Ejercicio
Expresa, en código binario, los números decimales siguientes: 191, 25, 67, 99, 135, 276
El tamaño de las cifras binarias
La cantidad de dígitos necesarios para representar un número en el sistema binario es mayor que en el sistema decimal.
En el ejemplo del párrafo anterior, para representar el número 77, que en el sistema decimal está compuesto tan sólo por dos dígitos, han hecho falta siete dígitos en binario.
Para representar números grandes harán falta muchos más dígitos.
Por ejemplo, para representar números mayores de 255 se necesitarán más de ocho dígitos, porque 28 = 256 y podemos afirmar, por tanto, que 255 es el número más grande que puede representarse con ocho dígitos.
Como regla general, con n dígitos binarios pueden representarse un máximo de 2n , números. El número más grande que puede escribirse con n dígitos es una unidad menos, es decir, 2n – 1.
Con cuatro bits, por ejemplo, pueden representarse un total de 16 números, porque 24= 16 y el mayor de dichos números es el 15, porque 24 -1 = 15.
Ejercicios
Ejercicio 2:
Averigua cuántos números pueden representarse con 8, 10, 16 y 32 bits y cuál es el número más grande que puede escribirse en cada caso.
Ejercicio 3:
Dados dos números binarios: 01001000 y 01000100 ¿Cuál de ellos es el mayor? ¿Podrías compararlos sin necesidad de convertirlos al sistema decimal?
Sistema de numeración octal
El inconveniente de la codificación binaria es que la representación de algunos números resulta muy larga. Por este motivo se utilizan otros sistemas de numeración que resulten más cómodos de escribir: el sistema octal y el sistema hexadecimal. Afortunadamente, resulta muy fácil convertir un número binario a octal o a hexadecimal.
En el sistema de numeración octal, los números se representan mediante ocho dígitos diferentes: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7. Cada dígito tiene, naturalmente, un valor distinto dependiendo del lugar que ocupen. El valor de cada una de las posiciones viene determinado por las potencias de base 8.
Ejemplo
Por ejemplo, el número octal 2738 tiene un valor que se calcula así:
2* 83 + 7* 82 + 3* 81 = 2*512 + 7*64 + 3*8 = 149610
2738 = 149610
Conversión de un número decimal a octal
La conversión de un número decimal a octal se hace con la misma técnica que ya hemos utilizado en la conversión a binario, mediante divisiones sucesivas por 8 y colocando los restos obtenidos en orden inverso. Por ejemplo, para escribir en octal el número decimal 12210 tendremos que hacer las siguientes divisiones:
122 : 8 = 15 Resto: 2
15 : 8 = 1 Resto: 7
1 : 8 = 0 Resto: 1
Tomando los restos obtenidos en orden inverso tendremos la cifra octal:
12210 = 1728
Ejercicio
Ejercicio 5:
Convierte los siguientes números decimales en octales: 6310, 51310, 11910
Conversión octal a decimal
La conversión de un número octal a decimal es igualmente sencilla, conociendo el peso de cada posición en una cifra octal.
Por ejemplo, para convertir el número 2378 a decimal basta con desarrollar el valor de cada dígito:
2*82 + 3*81 + 7*80 = 128 + 24 + 7 = 15910
2378 = 15910
Ejercicio
Ejercicio 6:
Convierte al sistema decimal los siguientes números octales: 458, 1258, 6258
Sistema de numeración hexadecimal
Sistema de numeración hexadecimal
En el sistema hexadecimal los números se representan con dieciséis símbolos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E y F. Se utilizan los caracteres A, B, C, D, E y F representando las cantidades decimales 10, 11, 12, 13, 14 y 15 respectivamente, porque no hay dígitos mayores que 9 en el sistema decimal. El valor de cada uno de estos símbolos depende, como es lógico, de su posición, que se calcula mediante potencias de base 16.
