1 INTRODUCCIÓN Adquisición Representación
Tratamiento y Transmisión de la información Estas
operaciones se realizan automáticamente utilizando las
computadores. Informática
2 Informática (origen francés) INFORMATICA =
INFORmación + autoMÁTICA La Real Academia
Española de la lengua define: Informática.- el
conjunto de conocimientos científicos y técnicas
que hacen posible el tratamiento automático de la
información por medio de ordenadores.
3 Información: Conjunto de símbolos usados para
representar magnitudes, hechos, objetos o ideas Computadora: es
una máquina capaz de aceptar unos datos de entrada,
efectuar con ellos operaciones lógicas y
aritméticas, y proporcionar la información
resultante a través de un medio de salida; todo ello sin
intervención de un operador humano y bajo el control de un
programa de instrucciones previamente almacenado en el propio
computador
4 Datos… Conjuntos de símbolos utilizados para
expresar o representar un valor numérico, un hecho, un
objeto o una idea. Pueden ser captados directamente por el
computador: Detectando electrónicamente un sonido o
fonema, una temperatura, el entorno de una figura, o el paso de
un objeto Pueden ser dados en forma de letras y números
(grafismos). Los grafismos (caracteres) resultan muy
útiles, dada la gran variedad de informaciones que con
ellos se pueden representar Es una de las formas más
habituales de transmitir, comunicar o almacenar
información en la sociedad actual: el lenguaje escrito Los
mas usados son: caracteres numéricos (las diez cifras
decimales) los caracteres alfabéticos los caracteres
especiales (símbolos ortográficos,
aritméticos y otros)
5 Datos de Salida… Son las salidas de un programa como:
Los resultados de un cálculo matemático Los
resultados la búsqueda de un nombre Estos pueden
utilizarse como datos de un programa posterior La palabra dato se
utiliza como contraposición a instrucción El
computador actúa con dos tipos de informaciones:
Instrucciones: que indican a la máquina qué es lo
que tiene que hacer Datos: que son los elementos sobre los que
actúa o que genera el programa La disciplina de
Informática es el cuerpo de conocimiento que trata del
diseño, análisis, implementación,
eficiencia, y aplicación de procesos que transforman la
información.
6 Informática como ciencia y técnica Ciencia:
Estudio de la información y los métodos para
tratarla. Técnica: Estudio y diseño de los
ordenadores.
7 Estructura funcional de los computadores …Diagrama de
los primeros computadores es conceptualmente válido hoy
día. Antes, era fácil identificar a simple vista
cada una de las unidades. En la actualidad, y debido
principalmente al desarrollo de la microelectrónica,
varias unidades pueden estar en un mismo armario, en una misma
tarjeta de circuitos integrados, o incluso (como ocurre con los
microprocesadores) en un mismo circuito integrado.
8 Unidades funcionales… UNIDAD DE ENTRADA (E). Es el
dispositivo por donde se introducen los datos e instrucciones.
Transforman la información de entrada en señales
binarias de naturaleza eléctrica. Ejemplo: el teclado de
un microcomputador, el teclado de un terminal, un digitalizador,
una lectora de tarjetas de crédito, etc. UNIDAD DE SALIDA
(S). Es un dispositivo por donde se obtienen los resultados de
los programas ejecutados en el computador. Transforman las
señales eléctricas binarias en caracteres escritos
o visualizados. Ejemplo: una pantalla o monitor, una impresora o
un registrador gráfico. MEMORIA (M). Unidad donde se
almacenan tanto los datos como las instrucciones.
