
6th
McGraw-
Edición,