El ordenador y la información

E. U. Politécnica
Ingeniería Técnica Industrial
FUNDAMENTOS DE INFORMÁTICA
TEMA 1
EL ORDENADOR Y LA INFORMACIÓN
1. Definición, elementos y aplicaciones de la informática
2. Representación de la información
2.1. Proceso de codificación. Códigos de E/S
2.2. Sistemas de numeración usuales en informática
2.3. Tipos de información y su representación
3. Estructura funcional de un ordenador
4. Clasificación de los ordenadores
5. Informes propuestos en este tema
Desde sus orígenes, el hombre ha tenido necesidad de la información. Esta información,
que en principio se recogía de forma oral, con la aparición de la escritura, comenzó
almacenarse en medios que evolucionaron desde las tablillas hasta el papel, pasando por
los papiros y los pergaminos. También los medios de transmisión han ido
evolucionando desde la transmisión oral, buena para distancias cortas, hasta la
transmisión a grandes distancias por cables utilizando código Morse o la propia voz
mediante el teléfono.
Se puede decir que el tratamiento de la información es tan antiguo como el hombre y se
ha ido potenciando y haciendo más sofisticado con el transcurso del tiempo hasta llegar
a la era de la electrónica. El hombre no ha parado a lo largo de la historia de crear
máquinas y métodos para procesar la información. Para facilitar esta tarea, en especial
en el mundo actual, donde la cantidad de información que se procesa a diario es ingente,
surge la informática.
1.
DEFINICIONES
BÁSICAS,
ELEMENTOS
APLICACIONES DE LA INFORMÁTICA
Y
El término Informática proviene de la unión de las palabras INFORmación y
autoMÁTICA. De una forma muy general podemos decir que la informática se ocupa
del tratamiento automático de la información. Concretando más, podemos definir
Informática como la ciencia o conjunto de conocimientos científicos que permiten el
tratamiento automático de la información por medio de ordenadores.
Como se puede observar, en la definición anterior de Informática, intervienen dos
palabras clave:
• Información, y
• ordenador.
Por información se entiende cualquier conjunto de símbolos que represente hechos,
objetos o ideas.
Un ordenador o computadora es básicamente una máquina compuesta de una serie de
circuitos electrónicos que es capaz de recoger unos datos de entrada, efectuar con ellos
ciertos cálculos, operaciones lógicas y operaciones aritméticas y devolver los datos o
información resultante por medio de algún medio de salida. Todas estas acciones las
realiza la computadora sin necesidad de intervención humana y por medio de un
programa de instrucciones previamente introducido en ella.
Si tenemos en cuenta esta definición de computadora podemos redefinir el concepto de
Informática como la ciencia que abarca todos los aspectos del diseño y uso de las
computadoras.
El ordenador se diferencia del resto de las máquinas con capacidad de tratar
información (por ejemplo, una calculadora básica o una máquina de escribir) en lo
siguiente:
•
•
•
•
•
•
Gran velocidad de tratamiento de la información.
Gran potencia de cálculo aritmético y lógico.
Capacidad para memorizar los programas y datos necesarios para resolver
cualquier problema técnico o de gestión.
Capacidad de comunicación con las personas y con otras máquinas y
dispositivos para recibir o transmitir datos.
Posibilidad de tratamiento de datos en tiempo real.
Actúa sin intervención de un operador humano y bajo el control de un
programa previamente almacenado en la propia computadora.
Desde el punto de vista informático, existen
instrucciones.
dos
tipos de información: Datos e
Los datos son conjuntos de símbolos que utilizamos para expresar o representar un
valor numérico, un hecho, un objeto o una idea, en la forma adecuada para su
tratamiento. Como se puede ver, este concepto es bastante más amplio que el utilizado
en otras disciplinas como la Física o las Matemáticas, ya que en Informática un dato no
es sólo una temperatura o una longitud, sino que también se entiende como dato una
matrícula, una dirección, un nombre, etc. Estos datos los puede obtener el ordenador
directamente mediante mecanismos electrónicos (detectar sonidos, temperaturas,
contornos, imágenes, ...) o pueden ser introducidos mediante grafismos (letras y
números) que es el medio más utilizado (lenguaje escrito). Cualquier información (datos
e instrucciones) se puede introducir al ordenador mediante caracteres (letras, dígitos,
signos de puntuación, ...).
Generalmente el ordenador devolverá la información utilizando también esta forma
escrita.
Las instrucciones le indican a la computadora qué es lo que debe realizar y los datos
son los elementos sobre los que actúan o que generan las instrucciones.
Visto esto, una computadora la podemos ver como un sistema que tiene como entradas
datos e instrucciones y produce en función de éstos unos determinados resultados. El
funcionamiento básico de un ordenador se podría describir así:
¿Cuáles son las razones que de alguna forma han obligado a la automatización del
tratamiento de la información?
Las principales son:
1. A veces es necesario realizar funciones que el hombre puede abordar por sí
mismo, pero que le llevarían mucho tiempo, como por ejemplo, cálculos
complejos como los necesarios para el seguimiento y control de naves espaciales
(cálculos en tiempo real).