Ejemplo
Calculemos, a modo de ejemplo, el valor del número hexadecimal 1A3F16:
1A3F16 = 1*163 + A*162 + 3* 161 + F* 160
1*4096 + 10*256 + 3*16 + 15*1 = 6719
1A3F16 = 671910
Ejercicio
Ejercicio 7:
Expresa en el sistema decimal las siguientes cifras hexadecimales: 2BC516, 10016, 1FF16
Convertir números Decimales a hexadecimal
Por ejemplo, para convertir a hexadecimal del número 173510 será necesario hacer las siguientes divisiones:
1735 : 16 = 108 Resto: 7
108 : 16 = 6 Resto: C es decir, 1210
6 : 16 = 0 Resto: 6
De ahí que, tomando los restos en orden inverso, resolvemos el número en hexadecimal:
173510 = 6C716
Ejercicio
Convierte al sistema hexadecimal los siguientes números decimales: 351910, 102410, 409510
Conversión de números binarios a octales y viceversa
Cada dígito de un número octal se representa con tres dígitos en el sistema binario. Por tanto, el modo de convertir un número entre estos sistemas de numeración equivale a "expandir" cada dígito octal a tres dígitos binarios, o en "contraer" grupos de tres caracteres binarios a su correspondiente dígito octal
Ejemplo
1010010112 = 5138
Ejercicio
Ejercicio 9:
Convierte los siguientes números binarios en octales: 11011012, 1011102, 110110112, 1011010112
Conversión de números binarios a hexadecimales y viceversa
Podemos establecer una equivalencia directa entre cada dígito hexadecimal y cuatro dígitos binarios
Ejemplo
Por ejemplo, para expresar en hexadecimal el número binario 1010011100112 bastará con tomar grupos de cuatro bits, empezando por la derecha, y reemplazarlos por su equivalente hexadecimal:
10102 = A16
01112 = 716
00112 = 316
y, por tanto: 1010011100112 = A7316
En caso de que los dígitos binarios no formen grupos completos de cuatro dígitos, se deben añadir ceros a la izquierda hasta completar el último grupo. Por ejemplo:
1011102 = 001011102 = 2E16
Ejercicio 11:
Convierte a hexadecimales los siguientes números binarios:
10101001010111010102, 1110000111100002, 10100001110101112
33
Instrucciones vs. Datos
Instrucción: conjunto de símbolos insertados en una secuencia estructurada o específica que el procesador interpreta y ejecuta.
Datos: Símbolos que representan hechos, condiciones, situaciones o valores. Elementos de información.
1.1 Componentes de un Sistema de Cómputo
34
Lenguaje natural:
Suma lo que hay en A con lo que tiene la posición 17 de una secuencia de valores.
Lenguaje de programación de alto nivel:
A= A + M[17]
Ensamblador y lenguaje máquina:
ADD A, M(17) ? 11000 001 0001 001111
Instrucciones vs. Datos (cont)
1.1 Componentes de un Sistema de Cómputo
Hardware (Soporte Físico)
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1.1 Componentes de un Sistema de Cómputo
Firmware
El firmware es un bloque de instrucciones de programa para propósitos específicos, grabado en una memoria de tipo no volátil (ROM, EEPROM, flash, etc), que establece la lógica de más bajo nivel que controla los circuitos electrónicos de un dispositivo de cualquier tipo. Al estar integrado en la electrónica del dispositivo es en parte hardware, pero también es software, ya que proporciona lógica y se dispone en algún tipo de lenguaje de programación.
Funcionalmente, el firmware es el intermediario (interfaz) entre las órdenes externas que recibe el dispositivo y su electrónica, ya que es el encargado de controlar a ésta última para ejecutar correctamente dichas órdenes externas.