9 Tipos básicos de memoria: Memoria principal, o central,
o interna. Mayor velocidad Ligada directamente a las unidades
más rápidas del computador (UC y ALU) Para que un
programa se ejecute debe estar almacenado (cargado) en la memoria
principal La memoria está dividida en posiciones
(denominadas también palabras de memoria) de un
determinado número de bits. Para leer o escribir una
información es necesario dar la dirección de la
posición ROM: la memoria en la que sólo se puede
leer y la información es permanente RAM: se puede leer y
escribir y que es volátil. Memoria masiva auxiliar,
secundaria o externa. La memoria principal, aunque es muy
rápida pero no tiene gran capacidad para almacenar
información. Para guardar masivamente información
se utilizan otros tipos de memoria (discos, cintas y discos
ópticos) Más lentos (mil veces mas lentos)
Más capacidad que la memoria principal (mil veces
más capaces) Datos y programas se graban (a través
de unidades de E) en la memoria masiva La información
guardada es permanente
10
11 Cont… UNIDAD ARITMETICO-LOGICA o ALU (Arithmetic Logic
Unit) Contiene los circuitos electrónicos con los que se
hace las operaciones: Aritméticas Sumas Restas
Multiplicación, etc Lógicas comparar dos
números operaciones del Algebra de Boole binaria, etc.
También se puede denominar unidad de tratamiento o camino
o ruta de datos, pues también tiene elementos auxiliares
por donde se transmiten o almacenan temporalmente (registros) los
datos con que opera.
Cont… UNIDAD DE CONTROL (UC) Detecta señales de
estado procedentes de las distintas unidades, indicando su
situación o condición de funcionamiento. Capta de
la memoria una a una las instrucciones del programa, y, de
acuerdo con el código de operación de la
instrucción captada y con las señales de estado,
genera señales de control dirigidas a todas las unidades,
monitorizando las operaciones que implican la ejecución de
la instrucción. Reloj o generador de Pulsos Se encuentra
en la unidad de control, por medio de los pulsos sincroniza todas
las operaciones elementales del computador. El período de
esta señal se denomina tiempo de ciclo (nanosegundos y
varios microsegundos). La frecuencia del reloj (millones de
ciclos/segundo, o Megahercios, abreviadamente Mhz) Es un
parámetro que en parte determina la velocidad de
funcionamiento del computador.
13 Otros elementos… El computador es un sistema complejo
que está formado por distintas unidades, módulos o
dispositivos ensamblados adecuadamente uno con otro.
Periféricos: Conjunto de unidades de E/S y de memoria
masiva. Interfaces (o interfases): Adaptan las
características (niveles eléctricos, velocidad,
etc.) de dos módulos que se acoplan, para que la
conjunción de los dos funcione adecuadamente, o entre un
módulo y su entorno. Sirven de comunicación entre
los dos módulos El concepto de interfaz se aplica
también a los programas: Interfaz entre dos programas o
Interfaz de usuario Interfaz de usuario: conjunto de
instrucciones que hace que un programa o aplicación
intercambie información con el usuario del mismo
14 Parámetros para caracterización de Prestaciones
Capacidad de Almacenamiento: Posibilidades para almacenar datos e
instrucciones de una forma fija o permanente. Tiempo de Acceso:
de una unidad es el intervalo de tiempo que transcurre desde el
instante que se proporciona la dirección del
dato/Instrucción que se quiere Leer o Escribir (E/L, I/O)
y el instante en se obtiene o grava en el mismo. Ancho de banda:
Representa la cantidad de información transferida por
segundo entre una unidad y otra. Por ejemplo, el ancho de banda
entre la memoria y la CPU es de 133 MB/s, En un segundo se pueden
transferir 133 millones de bytes entre las unidades citadas.
Palabra: es una unidad superior a la byte, pues este es una
unidad de información relativamente pequeña para
los cálculos que realiza la ALU Está formada por un
número entero de bytes (1, 2, 4, 8 o 16) Representa a los
datos con los que opera la ALU o a las unidades de
información que se transfieren entre la memoria principal
y la CPU.
15 Longitud de palabra: número de bits (integrantes de
datos o instrucciones) que se transmiten simultáneamente
entre las unidades del computador central en un instante dado.