2. Es necesario realizar funciones que el hombre, por sí solo no pude cubrir, como
por ejemplo, las comunicaciones a larga distancia.
3. Es necesario obtener seguridad en algunas tareas, sobre todo en las de tipo
repetitivo en las que el hombre es más propenso a cometer errores . Sin
embargo, las máquinas, una vez que se les ha enseñado cómo realizar las tareas
correctamente, repiten el proceso una y otra vez sin cometer ningún error.
4. Se puede sustituir al hombre en las tareas monótonas. Este tipo de tareas no
implican el desarrollo de su actividad intelectual, con lo que al automatizarlas, el
hombre puede dedicar su esfuerzo a funciones más decisivas e importantes.
La informática consta de dos elementos básicos e imprescindibles:
•
HARDWARE o soporte físico: Son todos los elementos tangibles y materiales
de la informática: teclado, pantalla, tarjetas de expansión, periféricos de todo
tipo, circuitos integrados, transistores, cables, la CPU, ...
• SOFTWARE o soporte lógico: Es la parte intangible e inmaterial de la
informática. En general los hay de dos tipos: Programas y datos. Los programas
son listas de instrucciones que el ordenador podrá ejecutar y los datos serán
sobre los que actúen los programas (números, direcciones, nombres...).
Dentro de los programas hay un tipo muy particular que son los SISTEMAS
OPERATIVOS (S.O.). Un S.O. es un programa que nos ayuda y simplifica el
manejo de un ordenador. Muy básicamente, un S.O. tiene dos tareas
primordiales:
- Interfaz hombre-máquina: Nos ayuda a comunicarnos con la máquina de
forma cómoda y eficiente.
-
Administrador de recursos: Gestiona la administración de todos los
recursos de los que conste el ordenador de forma que estos recursos estén
aprovechados al máximo, optimizando en lo posible su rendimiento. Por
recursos se entiende la memoria, discos, impresoras, CPU...
Hay muchos tipos de S.O. entre los que destacan la familia Windows de
Microsoft y los S.O. tipo UNIX que destacan por su robustez, tolerancia a fallos
y buena gestión de los recursos. Entre los de tipo UNIX hay uno, llamado
LINUX, que es un S.O. gratuito para microordenadores PC. Hay que destacar la
gran cantidad de programas que hay escritos para el S.O. LINUX.
Dentro de las aplicaciones de la informática es difícil citar un área de conocimiento en
la que la informática no pueda ser aplicada para solventar o ayudar a solventar algún
problema concreto. En general, la informática se ha aplicado a las siguientes áreas:
•
•
•
•
Investigación: Muy aplicada por su rapidez en efectuar cálculos matemáticos. Se
usa para resolución de ecuaciones y problemas en general, análisis automático
de textos, simulación del comportamiento de sistemas complejos, análisis
numérico...
Aplicaciones técnicas y sanitarias: La informática es muy útil para ayudar a los
ingenieros a diseñar circuitos u otro tipo de estructuras (edificios...) a través de
programas de C.A.D. (Computer Aided Design, Informática aplicada al diseño)
y C.A.M. (Computer Aided Manufacturing, Informática aplicada a la
fabricación). También es muy útil aplicada a la robótica, y en áreas médicas
principalmente a través de los Sistemas Expertos.
Gestión: Muy aplicada en la rama administrativa para operaciones típicas como
gestión de la contabilidad, de stock, de nóminas, facturación, Bases de Datos en
general...
Otras aplicaciones: Destacan aplicaciones como agendas, procesadores de
textos, hojas de cálculo, juegos, arte (composición musical, dibujo, cine...),
enseñanza, conexión con redes, aplicaciones de RV (Realidad Virtual)...
2. REPRESENTACIÓN DE LA INFORMACIÓN
2.1. Proceso de codificación. Códigos de E/S
Dentro de la computadora la información se almacena y se transmite en base a un
código que sólo usa dos símbolos, el 0 y el 1, y a este código se denomina código
binario. El BIT (BInary digiT, dígito binario) es la unidad elemental de información
que equivale a un valor binario (0 ó 1) y constituye, dentro de una computadora la
capacidad mínima de información. El bit, como unidad de información mínima,
representa la información correspondiente a la ocurrencia de un suceso de entre dos
posibilidades distintas. Así, la información (datos e instrucciones) se transfiere a través
de impulsos que la codifican, o sea, que los ceros (0) y los unos (1) no son más que
impulsos eléctricos con una determinada tensión o voltaje ( por ejemplo 3.3 voltios para
el 1 y 0 voltios para el 0). Y son esos cambios de tensión los que circulan por los
circuitos y chips del ordenador.
Por el contrario, el mundo de la información manejada por el hombre es
mayoritariamente de texto y de cifras escritas. Por tanto, la información normalmente se
le da al ordenador en la forma usual escrita que utilizan los humanos, es decir, con
ayuda de un alfabeto o conjunto de símbolos, los caracteres. Los caracteres que se
utilizan son:
•
•
•
Numéricos: Constituidos por las diez cifras decimales
Alfabéticos: Letras mayúsculas y minúsculas
Especiales: Son símbolos no incluidos en los grupos anteriores, como: ), (, *, /,
+, -, [, ]...
