5.6 ESTRUCTURA BÁSICA DE UN ORDENADOR. TERMINOLOGÍA

Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. 5.6 ESTRUCTURA BÁSICA DE UN ORDENADOR. TERMINOLOGÍA INFORMÁTICA Las aeronaves modernas utilizan sofisticados sistemas de aviónica que necesitan de sistemas de computación basados en microprocesadores. Estos sistemas combinan hardware y software para procesar grandes cantidades de datos en poco tiempo. A continuación se representan los componentes básicos de un sistema computacional (ordenador). Figura 5.6.1 Componentes básicos de un ordenador. En este sistema se pueden observar los siguientes componentes: ™ Unidad Central de Proceso – CPU – Central Processing Unit. ™ Memoria Sólo de Lectura – ROM ‐Read Only Memory ™ Memoria de Acceso Aleatorio (Lectura y Escritura) – RAM – Random Access Memory ™ Dispositivo de Entrada/Salida – I/O – Input/Output Device. En este sistema las funciones de la CPU son proporcionadas por microprocesador integrado a gran escala (VLSI) también conocido como chip. Este chip es equivalente a miles de transistores individuales. Aunque las 2 memorias representadas son de acceso aleatorio, el término “RAM” se ha convertido en sinónimo de memoria de lectura/escritura. Las memorias son dispositivos semiconductores. Los componentes principales del sistema están conectados mediante un sistema de multi‐cableado conocido como “bus”. Los 3 diferentyes que se representan son: ™ Bus de Direcciones: utilizado para especificar las localizaciones de la memoria. ™ Bus de Datos: en el cual los datos son transferidos entre los dispositivos. ™ Bus de Control: que proporciona la temporización y las señales de control a través del sistema. Página 1 – Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. Los microprocesadores diseñados para aplicaciones de control e instrumentación utilizan normalmente un bus de datos de 8 bits y un bus de direcciones de 16 bits. Finalmente, una señal de reloj proporciona el tiempo de referencia para sincronizar la transferencia de datos dentro del sistema. El reloj consiste normalmente en tren de pulsos de onda cuadrada a muy alta frecuencia derivados por un cristal de cuarzo. En el diagrama adjunto, ¿que elemento es “R2”: a.‐ ROM. b.‐ I/O. c.‐ CPU. d.‐ RAM. En el diagrama anterior, la “ROM” se encuentra marcada como: a.‐ R0. b.‐ R1. c.‐ R2. d.‐ P. Continuando con el diagrama anterior, ¿cual es el Bus de Direcciones? a.‐ H. b.‐ G. c.‐ F. d.‐ Y. ¿Cuál de los siguientes buses especifica las localizaciones de memoria? a.‐ Bus de Control. b.‐ Bus de Datos. c.‐ Bus de Direcciones. d.‐ Bus Paralelo. ALMACENAMIENTO DE DATOS La memoria ROM proporciona almacenamiento para el código del programa, así como para cualquier dato que requiera almacenamiento permanente. Este tipo de memoria se denomina como no‐volátil, ya que sus datos no se borran cuando se desconecta la energía. Página 2 – Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. La memoria RAM proporciona almacenamiento para los datos transitorios y variables que son utilizadas por los programas. También parte de esta RAM es utilizada por el microprocesador para almacenamiento temporal de datos mientras realiza sus tareas de procesamiento normal. Otra característica es que todos los datos almacenados en una memoria RAM se pierden cuando la energía se pierde o se desconecta (memoria volátil). Aunque existe una excepción, la CMOS RAM, la cual se mantiene mediante una pequeña batería para retener los datos de fecha y hora. Para expresar la cantidad de almacenamiento que proporciona una memoria se utilizan las unidades de Kilobytes (Kbyte). Recalcar que 1 Kbyte de memoria es 1024 bytes (no 1000 bytes), esto es así por que 1024 es una potencia de 2 (210 = 1024). La capacidad se especifica en términos del número de bits almacenados en cada dirección. Por ejemplo, 2K x 8 bit (es una capacidad de 2 Kbytes), 6K x 8 bits (capacidad 6 Kbytes). Nota: Recordar que 1 byte = 8 bits La