Coincide con el número de bits de la mayoría de los
datos e instrucciones con las que opera la CPU. En la
mayoría de computadores de longitud de palabra de 32 bits
el direccionamiento a memoria se efectúa por bytes, y es
posible acceder directamente a bytes (8 bits), medias palabras
(16 bits), y palabras (32 bits). Algunos incluso permiten acceder
a dobles palabras (64 bits). La longitud de palabra determina, en
cierta medida, la precisión de los cálculos, la
capacidad máxima de la memoria principal y la variedad de
instrucciones de la máquina. Registros. Elementos internos
a la CPU, para memorizar temporalmente la información
correspondiente a una palabra o a un byte. Ejemplo: cuando la ALU
realiza una suma, ésta se efectúa entre dos datos
que temporalmente la UC los almacena en dos registros, el
resultado de la operación, a su vez, debe almacenarse en
un registro (suele utilizarse uno de los dos sumandos).
Cont…
16 Factores importantes que determinan la potencia de un
computador Son: La longitud de palabra, El tiempo de ciclo, El
ancho de banda y La capacidad de memoria
17 Estructuras Básicas de Computadores Las unidades
funcionales de un computador se interconectan de acuerdo con una
determinada organización. La interconexión se
realiza mediante hilos conductores en paralelo que transmiten
simultáneamente información (una palabra de datos,
por ejemplo). Se consigue una velocidad razonable de
funcionamiento. BUS: Conjunto de cables que transmite
información en paralelo Son de tres tipos: sub-bus de
datos sub-bus de direcciones sub-bus de control
18 Cont… Sub-Bus de Datos Transporta los datos que se
transfieren entre las unidades. Su número de hilos
determina la longitud de palabra del computador. Si un computador
contiene un sub-bus de datos de 16 hilos para transmitir
simultáneamente datos de 16 bits, se dice que esta
organizado en palabras de 16 bits. Suele ser bidireccional;
transmite información hacia adentro o hacia afuera de una
unidad (la CPU, por ejemplo), en instantes diferentes. Sub-Bus de
Direcciones Transporta la dirección de posición de
memoria o del puerto periférico que interviene en el
tráfico de información (de donde procede el dato o
a donde se dirige). Sub-Bus de Control Contiene hilos que
transporta las señales de control y las señales de
estado, indicando la dirección de la transferencia de
datos, coordinando la temporización de eventos durante la
transferencia, transmitiendo las señales de
interrupción, etc.
19 Las formas más sencillas de interconexiones de unidades
son: a) Organización con un bus específico para
conexión CPU- Memoria Dispone de un bus específico
de interconexión CPU-Memoria. Todo el tráfico de
información entre periféricos y memoria,
necesariamente ha de hacerse a través de la CPU. (Gp:)
Memoria (Gp:) CPU (Gp:) Periférico 0 (Gp:)
Periférico 1 (Gp:) Bus del sistema a)
20 Cont… b) Organización con estructura de bus
único Esta configuración es más sencilla, y
utiliza un único bus. Todas las unidades se conectan a
él. Este bus se denomina bus del sistema. Como en un
instante dado sólo puede transmitirse una
información por el bus, solo una unidad (el procesador )
puede tener el control del bus del sistema. La ventaja principal
de esta estructura es su bajo coste y flexibilidad para conectar
periféricos. (Gp:) Bus del sistema b) (Gp:) Memoria (Gp:)
CPU (Gp:) Periférico 0 (Gp:) Periférico 1
21 Problema en el funcionamiento global del computador: Es el de
las diferentes velocidades operativas del mismo. La CPU es mucho
más rápida que la memoria principal (unas 10 veces)
La memoria es muchísimo más rápida que los
periféricos (unas 200.000 veces). En toda transferencia de
información entre dos unidades la unidad más lenta
impone la velocidad Por esto el rendimiento global del computador
sería muy bajo. Recordemos que en toda instrucción
máquina al menos hay una transferencia entre CPU y M. Esto
relentiza considerablemente la velocidad de la CPU.