Al conjunto de estos grupos se le denominan caracteres alfanuméricos. Veremos
cómo estos caracteres son representables en los ordenadores. Este paso de una
representación a otra se denomina codificación y el proceso inverso decodificación.
Más formalmente, podemos decir que la codificación es una transformación que
representa los elementos de un conjunto mediante los de otro, de tal forma que a cada
elemento del primer conjunto le corresponde uno distinto del segundo. Dos
características importantes de los códigos son que nos permiten comprimir y estructurar
la información.
En la entrada y en la salida de la computadora se realizan automáticamente los cambios
de código que sean necesarios, de forma que la información pueda ser entendida
fácilmente por los usuarios. Esos códigos de transformación se denominan códigos de
entrada/salida (E/S) o códigos externos y se pueden definir de forma arbitraria. En
general, un código de E/S es una correspondencia entre el conjunto de todos los
caracteres:
{A, B, C, D,...Z, a, b, c,...z, 0, 1,...9, /, +,...}
y el conjunto binario:
{0, 1}n , donde n es el número de bits que se utilizan para la representación
de forma que a cada elemento del primero le corresponda un elemento distinto del
segundo.
El punto importante aquí será conocer el número de caracteres que se van a codificar.
Obviamente, para codificar un alfabeto con más de 2 símbolos necesitamos más de un
bit. Por ejemplo, para codificar 4 símbolos necesitaremos como mínimo 2 bits, ya que 22
=4. De esta forma, cada posible combinación de 2 bits (ceros y unos) corresponderá a
un carácter o símbolo. En general, si queremos codificar m símbolos distintos
necesitaremos n bits, que se calculan del siguiente modo:
2n ≥ m
Por ejemplo, para codificar los 10 dígitos (0,1,2,...,9) necesitaremos 4 bits, ya que con 3
bits podremos representar sólo 23 =8 símbolos distintos, mientras que con 4 podremos
representar 24 = 16. Dos codificaciones posibles son las siguientes:
Símbolos
0
1
2
Código 1
0000
1000
0100
Código 2
0000
0001
1001
3
4
5
6
7
8
9
1100
0010
1010
0110
1110
0001
1001
1000
0101
0100
1100
1101
0011
0010
Pueden hacerse codificaciones con más bit de los necesarios; es decir, podríamos
establecer códigos de E/S de forma totalmente aleatoria. Obviamente existen códigos
normalizados que suelen ser utilizados por los constructores de ordenadores. Algunos
de estos códigos son:
•
BCD DE INTERCAMBIO NORMALIZADO. Usualmente este código utiliza 6
bit, con lo que se pueden representar, m = 26 = 64 caracteres. A veces se añade a su
izquierda un bit adicional para verificar posibles errores en la transmisión del código
de forma que el carácter queda representado por n = 7 bit.
•
CODIGO EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange). Utiliza n =
8 para representar cada carácter, pudiendo codificar hasta m = 28 = 256 símbolos
distintos.
•
CODIGO ASCII (American Standard Code for Information Interchange).
Utiliza 7 bit y es de los más utilizados. Normalmente se incluye un octavo bit para
detectar posibles errores de transmisión o grabación. Si el octavo bit se emplea para
representar más caracteres como letras griegas y símbolos semigráficos, se tiene el
denominado ASCII extendido, usado en el PC de IBM y compatibles.
Resumiendo todo lo anterior diremos que la información que manejamos los seres
humanos se representa por caracteres (letras mayúsculas y minúsculas, números, ...),
internamente estos caracteres se representan utilizando el código binario, es decir, con
bits; esto quiere decir que a cada posible carácter le corresponde una secuencia de bits.
Un byte (octeto o caráter) es el número de bits necesarios para almacenar un carácter
alfanumérico. Este número va a depender del código concreto usado por la
computadora, aunque generalmente se usan 8, esto es, podemos asumir que un byte
equivale a 8 bits.
La capacidad de almacenamiento de una computadora o de un soporte físico (como un
disco) se suele dar en bytes o en unidades superiores (múltiplos), ya que el byte es una
unidad relativamente pequeña. Los principales múltiplos del byte son:
1 Kilobyte (KB): 210 bytes.
1 Megabyte (MB): 210 KB = 220 bytes.
1 Gigabyte (GB): 210 MB = 230 bytes.
1 Terabyte (TB): 210 GB = 240 bytes.
2.2. Sistemas de numeración usuales en informática
Las operaciones aritméticas con datos numéricos se suelen realizar en una
representación más adecuada para este objetivo que la del código de E/S. Por ello en el
propio ordenador se efectúa una transformación entre códigos binarios, obteniéndose
una representación fundamentada en el sistema de numeración en base dos, que al ser
una representación numérica posicional es muy apta para realizar operaciones
aritméticas. También se utilizan los sistemas de numeración octal y hexadecimal, para
obtener códigos intermedios. Un número expresado en uno de estos códigos puede
transformarse a binario y viceversa.
