La tarjeta gráfica

La tarjeta gráfica es una parte fundamental del sistema de video del ordenador. Sin ella, el ordenador no podría presentarnos por pantalla ningún tipo de información. Pero veamos en detalle ¿qué es una tarjeta gráfica y para que sirve?

¿Qué es una tarjeta gráfica?

La tarjeta gráfica es una placa impresa que incluye todos los componentes electrónicos que se ocupan de procesar la información gráfica para presentarla por pantalla. Esta tarjeta se conecta a la placa base a través de un bus de expansión, normalmente AGP o PCI-Express.

Tarjeta gráfica
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Funcionamiento del monitor

En este post voy a hablar del funcionamiento del monitor del PC. Sus principales características y el funcionamiento de las distintas tecnologías. Desde los monitores de tubos de rayos catódicos, totalmente obsoletos hoy en día, hasta los distintos tipos de pantallas táctiles. De esta forma, además de conocer el funcionamiento de estas tecnologías, entenderemos cual ha sido la evolución de las mismas.

Monitores CRT

Este tipo de monitor es analógico y hoy en día está totalmente obsoleto. Teníamos el monitor funcionando con señales analógicas, mientras que el resto del ordenador funcionaba con señales digitales. Y esto era básicamente posible porque en la tarjeta gráfica disponíamos de un conversor digital-analógico. Obviamente, este transformaba las señales digitales que la CPU enviaba al monitor, en las correspondientes señales analógicas que entendía el monitor. La conversión en sentido contrario no era necesaria ya que el monitor era un dispositivo exclusivamente de salida.

Aspecto

Este tipo de monitores basaban su funcionamiento en el tubo de rayos catódicos, un dispositivo capaz de lanzar electrones sobre la parte interior de la pantalla. Esta estaba recubierta de puntos de fósforo, que eran excitados cuando los electrones incidían sobre ellos, emitiendo luz.

Monitor CRT
Monitor CRT

Esto hacía que el monitor tuviera mucha profundidad para poder alojar el tubo de rayos catódicos. Como os podéis imaginar, estas pantallas pesaban bastante, ocupaban mucho espacio en la mesa de trabajo y era imposible colgarlas de la pared. Con la aparición de nuevas tecnologías que no empleaban el tubo de rayos catódicos, aparecieron las pantallas planas.

El tubo de rayos catódicos

Este elemento era el dispositivo clave del monitor CRT. En un extremo del tubo se colocaban varios cátodos, cada uno de los cuales emitía un haz de electrones, los cuales impactaban sobre los puntos de fósforo que se encontraban en el otro extremo del tubo, que resultaba ser el interior de la pantalla. Cada punto de fosforo impactado emitía luz, y de esta manera se iba componiendo la imagen punto a punto.

¿Y porque varios haces de electrones?, se empleaba uno para cada color fundamental: rojo, verde o azul. Los monitores en blanco y negro sólo tenían un haz.

El tubo disponía de unas placas horizontales y otras verticales, colocadas en la trayectoria del electrón. Controlando la carga de estas placas, se controlaba la trayectoria del electrón, consiguiendo que impactara con el punto de fósforo que nos interesara.

Tubo de rayos catódicos
Tubo de rayos catódicos

Funcionamiento del monitor CRT

Después de explicar lo que es un tubo de rayos catódicos, podemos entender como funcionaban los monitores que los empleaban.

Para poder extraer el electrón del cátodo, trabajaban con voltajes muy altos que resultaban mortales. Por lo que estos monitores había que manipularlos de manera adecuada, por técnicos especializados.

El tubo estaba recubierto en su interior por una capa de grafito que cerraba el circuito y devolvía el electrón del haz al cátodo.

Los circuitos de control, compuestas por las placas con unos electroimanes, enfocaban y desplazaban el haz de electrones, que recorría la pantalla e incidía en los puntos de fosforo que nos interesará, que emitían luz y componían la imagen punto a punto.