memoria RAM se puede dividir en 2 tipos: memoria estática (SRAM) y memoria dinámica (DRAM). La memoria dinámica requiere un periodo de refresco para no perder los datos, mientras que la estática no lo necesita. Hemos dicho que la memoria ROM no se borra cuando se desconecta el sistema, por eso en este tipo de memorias se introducen datos permanentes como los necesarios para el arranque del sistema, los cuales tienen que estar disponibles siempre que se comienza desde cero. Pero debido a que los sistemas se encuentran en continuo desarrollo, existen versiones de memorias ROM que se pueden borrar para reintroducir datos más actuales, estas son las EPROM (Erasable ROM). Estas memorias se fabrican con una pequeña ventana, que permite llegar a la luz hasta la matriz del semiconductor. Así aplicando una fuerte luz ultravioleta durante varios minutos esta memoria se queda en blanco y puede ser reprogramada. Más actual es la EEPROM (Electrically Erasable ROM) que como su nombre indica puede ser borrada eléctricamente (también denominada “Flash memory”), podríamos pensar que estas memorias son capaces de sustituir a las RAM, pero tienen algunas desventajas como que el proceso de escritura consume mucho tiempo en las EEPROM (1000 veces más lento que el proceso de lectura) y al ser de reciente aparición son más caras. ¿Cuál de las siguientes memorias se puede borrar y regrabar? a.‐ ROM. b.‐ EPROM. c.‐ Flash. d.‐ RAM. ¿Cuál de las siguientes memorias es volátil? a.‐ ROM. b.‐ EPROM. c.‐ EEPROM. d.‐ RAM. ¿Cuál de las siguientes memorias necesita un periodo de refresco para no perder los datos? Página 3 – Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. a.‐ ROM. b.‐ EPROM. c.‐ SRAM. d.‐ DRAM. ¿Cuántos dispositivos de memoria de 16x4bit necesitamos, si se requieren 32 K de almacenamiento? a.‐ 2. b.‐ 4. c.‐ 6. d.‐ 8. PROGRAMAS Y SOFTWARE Un programa es una secuencia de instrucciones que le dicen al ordenador que operación en particular tiene que realizar. Una instrucción comprende un único patrón de dígitos binarios. Así podemos tener un fragmento de programa como el siguiente: 10111000 00000001 00000000 10111011 00000010 00000001 11011000 10001001 11000001 11110100 Esto es lo que el ordenador lee y entiende pero para el ser humano es duro de leer y comprender, así que se nos ocurrió pasarlo a otro sistema, por ejemplo el decimal (menos mal que lo hemos estudiado), quedándonos de la siguiente forma: 184, 1, 0, 187, 2, 0, 1, 216, 137, 193, 244 Así está muchísimo más claro, aunque todavía nos puede llevar a errores. Y si lo pasamos a hexadecimal; para ello recordamos que debemos dividir los 8 bits en grupos de 4 bits, tal que: 1011 = B y 1000 = 8 (esto sería la primera secuencia). 0000 = 0 y 0001 = 1 (la segunda secuencia) y así sucesivamente nos quedaría: B8, 01, 00, BB, 02, 00, 01, D8, 89, C1, F4 Esto último es lo que se denomina lenguaje máquina o de bajo nivel. Los lenguajes de programación que se utilizan para hacer más inteligibles estas instrucciones (como por ejemplo el “fortran”) son de alto nivel, por encontrarse más alejados del lenguaje máquina. Página 4 – Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. Como programa principal (incorporado en la ROM o Flash) sin el que no se podría arrancar un ordenador, tenemos el sistema básico de entrada/salida BIOS (Basic Input‐Output System), que es un código de interfaz que localiza y carga el sistema operativo en la RAM; es un software muy básico instalado en la placa base que permite que ésta cumpla su cometido (el propósito es activar una máquina desde su encendido y preparar el entorno para la instalación de un Sistema Operativo complejo). Proporciona la comunicación de bajo nivel, el funcionamiento y configuración del hardware del sistema que, como mínimo, maneja el teclado y proporciona salida básica (emitiendo pitidos normalizados por el altavoz de la computadora si se producen fallos) durante el arranque. El “hardware” corresponde a todas las partes físicas y tangibles de una computadora, sus componentes eléctricos, electrónicos, electromecánicos y mecánicos; contrariamente al soporte lógico intangible que es llamado “software”, estos componentes lógicos incluyen, entre otros, aplicaciones informáticas tales como procesador de textos, que permite al usuario realizar todas las tareas concernientes a edición de textos; software de sistema, tal como un sistema operativo, el que, básicamente, permite al resto de los programas funcionar adecuadamente, facilitando la interacción con los componentes físicos y el resto de las aplicaciones. El “firmware” es aquello que esta integrado en la electrónica de los dispositivos, luego es en parte hardware, pero también es software, ya que proporciona lógica y se dispone en algún tipo de lenguaje de programación. La BIOS es firmware. ¿Qué comprende un único patrón de dígitos binarios? a.‐ Un programa. b.‐ Una instrucción. c.‐ El lenguaje máquina. d.‐ El código de bajo nivel. ¿Qué activa la máquina desde su encendido y prepara los periféricos esenciales? a.‐ La CPU. b.‐ La BIOS. c.‐ El dispositivo I/O. d.‐ El Reloj. ¿Cómo se denomina al soporte lógico intangible? a.‐ Software. b.‐ Hardware. c.‐ Firmware. d.‐ BIOS. TECNOLOGÍA INFORMÁTICA APLICADA A SISTEMAS DE AERONAVES Backplane bus systems: Página 5 – Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. Actualmente los computadores utilizados en las aeronaves cada vez son más sofisticados llegando a utilizar procesadores de 32 y 64 bits capaces de manipular grandes cantidades de datos en muy poco tiempo. Así que muchos sistemas de aviónica pueden necesitar varios procesadores operando simultáneamente, grandes memorias y complejos dispositivos de entrada –salida I/O. Con el fin de manejar todos estos dispositivos, los sistemas de aviónica utilizan el “backplane bus”, que consiste en un número de idénticas tarjetas montadas en un bastidor y unidas entre ellas por la parte de atrás del bastidor mediante pistas incorporadas en el circuito impreso de las tarjetas. Esta forma de bus proporciona un medio de enlazar los componentes de muchos subsistemas de un gran sistema de computadores. Cada componente de un subsistema consiste en una tarjeta PCB (Printed Circuit Board) y un número de dispositivos VLSI. VME bus: Uno de los sistemas de bus local más utilizados en las aeronaves es el VersaModule Eurocard (VME). Es un estándar de trabajo con una arquitectura de bus paralelo con 8, 16 y 32 bits, capaz de soportar un único procesador o múltiples procesadores. Este bus proporciona una rápida transferencia utilizando 2 conectores DIN41612 en cada tarjeta para proporcionar acceso a todo el bus de 32 bits. Como ejemplo de los sistemas de computadores de las aeronaves citaremos el Reloj del ordenador: Los relojes del piloto y del copiloto se requieren para proporcionar diversas funciones, no sólo para indicar la hora. Recordemos que esta alimentado por lo 28V DC de la batería y sus funciones son: ™ Continúa representación de la hora GMT (Greenwich Mean Time). ™ Representación del tiempo transcurrido (seleccionado por el piloto o copiloto). ™ Salida de GMT al FMC (Flight Management Computer) mediante el bus ARINC 429. Nota: Los actuales aviones hacen extensivo el uso de sistemas de computadores. Algunos de estos sistemas están basados en el uso de único procesador junto con sus dispositivos de soporte conectados en una disposición de bus local. Sistemas más complejos utilizan un “backplane bus” en el cual múltiples procesadores tienen acceso compartido a los dispositivos del sistema. La interconexión e intercambio de datos entre varios sistemas de computadores de aviónica esta basada en la utilización de estándares de buses serie como ARINC 429, ARNC 629 Y ARINC 717. El estándar “VME bus”utiliza: a.‐ 1 conector DIN 41612. b.‐ 2 conectores DIN 41612. c.‐ 4 conectores DIN 41612. d.‐ 3 conectores DIN 429. Página 6 –