Arquitectura de computadoras_Modulo 1.pdf
- 1. Módulo 1 Arquitectura y organización de Sistema de cómputos : Hardware y Software. 2.1. Hardware Es la parte material (componente físico) de una computadora (teclado, pantalla, impresora, unidades de disco, etc.). 2.1.1. Arquitectura de una computadora. Los antecedentes del concepto de Arquitectura de una computadora, lo encontramos en principio en 1833, con Charles Babbage, y su "máquina analítica", quien define las cinco unidades fundamentales de una computadora moderna. Posteriormente en 1945, el matemático alemán J. Von Neumann diseñó el concepto de UCP (Unidad Central de Proceso), quien teorizando sobre máquinas ideales llegó a la conclusión que una computadora, para ser capaz de resolver cualquier problema, debía reunir al menos cuatro elementos fundamentales: ● Una unidad de cálculo, ● Una unidad de control para coordinar las funciones, ● Una memoria, y ● Unos dispositivos de entrada/salida. Además debía funcionar electrónicamente, con números binarios, y realizar sus operaciones en forma secuencial, es decir, una tras otra. A esta estructura se la conoce como "Arquitectura de Von Neumann" y aun se sigue usando para la mayoría de las computadoras modernas. Una computadora en definitiva, consta de tres partes fundamentales: la Unidad Central de Proceso, que designaremos UCP (en inglés CPU), en la que se acumula la información y se procede a su tratamiento, la memoria interna (RAM) espacio donde se almacenan los datos entes de entrar y salir del procesador, externa (discos, etc.) y las unidades periféricas o, simplemente, periféricos (de entrada y de salida) que permiten la comunicación de la computadora con el exterior. Un ejemplo de este concepto sería el cerebro (centro neurálgico) donde se realizan todas las actividades y sus vías de comunicación; donde los periféricos de entrada serían: los cinco sentidos -vista, olfato, gusto, oído y tacto; y los periféricos de salida: la escritura, el habla y la acción. 1
- 2. 2.1.1.1. Unidad Central de Proceso (UCP) La UCP, es una colección de circuitos electrónicos incorporados en un chip de silicio denominado microprocesador. La UCP, interpreta y lleva a cabo las instrucciones de los programas, efectúa manipulaciones aritméticas y lógicas con los datos, almacena resultados intermedios y se comunica con las demás partes del sistema. Se considera dividida en dos unidades: ● Unidad Aritmético-Lógica (UAL) ● Unidad de Control (UC) Estas unidades se han agrupado recibiendo el nombre genérico de UCP. Además de la Memoria Central, la Unidad Aritmético-Lógica y la Unidad de Control, la UCP contiene una serie de registros y los buses. Normalmente todos estos elementos están integrados en un sólo circuito o chip llamado microprocesador o procesador. La memoria principal y la unidad de entrada/salida, son bloques independientes de la CPU implementados en otros circuitos integrados. Todos ellos se unen a través de los buses en una o varias placas de circuito impreso para formar lo que llamamos microprocesador. El microprocesador está ensamblado en un circuito integrado de mayor tamaño llamado placa madre (motherboard). Aquí también se ensambla la memoria y las unidades de entrada/salida. 2
- 3. ● La Memoria La memoria es la parte de la computadora donde se almacenan datos y programas y aunque la UCP dispone de una memoria caché (sus registros), ésta es demasiado pequeña como para albergar programas completos, pués está pensada para almacenar sólo la instrucción a ejecutar, sus operandos y un poco más. Por eso es necesario disponer de un sistema de memoria externa suficientemente grande. Para ello se cuenta con la Memoria interna ó Principal, que hoy día es totalmente electrónica y está constituida a base de semiconductores, es decir una gran cantidad de circuitos integrados que pueden almacenar la información "encendido" "apagado", expresada en código binario, por 0 ó 1, también denominados biestables porque los datos se almacenan en estados de tensión (+5V) al que hacemos corresponder un uno y no tensión (0V) al que le corresponde un cero, por tanto el sistema de almacenamiento admite dos posibles valores y por ello se denomina binario. También puede definirse a la memoria como un conjunto de celdas dispuestos en forma de filas y columnas en las cuales se almacenan una cantidad fija de "0" y "1". Esta unidad elemental de información que podemos almacenar en una computadora recibe el nombre de BIT, de Binary Digit (dígito binario), y al conjunto de 8 bits se le denomina Octeto o Byte, de Binary Term (término binario), que constituye la unidad de información. Un byte es capaz de almacenar datos tales como los caracteres numéricos (0..9), alfabéticos (A..Z) y alfanuméricos; pero es insuficiente para almacenar números de cierta magnitud, por esto, los bytes se agrupan en palabras. 3