El ordenador, generaba las señales digitales que eran traducidas a sus correspondientes señales analógicas, y que controlaban los circuitos de control. Lo que hacia era ir recorriendo línea a línea la pantalla, excitando los puntos de fósforo que correspondiera, para generar la imagen.

625 líneas de la pantalla CRT
625 líneas de la pantalla CRT

Los más viejos del lugar quizás recuerden un programa de TV llamado 365 líneas, que recibía su nombre del número de líneas que había que recorrer para generar una imagen. Cada línea tenía sus puntos de fósforo, llamados pixeles.

Cada barrido de pantalla completa generaba una imagen, que puede ser asimilada al fotograma de la película de cine. Para generar la sensación de movimiento, igual que en el cine, se presentaban varias imágenes por segundo. Es decir, se realizaban varios barridos de pantalla.

En el caso del monitor CRT a color, se disponía de 3 haces de electrones, uno para cada color básico: rojo, verde y azul. Y por otro lado, en cada pixel teníamos realmente tres puntos de fósforo, cada uno emitía luz en uno de los colores básicos al ser impactado por un electrón del haz correspondiente. Controlando la intensidad de cada haz impactando en cada punto de fósforo, se conseguía el color deseado.

Monitores LCD

En la década de los 70s aparecieron a la venta los primeros monitores LCD (acrónimo del inglés liquid cristal display) que rápidamente fueron sustituyendo a los monitores CRT.

Estos dispositivos deben su nombre al elemento fundamental que permite su funcionamiento, el cristal líquido. Se trata de una materia que permite o no pasar la luz, según su polarización. Es decir, aplicando una determinada corriente eléctrica podemos controlar el nivel de transparencia de esta sustancia, en un rango desde total transparencia a total opacidad.

Supongo que con lo descrito hasta ahora, podemos adivinar el principio de funcionamiento de estos monitores. Básicamente coloco al fondo una fuente de luz, delante de esta una capa de cristal líquido, y voy polarizando el cristal líquido para dejar pasar o no la luz y de esta forma construir la imagen.

Aspecto

Los monitores LCD no tenían la profundidad ni el peso de los monitores CRT. Empezábamos a hablar de las pantallas planas, que ocupaban menos espacio en la mesa de trabajo y era posible colgarlas de la pared.

Monitor LCD
Monitor LCD

Pero lo que sin duda supuso la ventaja definitiva de estos dispositivos, era que podían ser integradas en nuevos dispositivos como portátiles o teléfonos móviles.

Además, estos monitores consumen menos energía y son más confortable para la vista.

Funcionamiento

Ya he comentado antes el principio de funcionamiento de estos monitores, basado en el aprovechamiento de las propiedades del cristal líquido. Pero para entender bien su funcionamiento, permitidme que introduzca los principales componentes de los monitores LCD:

  1. Fuente de luz: como su nombre indica proporciona la luz y normalmente es un fluorescente frío o un LED.
  2. Los controles eléctricos: La circuiteria eléctrica que nos va a permitir controlar la polarización del cristal líquido. Sin entrar en detalle, lo que controlaremos será una malla de transistores ubicados en la pantalla, en los que se producirán los voltajes necesarios para controlar el comportamiento del cristal líquido.
  3. La pantalla: Donde tenemos el cristal líquido, los transistores y varias capas de filtros. Aquí os dejo el esquema de una sección de una pantalla de monitor LCD para que podáis apreciar todos estos detalles que comento:
Sección de monitor LCD
Sección de monitor LCD

Como puede apreciarse en la figura, tenemos unos electrodos que nos permiten controlar la polarización del cristal líquido, permitiendo o no pasar la luz. Y tenemos una serie de filtros en los tres colores básico, que nos permiten colorear la luz blanca de la fuente. Haciendo uso de estos dos componentes, podemos controlar la intensidad de luz y el color que queremos en un punto de la pantalla.