Solución Se han ideado diversas técnicas: memoria
caché, controladores de E/S y controladores DMA
22 Memoria Oculta o Caché Es una pequeña memoria
rápida que se coloca entre la memoria principal y el
procesador, de forma tal que éste se comunica directamente
con ella y no con la memoria principal. Son mas caras Los
microprocesadores modernos suelen incluir en su propio chip parte
de la caché. Se caracteriza por guardar aquellos datos e
instrucciones que son usados con frecuencia por la CPU, en un
determinado proceso de datos. Datos comparativos entre CPU,
caché y memoria principal (los valores dados son
órdenes de magnitud)
23 Controlador (o canal o procesador) de entradas/salidas (o de
periféricos) Es un procesador especializado en controlar
las operaciones de transferencia de datos entre los
periféricos conectados a él, y entre éstos y
la CPU. Estas operaciones de control normalmente son
función de la CPU, por lo que los controladores de E/S
descargan trabajo a la CPU. Una vez finalizada la
operación encomendada por la CPU, envía a
ésta una señal de interrupción indicando que
está listo para realizar otra operación. Cada
controlador de entradas/salidas monitoriza la actuación de
distintos periféricos. Su conexión con el bus del
sistema suele denominarse canal de entrada/salida o sencillamente
canal.
24 Cont… a) Configuraciones con controladores de
entrada/salida de bus único Muestra una estructura con un
bus único que incluye memoria caché y controladores
de E/S. Es una estructura de bus único El inconveniente es
que una orden de transferencia de datos entre periféricos
de dos canales distintos puede interferir con, por ejemplo, la
captación de una instrucción de la memoria
principal por la CPU. (Gp:) CPU (Gp:) Caché (Gp:) Memoria
Principal (Gp:) Controlador de E/S (Gp:) Per.0n (Gp:) Per.01
(Gp:) Per.00 (Gp:) Controlador de E/S (Gp:) Per.1n (Gp:) Per.11
(Gp:) Per.10 (Gp:) Bus del sistema (Gp:) a)
25 Cont… b) Configuraciones con controladores de
entrada/salida con un bus específico de E/S Para evitar
este problema usualmente se utiliza una estructura con dos buses.
En el aparece un bus específico de E/S. (Gp:) b) (Gp:) CPU
(Gp:) Caché (Gp:) Memoria principal (Gp:) Adaptador bus
(Gp:) Per.10 (Gp:) Per.11 (Gp:) Per.1n (Gp:) Per.01 (Gp:) Per.0n
(Gp:) Per.00 (Gp:) Controlador de E/S (Gp:) Controlador de E/S
(Gp:) Bus del sistema (Gp:) Canal 0 (Gp:) Canal 1
26 Cont… Los controladores de E/S evitan que la CPU tenga
que adaptarse entre operaciones de E/S individuales a la
velocidad y ritmo que marca el periférico con el que se
hace la transferencia. La CPU sigue siendo responsable de todas
las operaciones individuales de E/S. Las operaciones de E/S que
realizan los usuarios, normalmente se hacen entre la M y un
periférico, y viceversa
27 Controladores DMA (Direct Memory Access = acceso directo a
memoria) Se han creado para descargar de este trabajo a la CPU.