2.1.1 Representación posicional de los números
Se define un sistema de numeración: como el conjunto de símbolos y reglas que se
utilizan para la representación de cantidades. En ellos existe un elemento característico
que define el sistema y se denomina base, siendo ésta el número de símbolos que se
utilizan para la representación.
Un sistema de numeración en base "b" utiliza para representar los números un alfabeto
compuesto por b símbolos o cifras. Así todo número se expresa por un conjunto de
cifras, teniendo cada una de ellas dentro del número un valor que depende:
•
•
De la cifra en sí
De la posición que ocupe dentro del número
En el sistema de numeración decimal (base 10), que habitualmente se utiliza, b = 10 y el
alfabeto por tanto, está constituido por 10 símbolos: {0, 1, 2..., 9}. Así, el número
5238.79 puede obtenerse como:
5238.79 = 5 103 + 2 102 + 3 101 + 8 100 + 7 10-1
+ 9 10-2
Generalizando, dado el número ... n4 n3 n2 n1 n0. n-1 n-2 ..., representado en un
sistema de numeración en base b, su valor es:
N = ...+ n4 b4 + n3 b3 + n2 b2 + n1 b1 + n0 b0 + n-1 b-1 + n-2 b-2 +...
(Expresión 1)
2.1.2. Sistema de numeración en base dos o binario
Es el sistema empleado por los ordenadores. En el sistema de numeración binario b=2 y
el conjunto de símbolos usados es: {0, 1}.
A) Transformaciones entre bases binaria y decimal.
Se puede transformar un número binario a decimal sin más que usar la expresión 1
vista anteriormente con b=2.
Ejemplos:
110100)2
10100.001)2
=
=
52)10
20.125)10
Basta con sumar los pesos (2n) de las posiciones (n) en las que hay un 1.
Para transformar un número decimal a binario se aplica el Método de las
"divisiones y multiplicaciones". Este método consiste en aplicar divisiones sucesivas
para la parte entera y multiplicaciones sucesivas para la parte decimal, de la siguiente
forma:
•
Parte entera: Se divide el número entero N por la base b (en este caso 2) guardando
el resto y dividiendo el cociente de nuevo por la base procediendo de la misma
forma. En cada paso se guardará el resto y se dividirá el cociente por la base hasta
que el cociente sea menor que la base (1 en este caso). Entonces, el número N en
base 10, convertido a base b es el que se número que se obtiene tomando el último
cociente (1) y los restos sucesivos en orden inverso.
•
Parte decimal: Se multiplica la parte decimal M (con la parte entera igual a cero)
por la base b (en este caso 2) guardando la parte entera del resultado. La parte
decimal se multiplicará de nuevo por la base procediendo de la misma forma. En
cada paso se guardará la parte entera y se multiplicará la parte decimal por la base
hasta que la multiplicación no tenga decimales. Entonces, la parte decimal M en
base 10, convertida a base b es el número que se obtiene tomando las partes enteras
obtenidas de las anteriores multiplicaciones y en el mismo orden. Con el siguiente
ejemplo se verá más claro.
- Ejemplo:
26.1875)10
Para la parte entera:
Para la parte fraccionaria:
0.1875
× 2
0.3750
=
11010.0011)2
26 |2
0 13 |2
1 6 |2
0 3
1
0.3750
× 2
0.7500
|2
1
0.7500
× 2
1.5000
0.5000
× 2
1.0000
B) Operaciones aritméticas y lógicas con variables binarias
Las operaciones aritméticas en binario son efectuadas de forma similar a como se
realizan cotidianamente en base 10. Las operaciones básicas son las siguientes:
Suma:
0
0
1
1
Producto:
0 × 0 = 0
0 × 1 = 0
1 × 0 = 0
+
+
+
+
0
1
0
1
=
=
=
=
0
Resta:
1
1
0 y me llevo 1 (10)
División:
0
0
1
1
-
0
1
0
1
=
=
=
=
0
1 y debo 1
1
0
0 : 0 = indeterminado
0 : 1 = 0
1 : 0 = infinito
1 × 1 = 1
Ejemplos:
111
+ 011
1010
1 : 1 = 1
111
- 011
100
101
× 10
000
+ 101_
1010
11010 : 10 = 1101
01001 : 11 = 11
Las operaciones booleanas u operaciones lógicas son efectuadas siempre con variables
binarias. Los valores de estas variables pueden ser TRUE (1) y FALSE (0). Los
operadores básicos son los operadores binarios suma lógica (OR) y producto lógico
(AND) y el operador unario de negación lógica (NOT), y sus tablas de verdad son:
OR:
0 OR 0 = 0
0 OR 1 = 1
1 OR 0 = 1
1 OR 1 = 1
AND: 0 AND 0 = 0
0 AND 1 = 0
1 AND 0 = 0
1 AND 1 = 1
NOT: NOT(0) = 1
NOT(1) = 0
Las operaciones lógicas se efectuan bit a bit. Ejemplos:
1100 AND 1010 = 1000
1100 OR 1010 = 1110
NOT (1010) = 0101
Existen otros operadores lógicos que se forman en función de estos tres básicos, como
son, entre otros, NAND (NOT AND), NOR (NOT OR), XOR (eXclusive OR). Sus
tablas de verdad son:
NOR: 0 NOR 0 = 1
0 NOR 1 = 0
1 NOR 0 = 0
1 NOR 1 = 0
NAND:0 NAND 0 = 1
0 NAND 1 = 1
1 NAND 0 = 1
1 NAND 1 = 0
XOR: 0 XOR 0 = 0
0 XOR 1 = 1
1 XOR 0 = 1
1 XOR 1 = 0
2.1.3. Códigos intermedios: Octal y hexadecimal
Los códigos intermedios se basan en la facilidad de transformar un número en base 2 a
otra base que sea potencia de 2 y viceversa. Usualmente se usan como códigos
intermedios los sistemas de numeración en base 8 y en base 16 (conocidos como octal y
hexadecimal).