De todos modos, vamos a prestar un poco más detalle a como funciona el tema para un punto en concreto. Para ello me ayudaré de la siguiente imagen:

Funcionamiento del Cristal Líquido
Funcionamiento del Cristal Líquido

Lo primero de todo, la luz blanca atraviesa un filtro que la polariza. Es decir, tras ese filtro tenemos luz polarizada en una dirección, lo que se representa en la figura como un plano de luz. Luego la luz atraviesa el cristal líquido, donde las moléculas del mismo son capaces de orientar la luz. Esta característica del cristal líquido la controlamos aplicando campos magnéticos que inducen a que la sustancia “giré” o no la luz. Los campos magnéticos los controlamos mediante la aplicación de un voltaje. Finalmente tenemos otro filtro polarizado que dejara pasar la luz o no, según la dirección que le hayamos dado desviándola en el cristal líquido.

Pantalla LED

Antes de introducir las pantallas LED, tengo que indicar que no son monitores LCD. Si bien en ocasiones se confunden con aquellos monitores LCD que utilizan LEDs como fuente de luz.

Un LED (Light Emitting Diode) es un diodo semiconductor que en cuando es atravesado por una determinada corriente eléctrica, puede emitir luz.

En los monitores LCD, la fuente de luz era originariamente un halógeno, que en algunos casos ha sido sustituido por un conjunto de LEDs. El principio de funcionamiento de estos monitores sigue siendo el descrito para los monitores LCD, basados en el cristal líquido.

Las pantallas LED tienen un funcionamiento distinto, son los propios LEDs los que conforman el pixel de la imagen. Los circuitos de control excitan electrónicamente los LEDs y componen la imagen punto a punto.

Monitor LED
Monitor LED

Este tipo de pantallas se utilizan más para publicidad en grandes displays, visibles a distancia. Para pantallas de ordenador se utiliza más los monitores LCD con retroiluminación LED.

Pantallas táctiles

Las pantallas táctiles suponen un avance cualitativo en las tecnologías de monitores, principalmente porque convierten a este componente en un dispositivo mixto, de entrada y salida. En efecto, el monitor ya no solamente muestra los datos de salida del ordenador, sino que ahora permite que se introduzcan datos y ordenes mediante la pulsación de la pantalla.

Pero, ¿Cómo funciona la pantalla táctil que es sensible a la pulsación del usuario?. En lo referente a la parte de presentación de imágenes en la pantalla, no hay variación significativa sobre lo ya descrito en párrafos anteriores de este post. Es por ello, que me voy a centrar en explicar las distintas tecnologías que se ocupan de capturar la pulsación del usuario, que a la postre son las distintas tecnologías de pantallas táctiles.

Pantalla táctil de infrarrojos

Este tipo de pantallas construyen una malla de señales de infrarrojos por toda la superficie de la pantalla. El principio es sencillo, en uno de los costado vertical coloco una fila de emisores de infrarrojos. En el costado opuesto, tengo un sensor de infrarrojo enfrentado a cada emisor, que recibe la señal. Hago lo mismo para los bordes horizontales, colocando de forma enfrentada emisores y receptores de infrarrojos.

Cuando el usuario pulsa en un punto de la pantalla, esta se curva formando un pequeño hoyo en el punto de pulsación, que interrumpe la luz de varias señales de infrarrojos. Automáticamente, los correspondientes sensores de infrarrojos no recibirán señal. Y el sistema será capaz de localizar el punto de pulsación en la pantalla, a partir de la posición de los sensores que han dejado de recibir la señal.

Creo que la siguiente imagen ayuda a apreciar este funcionamiento:

Pantalla táctil infrarrojos
Pantalla táctil infrarrojos

Este tipo de pantallas tiene la ventaja que se pueden tocar con cualquier tipo de objeto que haga la suficiente presión sobre la pantalla. Por ejemplo, podemos usarla con guantes. Además, pueden ser multitouch, es decir, admitir varias pulsaciones simultaneas.