Firmware
37
1.1 Componentes de un Sistema de Cómputo
Software (Soporte Lógico)
38
1.1 Componentes de un Sistema de Cómputo
El hardware y el SW utilizados para proporcionar aplicaciones a los usuarios se pueden ver de forma jerárquica o en capas
Definiciones Básicas
Definiciones Básicas
Hardware
Sistema Operativo
Utilidades y Herramientas
Programas de Aplicación
Diseñador del SO
Programador
Usuario Final
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1.1 Componentes de un Sistema de Cómputo
Arquitectura de un Sistema
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1.2 Capa Hardware
Registros del Procesador
Registros visibles para el usuario.
Registros de control y estado
Contador de programa (PC).
Puntero de pila (SP).
Registro de instrucción (IR).
Registro de estado (bits informativos).
42
1.2 Capa Hardware
Ejecución de Instrucciones
Procesar una instrucción consta de dos pasos:
El Procesador lee (busca) instrucciones de la memoria, una cada vez.
El Procesador ejecuta cada instrucción.
La ejecución de un programa consiste en repetir el proceso de búsqueda y ejecución de instrucciones.
Se denomina ciclo de instrucción al procesamiento requerido por una única instrucción.
Inicio
Leer siguiente instrucción
Ejecutar la instrucción
Parada
43
1.2 Capa Hardware
Ejecución de Instrucciones
Ejemplo 1.
El contador del programa (PC) tiene 300, la dirección de la primera instrucción.
Los primeros 4 bits (dígitos en hexadecimal) en el registro de instrucción (IR) indica que el acumulador (AC) será cargado desde memoria. Los siguientes 12 bits (tres dígitos en hexadecimal) indican la dirección, 940.
La siguiente instrucción (5941) será captada desde la dirección 301. El PC se incrementa.
El anterior contenido del AC y el contenido de la dirección 941 se suman y el resultado se almacena en el AC.
La siguiente instrucción (2941) será captada desde la dirección 302. El PC se incrementa.
El contenido del AC se aloja en la dirección 941.
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1.2 Capa Hardware
La E/S permite al computador interactuar con el "mundo exterior"
Dispositivos típicos de E/S (PERIFÉRICOS)
Dispositivos de E/S básica
teclado, ratón, pantalla
Dispositivos de almacenamiento
discos, disquetes, CD-ROM, cintas,discos magneto-ópticos, …
Dispositivos de impresión y escáner
impresoras, plotters, scanners, …
Dispositivos de comunicación
redes, módems, …
Dispositivos multimedia
audio, video, …
.
CPU
MEMORIA
Disco
E/S
(Gp:) 8085
(Gp:) 8085
(Gp:) 8085
(Gp:) 8085
(Gp:) 8085
(Gp:) 8085
Subsistema de E/S
46
1.2 Capa Hardware
Técnicas de Comunicación de E/S
Hay tres técnicas para llevar a cabo las operaciones de E/S:
E/S Programada.
E/S dirigida de interrupciones.
Acceso directo de memoria
¿Qué necesita la CPU para hacer su trabajo leer/escribir en memoria
o en un dispositivo de E/S:
47
1.2 Capa Hardware
Técnicas de Comunicación de E/S
E/S Programada. El procesador encuentra una instrucción con la E/S. Se genera un mandato al módulo de E/S apropiado.
Con esta técnica, el procesador es el responsable de extraer los datos de la memoria principal en una operación de salida y almacenarlos en ella en una operación de entrada
El software de E/S se escribe de manera que el procesador ejecuta instrucciones que le dan control directo de la operación de E/S incluyendo:
Comprobar el estado del dispositivo
Enviar un mandato de lectura o de escritura
Transferir los datos
48
1.2 Capa Hardware
Técnicas de Comunicación de E/S
La figura muestra un ejemplo del uso de E/S programada para leer un bloque de datos de un dispositivo externo (p. ej. Un registro de cinta) y almacenarlo en memoria.
Los datos se leen palabra a palabra (por ejemplo 16 bits).
Por cada palabra que se lee, el procesador debe permanecer en un bucle de comprobación del estado hasta que determina que la palabra está disponible en el registro de datos del módulo de E/S.