Sistema de numeración en base 8 u octal.
En este sistema de numeración b = 8 y el conjunto de símbolos necesarios son los
siguientes: {0,1,2,3,4,5,6,7}.
- Conversión de octal a decimal.
- Aplicar la expresión 1 para b = 8.
- Ejemplo:
123)8 = 64 + 16 + 3 = 83)10
- Conversión de decimal a octal.
- Usar el método "divisiones y multiplicaciones" con divisor y multiplicador 8.
- Conversión “rápida” de binario a octal.
- Agrupar cifras binarias de 3 en 3 y transformar mediante la Tabla 1. Se
añadirán los ceros necesarios a la izquierda en la parte entera y a la derecha en
la parte decimal.
- Ej: 10001101100.11010)2 = 010 001 101 100.110 100)2 = 2154.64)8
Decimal
(u octal)
Binario
0
000
1
001
2
010
3
011
4
100
5
101
6
110
7
111
Tabla 1: Todos los números binarios con 3 bits.
- Conversión “rápida” de octal a binario.
- Convertir cada cifra octal mediante la tabla 1.
- Ejemplo:
1537.274)8 = 1101011111.0101111)2
Sistema de numeración en base 16 o hexadecimal.
En este sistema de numeración intermedio b = 16 y el conjunto de símbolos necesarios
es {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F}. Las letras pueden también usarse en minúsculas,
aunque no es lo usual.
- Conversión de hexadecimal a decimal: Aplicar la expresión 1 para b = 16.
- Conversión de decimal a hexadecimal.
- Usar método de "divisiones y multiplicaciones" con divisor y multiplicador 16.
Decimal
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Hexadecimal
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
Binario
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
13
14
15
D
E
F
1101
1110
1111
Tabla 2: Cifras hexadecimales en decimal y binario.
- Conversión “rápida” de binario a hexadecimal.
- Agrupar cifras binarias de 4 en 4 y transformar mediante la Tabla 2.
- Ejemplo:
010010111011111.1011101011)2 = 25DF.BAC)H
- Conversión “rápida” de hexadecimal a binario.
- Convertir cada cifra hexadecimal mediante la tabla 2
- Ejemplo:
1ABC.C4)H = 0001101010111100.11000100)2
expr. 1
Binario
grupos
3 bits
Decimal
Octal
"d y m"
"d y m"
expr. 1
expr. 1
Binario
grupos
4 bits
Decimal
Hexadecimal
"d y m"
"d y m"
expr. 1
2.3.Tipos de información y su representación
En un sistema de procesamiento de la información es necesaria la codificación de dos
clases de información:
1. Información numérica: Enteros, Reales.
2. Información no numérica (o alfanumérica): Caracteres.
Los datos se introducen inicialmente en el ordenador según un código de entrada/salida
(que ya hemos visto), tanto si éstos son de tipo alfabético como de tipo numérico. Los
datos de tipo numérico se utilizan normalmente para operar aritméticamente con ellos, y
la representación simbólica obtenida con el código de E/S no resulta adecuada para
realizar este tipo de operaciones. Resulta más adecuado operar en un sistema de
numeración que en un código de E/S. Por tanto, se realiza una conversión de notaciones
pasando de la representación simbólica de E/S a otra notación más adecuada para los
números que veremos a continuación.
A) Representación de enteros
Se realiza del siguiente modo:
a) El signo se representa en el bit situado más a la izquierda de la palabra. Este bit
es 0 si el número es positivo ó 1 si el número es negativo.
b) El valor absoluto:
•
•
Números positivos: Se almacenan directamente el número en binario
natural.
Números negativos: Dependiendo del ordenador se almacena el
complemento a 2 del número binario natural o la magnitud del número
en binario natural. El complemento a 2 de un número binario se
consigue cambiando los unos por ceros y los ceros por unos y luego
sumándole 1. Ej. Tenemos el número en base dos: 11010010, su
complemento a 2 es 00101101 + 1 = 00101110).