Pantalla táctil resistiva

En el caso de la pantalla táctil resistiva, tenemos dos capas transparentes que son conductoras. Colocadas una frente a la otra, ubicadas directamente sobre la pantalla. Ambas capas están muy próximas y la capa inferior tiene una malla de electrodos.

Cuando se produce una pulsación sobre la pantalla, la capa superior se curva contactando con la inferior, realizándose una conexión eléctrica. Lógicamente, en el punto de contacto, detectaremos un cambio de la resistencia de la malla de electrodos.

La disposición de los electrodos es en ambas direcciones, horizontal y vertical. A partir de la variación de la resistencia en dichos electrodos, podemos determinar las coordenadas horizontal y vertical de la pulsación.

La imagen siguiente ayuda a entender el funcionamiento de este tipo de pantallas táctiles:

Pantalla táctil resistiva
Pantalla táctil resistiva

Este tipo de pantalla son bastante baratas y resistentes. El problema es que pierden brillo rápidamente y son más gruesas que las otras.

Pantalla táctil capacitiva

La pantalla capacitiva basa su funcionamiento en la capacidad del ser humano de conducir electricidad.

En realidad, lo que se hace es convertir la pantalla en un condensador. Para ello, recubrimos el panel de vidrio de la pantalla con un conductor que tiene que ser transparente. Esta podría ser considerada una de las placas del condensador, la otra es una malla de conductores enfrentada a la primera. Cuando un usuario pulsa la pantalla, se genera un campo electrostático en torno al punto de pulsación, que es captado por el dispositivo.

Pantalla táctil capacitiva
Pantalla táctil capacitiva

Este tipo de pantallas tienen una calidad muy alta y son multitouch, pero son bastante más caras y no pueden ser usadas con punteros normales.

NOTA:

Este post es parte de la colección “Arquitectura de Ordenadores”. Puedes ver el índice de esta colección aquí.

El sistema de video

El sistema de video del ordenador sirve para mostrar información en la pantalla, qué es el principal dispositivo de salida.

Mi intención es dar una introducción básica de las partes que lo componen, para en posteriores posts, explicar en detalle el funcionamiento de las mismas. Pero antes de entrar en detalle, conviene dar una visión general de los componentes del sistema y su funcionamiento.

Componentes del sistema de video

 El sistema de video está compuesto por tres partes:

·        La pantalla: Todos sabemos lo que es la pantalla. Es el dispositivo de salida de video propiamente dicho.

La pantalla del ordenador
La pantalla
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El ratón del ordenador

El ratón del ordenador es un dispositivo de entrada que nos permite manejar el entorno gráfico que vemos en la pantalla. Básicamente disponemos de un cursor que podemos mover por la pantalla interactuando con los objetos que en esta se presentan, pudiendo seleccionarlos, arrastrarlos y arrojarlos, así como acceder a los menús contextuales del objeto seleccionado, donde podremos seleccionar la acción que queremos realizar con dicho objeto.

Ratón del ordenador
El ratón del ordenador
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El teclado

El teclado es el dispositivo de entrada básico del ordenador, que nos permite introducir texto para comunicarnos con las distintas aplicaciones. Está formado por un conjunto de teclas distribuidas estratégicamente sobre puntos de conexiones de circuitos impresos, de tal forma que cada vez que pulsamos o liberamos una tecla, se cierra o abre una conexión, modificándose las corrientes que circulan por dichos circuitos. Estas modificaciones nos van a permitir identificar la tecla pulsada o liberada, para así poder transmitir esta información al ordenador.