- 4. Una palabra es la unidad natural de organización de la memoria. El número de bits por fila (palabra) puede variar entre: 8, 16, 32 y 64, ... y está determinado por el ancho de los registros generales de la UCP, por lo que un procesador con registros de 32 bits tiene una palabra de 32 bits (4 bytes). Esto significa que se pueden hacer operaciones (aritméticas, de movimiento, etc.) con datos de hasta 32 bits. Cada fila está numerada, llamándose a ese número que la identifica dirección. Entonces una dirección de memoria esá asociada unívocamente a una celda y esta dirección permite conocer la ubicación de un dato. La memoria que posee un computador se expresa, en general, en Kbytes (o simplemente en K), esto es, en grupo de 1024 bytes. (Contra lo que podría pensarse, 1 KiloByte o KB de memoria no representa 1000 bytes sino 1024, que equivale a 210 ), 1 MegaByte o MB = 1024 KB, 1 GigaByte o GB = 1024 MB, 1 TeraByte o TB = 1024 GB ● Tipos de memoria de una computadora Memoria Caché (Registros): Son memorias elementales para que las unidades de la UCP, puedan almacenar datos o instrucciones temporalmente. Memoria intermedia: Constituido por los buffers o memoria tampón. Memoria interna: Memoria central o principal. Memoria auxiliar: Memoria secundaria o periférico de almacenamiento. Memoria virtual: Memoria interna y una parte de una memoria auxiliar rápida. Tipos de memoria interna a. La memoria RAM (Ramdom Acces Memory): Es una memoria volátil; es decir, que requiere energía eléctrica para conservar su información. Puede ser grabada y leída por el computador, y tiene la característica de que el tiempo de acceso a todos los datos que contiene es el mismo. Las memorias RAM pueden ser estáticas o dinámicas. Las primeras conservan su contenido de manera indefinida mientras no se corte la tensión que las alimenta; en las segundas, el contenido se pierde con el tiempo, de manera que para poder conservarlo es necesario refrescar cada pocos milisegundos. b. La memoria ROM (Read Only Memory): Las Memorias de este tipo sólo admiten operaciones de lectura, es decir , no pueden ser alteradas por el usuario. Su grabación se lleva a cabo en el proceso de fabricación, y se utilizan para almacenar programas de cargado ("loaders"), sistemas operativos, intérpretes, etc. Es decir funciones básicas previamente almacenadas que hacen posible el arranque de una computadora. Son memorias no volátiles, que no requieren energía para conservar su contenido. 4
- 5. c. Las memorias PROM (Programable Read Only Memory): Las memorias PROM admiten un único proceso de grabación por parte del usuario. La información que contienen se graba en un proceso posterior a su fabricación. d. Las memorias EPROM (Erasable Programable Read Only Memory): Las memorias EPROM son memorias programables por el usuario, que requieren, para ser alteradas, un proceso especial usando luz ultravioleta. Todas ellas tienen la característica fundamental de no ser volátiles. e. Las memorias EEPROM (Electric Erasable Programable Read Only Memory): Reunen las características de la EPROM y añaden la facilidad de reprogramación mediante impulsos eléctricos. El borrado se produce eléctricamente. CLASES DE MEMORIA Tipo de memoria Categoría Borrado Modo de escritura Volatilidad RAM (Random Acces Memory) Memoria Lec/Escr Eléctrico a nivel byte Eléctricamente Volátil ROM (Read Only Memory) Memoria de solo lectura No posible Eléctricamente No volátil PROM (Programmable Read Only Memory) EPROM (Erasable Read Only Memory) Memoria sobre todo de lectura Luz UV a nivel chip Memoria Flash Eléctrico a nivel bloque EEPROM (Electrically Erasable PROM) Eléctrico a nivel byte 5
- 6. 2.1.1.2. Unidad Aritmética-Lógica Se encarga de realizar las operaciones aritméticas y lógicas con los datos siguiendo las instrucciones de la UCP. La UC proporcionará a la ALU la siguiente información: - código de la operación lógica-aritmética a realizar. - direcciones de memoria de los datos implicados. - dirección de memoria para almacenar el resultado. 6