E/S programada
Problema: El problema de la técnica de la E/S programada es que el procesador tiene que esperar mucho tiempo hasta que el módulo de E/S correspondiente esté listo para la recepción o la transmisión de más datos. El procesador mientras está esperando, debe comprobar repetidamente el estado del módulo de E/S.
Cómo resultado, el nivel de rendimiento de todo el sistema se degrada gravemente.
Solución: Mientras se atiende al módulo de E/S, el procesador pueda continuar con trabajo útil.
50
E/S Dirigida por Interrupciones. Evento que interrumpe el flujo normal de ejecución producido por un elemento externo al procesador. Es un evento asíncrono.
Técnicas de Comunicación de E/S
1.2 Capa Hardware
Problema: En transferencias considerables de memoria a dispositivo o viceversa conlleva un uso excesivo del procesador.
Solución: Acceso Directo a Memoria. En un solo mandato se genera todo lo necesario para realizar la transferencia de información de memoria al dispositivo o viceversa.
51
1.2 Capa Hardware
Técnicas de Comunicación de E/S
Ciclo de instrucción con interrupciones.
Inicio
Leer siguiente instrucción
Ejecutar la instrucción
Parada
Comprobación de interrupción del proceso
Interrupciones habilitadas
Interrupciones
inhabilitadas
Fase de búsqueda Fase de ejecución Fase de Interrupción
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1.2 Capa Hardware
Tratamiento de Interrupciones Vectorizadas
(Gp:) CPU
(Gp:) Dispositivo
(Gp:) Interrupción
(Gp:) Código
del SO
Salto
(Gp:) Memoria
Principal
(Gp:) . . .
(Gp:) . . .
(Gp:) Código de usuario
(Gp:) Rutina de servicio
de interrupción i
(Gp:) …………
(Gp:) ………………………
(Gp:) ………………………
···
i
Tabla de vectores
de interrupción
···
53
Tratamiento de Interrupciones
Vectorizadas
1.2 Capa Hardware
54
Acceso Directo a Memoria (DMA, Direct Access Memory). Realizada por un módulo separado conectado en el bus del sistema o incluida en un módulo de E/S. Útil cuando el procesador desea leer o escribir un bloque de datos.
Técnicas de Comunicación de E/S
1.2 Capa Hardware
55
Definición de excepción: Evento inesperado generado por alguna condición que ocurre durante la ejecución de una instrucción (ejemplo, desbordamiento aritmético, dirección inválida, instrucción privilegiada, etc.). Es un evento síncrono.
Excepciones
1.2 Capa Hardware
56
1.2 Capa Hardware
Protección
Funcionamiento en Modo Dual. ¿Qué ocurre si un programa accede a la memoria donde se alojan los vectores de interrupciones? ¿Qué pasa si las modifica?
Solución: El procesador dispone de diferentes modos de ejecución de instrucciones:
Instrucciones privilegiadas (modo supervisor/kernel): Aquellas cuya ejecución puede interferir en la ejecución de un programa cualquiera o programa del SO (ejemplo, escribir en el puerto de un dispositivo).
Instrucciones no privilegiadas (modo usuario): Aquellas cuya ejecución no presenta ningún problema de seguridad para el resto de programas (ejemplo, incrementar un contador).
57
1.2 Capa Hardware
Protección de los Dispositivos de E/S
Los dispositivos de E/S son recursos que han de estar protegidos (ejemplo, los archivos, las impresoras, .)
¿Cómo se consigue? ? Las instrucciones máquina para acceso a los dispositivos de E/S no pueden ejecutarse en modo usuario: son privilegiadas.
Cualquier acceso a los dispositivos desde un programa de usuario se hará mediante peticiones al SO.
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1.2 Capa Hardware
Protección de Memoria
Cada programa en ejecución requiere de un espacio de memoria.
Objetivo: Hay que proteger la zona de memoria asignada y la memoria en la que está el código del sistema operativo (tabla de vectores de interrupción, rutinas de tratamiento de cada interrupción).