El teclado del ordenador
El teclado del ordenador
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El disco duro

En el post en el que hablaba del almacenamiento secundario, sus tecnologías y soportes, mencionaba el disco duro como soporte más habitual para almacenar los datos, pero dejaba el tema para tratarlo en otro post y así poder hacerlo con la profundidad que requiere. Pues bien, este es el post en el que te hablo del disco duro, qué es y cómo funciona.

¿Qué es el disco duro?

El disco duro de un ordenador o HDD (Hard Disk Drive) en inglés, es el dispositivo más habitual para almacenar datos de manera persistente. Recordemos que el almacenamiento de datos en el ordenador podíamos clasificarlo en el sistema primario y el secundario. En el primario, representado fundamentalmente por la RAM, guardábamos los datos de manera temporal mientras el ordenador estuviera alimentado con corriente eléctrica, pero estos datos se perdían al apagar el ordenador. En el secundario, guardábamos los datos de manera persistente, es decir, no se perdían al apagar el ordenador.

Disco duro
Disco duro
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El almacenamiento secundario

Si la memoria primaria de un ordenador es la RAM, podemos decir que el almacenamiento secundario lo constituyen el resto de dispositivos que empleamos para almacenar datos. Fundamentalmente los discos duros, pero también los CDs, DVDs, unidades de cinta, etc.

Además, este almacenamiento secundario es no volátil, al contrario que la RAM, es decir, no se pierde la información almacenada al apagar el ordenador. Empleábamos la RAM como memoria primaria porque es mucho más rápida, y empleamos también el almacenamiento secundario porque es más barato y no tiene el inconveniente de la volatilidad. Conviene tener un adecuado equilibrio entre ambas, en función del principal uso que queramos dar a nuestro ordenador.

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La BIOS

La BIOS (basic input/output system) es un chip de memoria que contiene los programas básicos necesarios para el arranque del ordenador, antes incluso de la carga del Sistema Operativo. Con este término podemos referirnos tanto al chip como a los programas almacenados en el mismo.

Antiguamente el chip de la BIOS era una memoria ROM o EPROM, con lo que venía ya cargada de fábrica sin posibilidades de actualización por parte del usuario. Actualmente este tipo de chip son memorias Flash, denominadas Flash ROM, que admiten actualizaciones, aunque conviene tener una buena razón para actualizarla. Un error en una actualización de la BIOS te puede dejar el ordenador inservible, sin llegar siquiera a arrancar.

El chip lo podemos localizarlo en la placa base:

El chip de la BIOS
El chip de la BIOS
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La memoria RAM

La memoria RAM (Random Access Memory) de un ordenador, es una memoria de alta velocidad que el ordenador emplea para guarda los programas y los datos con los que está trabajando. También conocida como la RAM del Sistema, ya que es la memoria principal de este.

La memoria RAM
La memoria RAM

Estas memorias son más caras y tienen menor capacidad que los discos duros, pero son muchos más rápidas. Si trabajáramos directamente con el Disco duro, leyendo y escribiendo la información durante la ejecución de un programa, el tiempo de acceso a los datos aumentaría considerablemente y todo el sistema se vería ralentizado. Es por este motivo que la RAM del Sistema es crítica y determina en gran medida el rendimiento de un equipo.

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La memoria del ordenador

Las instrucciones que ejecuta la CPU necesitan datos y pueden devolver resultados que también son datos. La memoria del ordenador son los componentes donde poder almacenar esos datos y recuperarlos cuando los necesite la CPU para ejecutar las instrucciones.

Cuando hablamos de la memoria del ordenador nos referimos a una serie de componentes, circuitos integrados de semiconductores. El más conocido de todos, es la RAM del sistema, un tipo de memoria muy rápida pero volátil. Es decir, que pierden los datos almacenados cuando se interrumpe la alimentación eléctrica. Sin embargo, tenemos otro tipo de memorias en el ordenador como la Cache o la BIOS que conviene conocer. A todas ellas dedicaré otros posts, en este me voy a centrar en explicar la estructura y funcionamiento de este tipo de memorias.

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