- 7. 2.1.1.3. La Unidad de Control La UC decodifica o interpreta las instrucciones del programa y manda la señal para que, según corresponda, actúe la ALU (para efectuar alguna operación) o una Unidad de entrada (conectadas, por ejemplo, a un teclado o ratón) o de salida (conectadas a una impresora o pantalla). Consta de un registro especial, el contador de programa ("Program Counter" , PC), que indica la ubicación en memoria de la siguiente instrucción que debe ser ejecutada. Esto garantiza que las instrucciones del programa se cumplan en el orden correcto. Otro registro importante de la unidad de control, es el Registro de condición ("Status Registrer", ST), que proporciona información sobre los resultados de la última instrucción ejecutada (por ejemplo, de una comparación). La UC establece que unidad debe intervenir en un momento dado, mediante el envío de señales de control; finalmente, traspasa la información entre los registros y la memoria RAM y viceversa. 2.1.1.4. Registros Espacios de memoria rápida que la UC, UAL, MP y UE/S utilizan para almacenar algún dato o instrucción temporalmente, para ser transferido de una unidad a otra o para realizar operaciones de cálculo. Se los considera también datos intermedios en un proceso determinado, el resultado final es almacenado en la memoria principal. Dos tipos: Registros Generales y Registros de Trabajo. 7
- 8. Registro General: Son necesarios para que los datos e instrucciones que manejan los programas se transfieren de una unidad a otra. Registro de Trabajo: Se utilizan como registros auxiliares para indicar a la UC los estados y resultados durante y al final de la ejecución de alguna operación. 2.1.1.5. Buses Un bus o colector de señales es un conjunto de conductores eléctricos que proporcionan una vía de comunicación entre dos o más dispositivos, tienen un ancho medido en bits y una velocidad medida en Mhz. En la práctica esta comunicación se realiza por medio de varias líneas eléctricas que se distribuyen por el sistema una al lado de la otra, permitiendo la transmisión de los datos en paralelo. Un modo de ejemplificar sencillamente este concepto sería realizando una analogía con las autopistas; el ancho sería el número de carriles (bits) y la velocidad evidentemente Km/hora, serían los Megahertz (Mhz). Cuanto más número de carriles y más velocidad, mayor será el paso de los automóviles (más rápida será la comunicación). Los buses del sistema son de tres tipos: Bus de direcciones, bus de datos y bus de control. Bus de control: Por él la UC envía y recibe señales de control -doble sentido- de los diversos dispositivos del sistema. Bus de direcciones: Transporta las direcciones de memoria que requiere el microprocesador para efectuar operaciones de lectura y escritura. Bus de datos: Traslada datos hacia y desde la memoria principalmente, aunque también se conecta a otros dispositivos (puertos del ordenador, controladores de periféricos, etc.). 8
- 9. 2.1.2. Periféricos de Entrada/Salida 2.1.2.1. Unidades de Entrada Llamamos Unidades de Entrada a todos aquellos dispositivos por los cuales la computadora recibe la información que debe procesar y, eventualmente, los programas necesarios para hacerlo. EL TECLADO Todas las computadoras son capaces de realizar operaciones de "entrada manual o directa", que normalmente se llevan a cabo a través de un teclado, semejante al de una máquina de escribir. Este dispositivo nos permite introducir caracteres, palabras o números a la computadora. Hay muchos tipos de teclado, el más habitual es el llamado teclado expandido en el que se pueden distinguir varias partes: Teclas de función: Tienen asignadas unas tareas especiales dependiendo del programa que se esté utilizando. Teclado alfanumérico: En él están colocadas las teclas de números y letras. Teclas del cursor: Permiten el movimiento del cursor por la pantalla en el sentido indicado por las flechas. EL RATÓN O MOUSE Es otro periférico de entrada que permite traducir los movimientos de la mano en acciones en la pantalla puede ser mecánico, óptico e inalámbrico. Cuando el ratón esta funcionando, aparecerá en el monitor un indicador denominado PUNTERO, que se desplazará por la pantalla. La mayoría de las operaciones que se realizan con el ratón exigen pulsar el botón izquierdo (hacer clic) dicha pulsación define el punto cuyas coordenadas detecta la CPU que ejecuta el programa del usuario. Hacemos doble clic (dos pulsaciones consecutivas) para ejecutar tareas, como seleccionar un símbolo o icono en la pantalla o para abrir el documento elegido. El ratón presenta como ventaja que el cursor se moverá alrededor de la pantalla más rápidamente que usando las teclas pero tiene la desventaja de necesitar mover la mano desde el teclado al ratón y volver al primero. También se verifican "entradas automáticas", por las cuales la unidad central recibe datos a través de dispositivos periféricos como los lectores de discos y cintas magnéticas. 9