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1.3 El Sistema Operativo
El Sistema Operativo
Un SO es un programa o conjunto de programas que controla la ejecución de los programas de aplicación y que actúa como interfaz entre el usuario de una computadora y el hardware de la misma.
Hardware
Sistema Operativo
Utilidades y Herramientas
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1.3 El Sistema Operativo
El SO como interfaz Usuario/Computadora
Presenta al usuario una máquina abstracta más fácil de programar que el hardware subyacente:
Oculta la complejidad del hardware.
Da tratamiento homogéneo a diferentes objetos de bajo nivel (archivos, procesos, dispositivos, etc.).
Una aplicación se puede expresar en un lenguaje de programación y la desarrolla un programador de aplicaciones.
Es más fácil programar las aplicaciones en lenguajes de alto nivel que en el lenguaje máquina que entiende el hardware.
61
61
1.3 El Sistema Operativo
El SO como interfaz Usuario/Computadora
Un SO proporciona normalmente utilidades en las siguientes áreas:
Desarrollo de programas (editores de texto, compiladores, depuradores de programas).
Ejecución de programas (cargador de programas y ejecución de éstos).
Acceso a dispositivos de E/S (cada dispositivo requiere su propio conjunto de instrucciones).
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1.3 El Sistema Operativo
El SO como interfaz Usuario/Computadora
(cont.)
Acceso al sistema (En sistemas compartidos o públicos, el SO controla el acceso y uso de los recursos del sistema: Shell, Interfaz gráfico).
Detección y respuesta a errores (tratamiento de errores a nivel software y hardware).
Contabilidad (estadísticas de uso de los recursos y medida del rendimiento del sistema).
63
1.3 El Sistema Operativo
El SO como Administrador de Recursos
Un computador es un conjunto de recursos y el SO debe gestionarlos y para ello posee un mecanismo de control en dos aspectos:
Las funciones del SO actúan de la misma forma que el resto del software, es decir, son programas ejecutados por el procesador.
El SO frecuentemente cede el control y depende del procesador para volver a retomarlo.
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1.3 El Sistema Operativo
El SO como Administrador de Recursos
Por lo tanto:
El SO Dirige al procesador en el uso de los recursos del sistema y en la temporización de la ejecución de otros programas.
Una parte del código del SO se encuentra cargado en la memoria principal (kernel y, en ciertos momentos, otras partes del SO que se estén usando). El resto de la memoria está ocupada por programas y datos de usuario.
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1.3 El Sistema Operativo
El SO como Administrador de Recursos
Por lo tanto: (cont.)
La asignación de la memoria principal la realizan conjuntamente el SO y el hardware de gestión de memoria del procesador.
El SO decide cuándo un programa en ejecución puede usar un dispositivo de E/S y también el acceso y uso de los ficheros. El procesador es también un recurso.
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1.3 El Sistema Operativo
Características deseables en un Sistema Operativo
Comodidad en el uso.
Eficiencia: Existen más programas que recursos. Hay que repartir los recursos entre los programas
Facilidad de Evolución: Un SO importante debe evolucionar en el tiempo por las siguientes razones:
Actualizaciones del hardware y nuevos tipos de hardware.
Mejorar y/o aportar nuevos servicios.
Resolución de fallos.
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1.4 Utilidades del Sistema
Programas de Servicio del SO
Se trata de un conjunto de programas de servicio que, en cierta medida, pueden considerarse como una ampliación del SO:
Compactación de discos.
Compresión de datos.
Gestión de comunicaciones.
Navegadores de internet.
Respaldo de seguridad.
Recuperación de archivos eliminados.
Antivirus.
Salvapantallas.
Interfaz gráfica.
68
1.4 Utilidades del Sistema
Herramientas Generales
Su misión es facilitar la construcción de las aplicaciones de los usuarios, sea cual sea la naturaleza de éstas, tales como:
Editores de texto.
Compiladores.
Intérpretes.
Enlazadores.
Cargadores/Montadores.
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