Ejemplo de representación interna de datos de tipo entero en un ordenador de palabras
de 4 bit:
DECIMAL
SIGNO
Y COMPLEMEN
MAGNITUD
TO A 2
7
0111
0111
6
0110
0110
5
0101
0101
4
0100
0100
3
0011
0011
2
0010
0010
1
0001
0001
+0
0000
0000
-0
1000
----1
1001
1111
-2
1010
1110
-3
1011
1101
-4
1100
1100
-5
1101
1011
-6
1110
1010
-7
1111
1001
-8
----1000
D) Representación en punto flotante
El punto flotante surge de la necesidad de representar números reales y enteros con un
rango de representación mayor que el que ofrece la representación antes descrita y
posibilitar al ordenador el tratamiento de números muy grandes y muy pequeños. Estas
ventajas que ofrece el punto flotante traen como contraprestación una disminución en la
precisión de los números representados. En su representación se utiliza la notación
científica o exponencial matemática en la que una cantidad se representa de la siguiente
forma: n° = mantisa * base de exponenciación exponente .Un número en esta notación tiene
infinitas representaciones, de las que se toma como estándar la denominada
normalizada, que consiste en que la mantisa no tiene parte entera y el primer dígito o
cifra a la derecha del punto decimal es significativo (distinto de 0), salvo en la
representación del número 0.
Ejemplo
835.4 = 8354*10-1 = 835.4 * 100 = 83.54 * 101 = 8.354 * 102 = .8354 * 103
Representación del número decimal 835.4 con base de exponenciación 10, siendo está
última expresión la que corresponde al número normalizado.
En este sistema de codificación, se dividen los bit disponibles en la palabra o doble
palabra del ordenador entre la mantisa y el exponente, teniendo una base de
exponenciación determinada (2 o potencia de 2). Normalmente la definición de la coma
flotante sigue las siguientes reglas:
•
El exponente se representa siempre como un número entero. También recibe el
nombre de característica.
•
La mantisa es un número real con el punto decimal implícito a la izquierda de
sus bits, representada normalmente en uno de los siguientes sistemas de
codificación: módulo y signo, complemento a 1 o complemento a 2. (El
complemento a 1 de un número binario se calcula cambiando ceros por unos y
unos por ceros).
•
La base de exponenciación es una potencia de 2 determinada por el fabricante
del equipo (2, 8 o 16).
Existen muchas formas de representación en punto flotante, variando la longitud de la
palabra del ordenador, la base de la exponenciación, el número de bits reservados para
la mantisa y para el exponente, el sistema utilizado para representar la mantisa y el
exponente, etc..
E) Datos de tipo carácter
Los datos de tipo carácter, representan sencillamente cadenas de caracteres
representados según el código de E/S. A las representaciones de los caracteres se les
imponen las siguientes condiciones:
•
•
•
•
Deben englobar las 26 letras del alfabeto latino, los 10 dígitos y un cierto
número de caracteres gráficos (operadores) y signos de puntuación.
Deben permitir añadir nuevos caracteres específicos.
Deben incluir un sistema de redundancia que permita la detección de errores en
el curso de la transmisión.
Los subconjuntos de letras y números deben estar ordenados y ser coherentes.
Estarán en dos grupos diferentes y ordenados.
3. ESTRUCTURA FUNCIONAL DE UN ORDENADOR
En la figura puede observarse el esquema funcional de un ordenador, el cual representa
en módulos distintos las funciones principales de un ordenador (según el esquema de
Von Neumann):
•
Unidad de Entrada: es el dispositivo por donde se introducen en la computadora
tanto datos como instrucciones. La información de entrada se transforma en señales
binarias de naturaleza eléctrica. Una misma computadora puede tener distintas
unidades de entrada. Por ejemplo: teclado, scanner, una unidad de disco,…
•
Unidad de Salida: es el dispositivo por donde se obtienen los resultados de los
programas que se están ejecutando en la computadora. En la mayoría de los casos se
transforman las señales binarias eléctricas en caracteres escritos o visualizados. Por
ejemplo: monitor, impresora, plotter, una unidad de disco.
La acción combinada de estos dos tipos de unidades (de entrada y de salida), hace que el
usuario de un ordenador sea ajeno a la forma en que éste representa la información.
De manera genérica, tanto a las unidades de entrada como a las de salida, se les
denomina periféricos.
•
Memoria: es la unidad donde se almacenan los datos y las instrucciones. En
función de la velocidad y también de la capacidad de almacenamiento podemos
distinguir dos tipos básicos de memorias:
o Memoria principal o central, es la más rápida y está estrechamente ligada a
las unidades funcionales más rápidas de la computadora (UC y ALU). Es la
unidad donde se almacenan tanto los datos como las instrucciones durante la
ejecución de un programa.