- 10. EL ESCÁNER El escáner es otro dispositivo de entrada que permite digitalizar imágenes y textos que se encuentren impresos en papel o en un soporte físico. Si se utiliza para digitalizar textos se debe complementar con un programa de reconocimiento de caracteres OCR que reconoce dichos caracteres de la imagen y los transfiere a un procesador de textos que permitirá posteriormente almacenarlo como un documento. La resolución de un escaner se mide en PPP, que representa el número de Puntos Por Pulgada, lo que determinará la calidad de la imagen obtenida. A mayor numero de puntos por pulgada mas pixeles definirán la imagen, mayor será la calidad de la misma pero también ocupará más cantidad de memoria y de disco. Otros dispositivos de entrada son los joysticks - bastones de mando -, lápices ópticos, cámaras digitales (video cámara, fotográfica, Webcam), pantallas sensibles, micrófonos, etc. 2.1.2.2. Unidades de salida Las Unidades de Salida son dispositivos que tienen por finalidad transmitir al usuario los resultados del trabajo del computador. Las más comunes son pantallas de video e impresora. Los monitores o pantallas de video a color y las impresoras Laser son a menudo requeridas para la alta definición de gráficos. Otros dispositivos de salida son: Plotters, parlantes, etc. 2.1.2.3. Unidades de Entrada / Salida Las Unidades de Entrada /Salida, denominados dispositivos de almacenamiento secundario o auxiliar, tales como los discos duros, cintas magnéticas, discos flexibles (disquetes), discos compactos o CD, DVD, poseen un tiempo de acceso más prolongado que la memoria principal, pero son más o menos permanentes (por ejemplo a diferencia de la memoria principal no se borran cuando se apaga la máquina), almacenan una gran cantidad de información y son mayormente utilizados como Bancos de Datos por otros equipos. 10
- 11. Los discos duros en las computadoras se expresan en millones de caracteres (megabytes) , gigabytes (mil millones de caracteres),terabytes ( mila billones de caracteres) Cintas magnéticas, similares a las de un casete de audio, en general más anchas, en las cuales se puede almacenar información que no requiere ser recuperada con rapidez, como, por ejemplo, copias de seguridad o de respaldo. Discos compactos o CD (Compact disk), almacenan información en formato digital que pueden ser grabados y leídos mediante un haz de luz láser y su reflejo. Se pueden almacenar cerca de 700 MB u 80 minutos de música. DVD (Digital Versátil Disk), utiliza básicamente el mismo tipo de tecnología, con pistas más delgadas que permiten el almacenamiento de aproximadamente entre 5 y 10 veces más información que un CD. Memorias portátiles, unidades de memoria no volátiles, es decir que pueden almacenar la información aunque no estén alimentadas por una corriente eléctrica. De tamaño reducido, puede albergar más de 1 GB de información y se conecta a las computadoras a través del puerto usb. Todos los dispositivos periféricos requieren de una interfase que compatibilice entre ellos y la memoria, debido fundamentalmente a la diferencia de velocidades. La interfase está formada por los canales y las unidades de control o controladoras y debe de organizar inteligentemente el flujo de la información. 2.2. Software Llamamos software a la parte lógica (esto es, los programas), de que se disponen para hacer funcionar un equipo informático. El término se opone al de hardware, que designa los dispositivos físicos que componen la computadora. 2.2.1. El Software de base Está compuesto por un conjunto de programas que permiten al usuario sacar el máximo provecho de su equipo. Son en general, suministrados por el fabricante, y no apuntan a resolver ningún problema en particular, sino que proveen facilidades utilizables por el programador en diversas aplicaciones. 11