Es un procesador especializado para transferir datos entre
memoria y un periférico (y viceversa). Mientras la CPU
puede realizar otras tareas. Es externo a la CPU y actúa,
combinadamente con la CPU, como controlador del bus. (Gp:) CPU
(Gp:) Caché (Gp:) Memoria principal (Gp:) DMA (Gp:) Per.10
(Gp:) Per.11 (Gp:) Per.1n (Gp:) Per.01 (Gp:) Per.0n (Gp:) Per.00
(Gp:) Controlador de E/S (Gp:) Controlador de E/S (Gp:) Bus del
sistema (Gp:) Canal 0 (Gp:) Canal 1
28 Cont… Cuando se hace una transferencia de un bloque de
información controlado por DMA, previamente la CPU
inicializa unos registros especializados del DMA en los que se
especifica: tamaño del bloque a transferir,
dirección inicial del bloque a leer en la unidad de
origen, dirección inicial donde se escribirá el
bloque en la unidad de destino y sentido de la transferencia Una
vez inicializado el DMA, la CPU cede el control del bus al DMA,
encargándose éste de controlar toda la
transferencia de información. Mientras la CPU puede
realizar otras tareas. Una vez finalizado el trasvase del bloque,
el DMA envía a través del sub-bus de control una
señal de interrupción al procesador, para que
éste vuelva a tomar el control del bus del sistema.
29 Jerarquía De Memoria Parámetros: capacidad,
velocidad y precio Problema: Diferencia de velocidad de 1
ó 2 órdenes de magnitud entre procesador y
memoria.
30 Cont…
31 Soporte Físico (hardware) y Soporte Lógico
(software) Soporte Físico, o Hardware Es la máquina
en sí El conjunto de circuitos electrónicos,
cables, armarios, dispositivos electromecánicos, y otros
elementos físicos que forman el computador. La palabra
hardware no sólo se utiliza para designar los dispositivos
físicos del computador y su interconexión
(arquitectura), sino también todo lo relacionado con ellos
Soporte Lógico, Software o Logical El conjunto de
programas (del sistema operativo, de utilidades, y de los
usuarios) ejecutables por el computador. Para que un computador
funcione es necesario utilizar programas. Tan imprescindible es
el hardware como el software. No son sólo los programas de
un computador, sino que también todas las materias
relacionadas con la construcción de los programas:
organización y estructuración de los datos,
construcción de algoritmos, análisis de
aplicaciones, metodología utilizada para redactar
programas, etc.
32 Interrupción Interrupción, excepción,
fallo, aborto o Trap Es una detención de la
ejecución de un programa antes de que concluya,
continuándose después con la ejecución del
programa interrumpido Normalmente se realiza para ejecutar otro
programa o procedimiento prioritario o procedimiento de
gestión de la interrupción.
33 Cont… Causa de las Interrupciones: Fallo de la
alimentación. El computador puede disponer de sistemas
auxiliares que detecten anomalías en el suministro de
energía eléctrica. Caso de que se prevea que
inminentemente se va a producir una caída de
tensión, se puede generar una interrupción que
lance a ejecutar un programa que salve el contenido total de la
memoria en disco. Anomalías del hardware. Si detecta un
fallo del hardware puede generar una interrupción que
lance a ejecutar un programa que produzca el consiguiente mensaje
de error y/o reconfigure el hardware. Petición de E/S de
un periférico. El método más común de
efectuar una operación de E/S es por medio de
interrupciones.
34 Cont… Desbordamiento. Cuando en un cálculo
aritmético se produce un desbordamiento, es normal
producir una interrupción, para lanzar a ejecución
un programa que de un mensaje de error, o se tomen otras medidas
tendentes a no falsear los resultados de la ALU.
Utilización de una instrucción máquina
inexistente. Está anomalía se produciría
cuando en el registro de instrucción (IR) se carga un
valor que no corresponde a ningún código del
lenguaje máquina. El procedimiento que atendería a
la interrupción daría un mensaje de error.
Gestión de tiempo compartido. El tiempo compartido permite
la ejecución concurrente de varios programas ubicados
simultáneamente en memoria. El sistema operativo va dando
pequeños turnos sucesivos de tiempo a cada uno de los
programas, de forma tal que todos van avanzando en su
ejecución. Los sistemas disponen de un temporizador (reloj
de tiempo real) que genera una señal de
interrupción cuando transcurre el periodo de tiempo
asignado a cada programa, y se lanza una interrupción para
suspender momentáneamente la ejecución del
programa.