La memoria está constituida por una serie de posiciones numeradas
correlativamente, cada una de las cuales es capaz de almacenar un número
determinado de bits. A cada una de estas celdas se le denomina posición o
palabra de memoria. Cada palabra de memoria se identifica por un número,
su dirección, que indica la posición que ocupa en el conjunto. Si queremos
leer o escribir en una posición de memoria debemos dar su dirección. Por
eso se suele decir que la memoria principal es una memoria de acceso
directo ya que accedemos de forma directa al dato que necesitemos sin más
que dar su dirección. Por tanto, el tiempo de acceso a cualquier palabra de
memoria es independiente de la dirección o posición a la que se accede.
Dentro de la memoria principal podemos distinguir entre la memoria ROM
(Read Only Memory) y la RAM (Random Access Memory). La memoria
ROM sólo permite leer la información que contiene, pero no se puede
escribir en ella. Las memorias ROM no se borran cuando se les deja de
suministrar corriente. La memoria RAM es la memoria de lectura y escritura
en la que deben estar cargados nuestros programas y sus datos para poder
ejecutarse. En la memoria RAM se puede escribir y leer, pero la información
que contiene se pierde al dejarle de suministrar corriente (memoria volátil).
o Memoria auxiliar o secundaria. En contraste con la memoria principal, la
memoria auxiliar tiene una alta capacidad de almacenamiento, aunque el
tiempo de acceso es notoriamente superior (es más lenta). Los soportes
típicos de memoria auxiliar son los discos y cintas magnéticas, CD-ROM,
unidades ZIP, etc. Normalmente los programas y los datos se guardan en
disco, evitando el tener que reteclearlos (introducirlos por un dispositivo de
entrada) cada vez que queramos utilizarlos. La información almacenada en la
memoria auxiliar permanece indefinidamente mientras no deseemos borrarla.
•
Unidad Aritmético-Lógica (ALU): como su nombre indica se encarga de realizar
las operaciones aritméticas (sumas, restas, etc.) y las operaciones lógicas
(comparación, operaciones del álgebra de Boole binaria, etc).
•
Unidad de Control (UC): Esta unidad se encarga de controlar y coordinar el
conjunto de operaciones que hay que realizar para dar el oportuno tratamiento a la
información. Su función obedece a las instrucciones contenidas en el programa en
ejecución: detecta señales de estado que indican el estado de las distintas unidades,
y en base a estas señales y a las instrucciones que capta de la memoria principal,
genera las señales de control necesarias para la correcta ejecución de la instrucción
actual.
Dentro de la UC existe un reloj o generador de pulsos que sincroniza todas las
operaciones elementales de la computadora. El período de esta señal se le denomina
tiempo de ciclo. La frecuencia del reloj, medida en MegaHercios (MHz), es un
parámetro que en parte determina la velocidad de funcionamiento de la
computadora.
El esquema de interconexión representado en la figura puede variar dependiendo de la
computadora. La computadora central está constituida por la UC, la ALU y la memoria
principal. Al conjunto formado por la UC y la ALU se le conoce con las siglas CPU
(Central Processing Unit).
Otra unidad de información ligada a la computadora es la palabra. Una palabra está
formada por un número entero de bits (8, 16, 32, ...) e indica el tamaño de los datos con
los que opera la ALU (palabra de CPU) o de los datos transferidos entre CPU y
memoria (palabra de memoria). La longitud de palabra determina, entre otras cosas, la
precisión de los cálculos y la variedad del repertorio de instrucciones.
La longitud de palabra, el tiempo de ciclo del reloj y la capacidad de memoria, son
factores determinantes para establecer la potencia de una computadora.
Aunque actualmente las computadoras son bastante más complejas, conceptualmente el
esquema visto sigue siendo válido. Hace unas décadas cada una de las distintas
unidades representadas equivalía a un armario independiente conectado por mangueras
de cables al resto de las unidades. Actualmente, y debido fundamentalmente al
desarrollo de la microelectrónico, varias unidades funcionales pueden estar en una
misma tarjeta de circuitos integrados 1 e incluso en un mismo circuito integrado. Por
ejemplo, actualmente, la Unidad de Control, Unidad Aritmético Lógica y los registros
(de la CPU) están físicamente unidos en un chip al que se denomina microprocesador.
El microprocesador es el verdadero cerebro del ordenador. Desde el punto de vista
externo, un microprocesador es un chip cuadrado con un tamaño superior al del resto de
los chips de la placa base. Un microordenador (o microcomputador) es un computador
cuyo procesador central es un microprocesador. Conviene destacar el hecho de que el
prefijo micro en este caso hace referencia al tamaño de la CPU y no a las prestaciones
de la misma.
¿Cuál es el funcionamiento básico de un ordenador?
La filosofía general del ordenador es muy simple: Recibe datos del usuario a través de
las unidades de entrada, los procesa con la CPU y presenta el resultado mediante las
unidades de salida. Pero la CPU no recibe los datos directamente de la unidad de
entrada ni los envía directamente a la unidad de salida. Existe una zona de
almacenamiento temporal, la memoria RAM, que sirve como lugar de paso obligatorio
para acceder a la CPU.