- 12. Son considerados software de base los sistemas operativos, los lenguajes de programación, los programas utilitarios, etc. 2.2.1.1. El Sistema Operativo (S.O) Es un conjunto de programas que tiene por finalidad fundamental el control de las operaciones de entrada/salida (esto es, el intercambio de información entre la unidad central de proceso y los periféricos), de la carga y ejecución de los programas y de la detección y recuperación de errores. Sin la presencia de este programa ninguna computadora podría funcionar. Ejemplos de estos programas son: MS-DOS, OS/2, WINDOWS, UNIX, LINUX, MACINTOSH, ANDROID , etc. 2.2.1.2. Los lenguajes de programación Una computadora trabaja internamente con la información en binario, desde el programa hasta los datos que debe procesar. Este código -si bien muy sencillo para el computador- puede resultar sumamente engorroso para el programador u operador que deba manejar el equipo. A los efectos de simplificar el trabajo de los seres humanos, se han diseñado lenguajes de programación, que han ido evolucionando de manera tal que, hoy por hoy, permiten al hombre comunicarse de manera bastante simple con la computadora. Existen dos tipos básicos de lenguajes de programación: compilados e interpretados. Trabajando con un lenguaje compilado en un computador moderno, el programador debe ingresar completamente su programa en un procesador de textos, y, en general, almacenarlo en un medio magnético. Este archivo se denomina "programa fuente". Una vez realizado, se carga en la computadora un programa denominado "compilador", que se encarga de "traducir" el programa fuente a código máquina. El programa traducido, llamado "objeto", es también almacenado en un archivo en medio magnético. Cuando el programa objeto está terminado, puede ser 12
- 13. ejecutado por el computador. Algunos lenguajes compilados son COBOL, FORTRAN, PASCAL, etc. Los lenguajes de programación al igual que los equipos se clasifican en generaciones, la primera generación se remonta al uso primitivo de clavijas y que ahora denominamos código de máquina. La segunda generación esta representada por el uso del lenguaje ensamblador (bajo nivel). La tercera generación esta compuesta por los lenguajes de programación de alto nivel, en los que se tiene que especificar cómo realizar la tarea. La forma de indicarle a la computadora es mediante el uso de una cantidad finita de instrucciones secuenciales escritas en bloques o procedimientos que después son referenciados en el bloque principal. Los lenguajes de cuarta generación incluyen un amplio espectro de lenguajes de computadora que hacen incapié sobre lo que debe hacerse más que sobre cómo efectuar el trabajo, son los lenguajes de especificación (Oracle, Informix, Progress, etc.) Por último, los lenguajes de quinta generación, denominados lógicos, que pueden ser utilizados por la computadora para deducir nuevos acontecimientos a partir de hechos conocidos anteriormente. Lenguajes lógicos son el PROLOG o el LISP , utilizados en Inteligencia Artificial. 2.2.1.3. Los Programas Utilitarios Constituyen un subconjunto importante del software de base; estos programas ejecutan distintas operaciones sobre archivos de datos. Son auxiliares del programador, quien los utilizará en la creación de programas específicos. 2.2.2. El Software de Aplicación Comprende aquellos programas elaborados por un programador para una aplicación concreta de un usuario determinado. Existen dos clases de software de aplicación: Standard y Específico. 2.2.2.1. El Software standard Se designa de este modo a los programas que se adquieren en firmas especializadas, para resolver determinados tipos de problemas que son comunes a diversos usuarios. Podemos citar programas tales como: ● Planillas electrónicas, que permiten realizar cálculos con información almacenada en forma tabular (Libreoffice calc, Excel, etc.). ● Procesadores de textos, que permiten el tratamiento de textos, por ejemplo Openoffice Writer, Libreoffice writer, Word, etc. ● Bases de datos, que permiten el almacenamiento de cantidades de datos estructurados (como ser archivos bibliográficos, etc.), por ejemplo Libreoffice base, Access, etc. ● Graficadores, que permiten construir todo tipo de gráficos o diagramas, por ejemplo Gimp, Corel Draw, etc. 13
- 14. 2.2.2.2. El Software específico Es aquél que se elabora a la medida de las necesidades de un usuario en particular. Se elaboran tantos programas como sean necesarios para la solución de problemas concretos (facturación, gestión de cuentas corrientes, control de stock, liquidación de sueldos, etc.) 2.2.2.3. Cuadro comparativo de software libre y propietario Para diferenciar y hacer una distinción entre software libre y software propietario se les presenta cuadros que categorizan diferentes programas según si son libres o propietarios. 14