35 Cont… Violación de la protección de
memoria. Es corriente que en la memoria principal se encuentren
ubicados diversos programas. El computador dispone de mecanismos
que detectar si, por error, un programa invade la zona de memoria
donde se encuentra otro programa. Este evento suele ser prevenido
por medio de una interrupción. Peticiones del programador
o usuario. Existe la posibilidad de que el propio programador o
usuario deseen provocar una interrupción.
36 Petición de interrupción (Interrupción
Request, o IR). (Gp:) Regreso a PE (Gp:) -Restaurar contenidos
CPU -Habilitar interrupciones (Gp:) Servicio del requerimiento
realizado (Gp:) Determinación del origen de la
interrupción (Gp:) -Inhábil interrupciones -Salvar
contenidos CPU (Gp:) Petición de Interrupción (IR)
(Gp:) Reconocimiento de la interrupción (IA) (Gp:)
Programa preferente (Gp:) Fin de la interrupción (Gp:) 3
(Gp:) 4 (Gp:) 5 (Gp:) 2 (Gp:) 1 (Gp:) Programa PE que se va a
interrumpir (Gp:) Instrucciones Gestión de una
interrupción de un procedimiento PE para atender a otro
más preferente, volviendo posteriormente a continuar
ejecutándose el procedimiento interrumpido
37 Niveles de Descripción de un Computador Un computador
puede ser analizado o estudiado según distintos niveles
conceptuales. La distinción entre niveles más
sencilla es la que hay entre software y hardware. Nivel de
componentes electrónicos también denominado nivel
de dispositivos y circuitos electrónicos Nivel de
lógica digital o nivel de circuito lógico Nivel de
microprogramación (microoperaciones) o nivel RTL (Register
Transfer Level, nivel de transferencia entre registros o nivel de
micromáquina Nivel de lenguaje máquina y
ensamblador o nivel de máquina convencional Nivel de
sistema operativo o nivel de máquina operativa Nivel de
programa de aplicación o nivel de máquina
simbólica
38 Niveles de Descripción de un Computador (Gp:) Nivel de
máquina simbólica (compiladores, editores,
intérpretes del LC) (Gp:) Nivel de máquina
operativa (sistema operativo) (Gp:) Nivel de máquina
convencional (lenguajes máquina y ensamblador)) (Gp:)
Nivel de dispositivos y ctos. electrónicos (Gp:) Nivel de
micromáquina (microprogramación) (Gp:) Nivel de
lógica digital (Gp:) Hardware (Gp:) Tecnología
(Gp:) Arquitectura (Gp:) USUARIOS Y PROGRAMAS DE APLICACIONES
(Gp:) Software
39 Clasificación de los Computadores Según la
Generalidad de uso o Propósito: De uso general: Puede
dedicarse a distintos tipos de aplicaciones, tales como
gestión administrativa, cálculo científico,
etc. De uso específico: Es el que únicamente puede
utilizarse para una aplicación concreta. Ejemplo, el que
contiene un robot, la computadora para el control del
tráfico, el de un horno de microondas, etc. Según
el Paralelismo: Unico flujo de instrucciones, único flujo
de datos (Monoprocesadores): En un instante dado, se encuentra
ejecutando una única instrucción con unos datos
aislados. Unico flujo de instrucciones, múltiples flujos
de datos (Matriciales y Vectoriales ): Para mayores velocidades
de cómputo, procesan las instrucciones de una en una, pero
cada una de ellas opera con múltiples datos.
Múltiples flujos de instrucciones, múltiples flujo
de datos (Multiprocesadores y Multicomputadores): Sistemas
compuestos por distintos computadores completos trabajando en
paralelo e interconectados adecuadamente entre ellos.
ESTA PRESENTACIÓN CONTIENE MAS DIAPOSITIVAS DISPONIBLES EN
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