Dentro de la CPU, el funcionamiento es el siguiente: Una vez almacenado el programa a
ejecutar y los datos necesarios en la memoria principal, la Unidad de Control va
decodificando (analizando) instrucción a instrucción. Al decodificar una instrucción
detecta las unidades (ALU, dispositivos de entrada, salida o memoria) implicadas, y
envía señales de control a las mismas con las cuales les indica la acción a realizar y la
dirección de los datos implicados. Las unidades implicadas a su vez, cuando terminen
de operar sobre los datos, enviarán señales a la UC indicando que la acción se ha
realizado o bien el problema que ha imposibilitado que se haga.
En líneas generales podríamos decir que el funcionamiento del ordenador se rige por
dos principios:
- La CPU es la única que puede procesar los datos (lo cual implica que los datos
tienen que llegar de alguna forma a la CPU para ser procesados), y
- la CPU sólo puede acceder a los datos almacenados en memoria RAM.
Estos dos principios tienen un corolario muy claro que ya fue señalado anteriormente:
Todos los datos, absolutamente todos, tiene que pasar por la memoria RAM para que
desde allí puedan ser leídos por la CPU.
4.CLASIFICACIÓN DE LOS ORDENAORES
Actualmente es difícil dar una clasificación general de las computadoras pues los
avances tecnológicos han permitido clasificar como ordenador personal máquinas con
más capacidad de proceso que antiguas macrocomputadoras. La siguiente clasificación
está hecha, básicamente, de mayor a menor tamaño, precio, velocidad y fiabilidad.
2.
MAINFRAMES
Los mainframes, supercomputadoras o macrocomputadoras, son máquinas de gran
capacidad de proceso, velocidad, fiabilidad y tamaño. Su precio puede oscilar desde
30000 hasta muchos millones de euros. Se usan donde muchas personas en una
gran organización necesitan tener acceso frecuente a la misma información.
Son, por tanto, multiusuario por lo que generalmente puede haber cientos de
usuarios conectados y trabajando a la vez con el mainframe. Cada uno de estos
usuarios puede trabajar en un microordenador (que tiene capacidad de proceso) o
simplemente en un terminal, que es un aparato sin capacidad de proceso destinado
simplemente e enviar y recibir los mensajes al mainframe.
Era común que las computadoras mainframe ocuparan cuartos enteros e incluso todo
un piso de un gran edificio. En la actualidad, una computadora mainframe típica
luce como un archivador o una hilera de archivadores, aunque aún puede requerir un
ambiente más o menos controlado.
4.1.
MINIORDENADORES
Los miniordenadores o superminicomputadores son máquinas muy potentes pero de
menor potencia, tamaño, velocidad, fiabilidad y precio que los mainframes. Son
también multiusuario pero su número de usuarios máximo suele ser menor de 150
aproximadamente.
Son ideales para muchas organizaciones y compañías que no pueden costear o no
necesitan un sistema mainframe. Las ninicomputadoras son relativamente baratas
pero tienen algunas de las características deseables de una mainframe.
Las WorkStation (estaciones de trabajo) son un tipo de ordenadores que están a
medio camino entre los minis y los microordenadores. Son ordenadores potentes y
generalmente usados por científicos, ingenieros, artistas gráficos, animadores y
programadores. Aunque actualmente han disminuido las diferencias entre las
estaciones de trabajo y algunos PC, debido al incesante incremento de la potencia y
popularidad de estos últimos. Algunos de los principales fabricantes de estaciones
de trabajo son IBM, Sun Microsystems, Silicon Graphics Incorporated.
4.2.
MICROCOMPUTADORAS
Son ordenadores de pequeño tamaño y precio y cada vez más potentes y fiables. Sus
características han hecho posible que la informática se introduzca casi como un
electrodoméstico imprescindible y de ahí su nombre de ordenadores personales (PC,
Personal Computer).
Los avances tecnológicos han conseguido que estos ordenadores tengan, a veces,
más capacidad de proceso que algunos antiguos mainframes. Aunque pueden usarse
multiusuario, por sus características son normalmente monousuario y con un S.O.
apropiado se consigue que sean multitarea, es decir, que puedan ejecutar varios
programas a la vez.
El estilo de computadora personal introducido al principio fue el modelo de
escritorio, los cuales son bastante pequeños para caber en un escritorio pero
demasiado grandes para que el usuario pueda llevarlas consigo. Los ordenadores
portátiles o notebook pueden caber con facilidad dentro de un portafolios. También
se les llama laptops (“de regazo”) y son microcomputadoras funcionales por
completo. Pueden operar conectadas a la corriente o con baterías especiales. Las
asistentes personales digitales (PDA) son las más pequeñas de las computadoras
portátiles. Son mucho menos potentes que los modelos notebook o los de escritorio.
Por lo general se usan para aplicaciones especiales y pueden conectarse a
computadoras más grandes para intercambiar datos.
4.INFORMES PROPUESTOS
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El código internacional Unicode: ventajas, tipos y características principales.
Una hoja de cálculo: para qué sirve y cómo se utiliza.
Aplicaciones de la informática: domótica, robótica.