FUNDAMENTOS DE INFORMATICA

FUNDAMENTOS DE
INFORMATICA
TEMAS QUE SE TRATARÁN:
• Arquitectura Interna
• Sistemas Operativos
• Programación en Visual Basic
• Bases de Datos
• Redes e Internet
1
FUNDAMENTOS DE
INFORMATICA
Tema 1: Arquitectura interna
de un computador y
periféricos.
Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática
Universidad de Vigo
2
Índice.
• Introducción.
– Conceptos básicos.
• Arquitectura
– Modelo Von Neumann
– Modelo en bus.
• Componentes de un Ordenador.
– Memoria
•
•
•
•
Representación de la información
Capacidad
Memoria principal
Memoria secundaria
– Buses
– Procesadores
• Funciones
Fundamentos de informática: Arquitectura interna de un computador, periféricos.
3
Índice.
• Dispositivos Periféricos de entrada/salida
–
–
–
–
–
Gestión de E/S
Tarjetas de expansión de E/S
Dispositivos de Entrada
Dispositivos de Salida
Otros dispositivos de E/S
Fundamentos de informática: Arquitectura interna de un computador, periféricos.
4
Introducción: Conceptos básicos.
• Niveles de abstracción
• El HARDWARE (Capítulo 1)
– Es la parte física, los chips, las tarjetas, placas, etc
– Trabaja en lógica binaria
• El SOFTWARE (Resto del curso)
– Ensamblador
– Lenguajes de programación de bajo nivel
– Lenguajes de programación de alto nivel.
• Usuario.
5
Introducción: Conceptos básicos.
• Computador: Máquina destinada a procesar
información, entendiéndose por proceso las
sucesivas manipulaciones de la información para
resolver un problema.
• Instrucción: Operación básica que realiza el
computador.
• Dato: Operando o resultado de una operación.
• Programa: Conjunto ordenado de instrucciones.
Por ejemplo, un juego de ordenador
• Proceso: programa en ejecución.
6
Introducción: Conceptos básicos.
Pantalla
Teclado
Ratón
Ordenador,
computadora
ó PC
Periféricos
ó
dispositivos de E/S
7
Introducción: Conceptos básicos.
• ¿Cómo se
conectan los
dispositivos de
E/S?
Dispositivos
del
ordenador
conectores
Control
dispositivo
E/S 1
Control
dispositivo
E/S 2
Bus
Ordenador
8
Introducción: Conceptos básicos.
¿Cómo se conectan los dispositivos de E/S?
Conector de ratón y teclado
Puertos E/S
• 2 puertos USB
• 1 puerto serie
• 1 puerto paralelo
Conector de pantalla
Conectores de tarjeta sonido
• micrófono
• altavoces
• línea de entrada
Ranuras libres para añadir otras tarjetas de expansión E/S
9
Componentes del ordenador
• La memoria
– Almacena la información
• Bus
– Canal a través del que se intercambia la información
• La CPU
– Se encarga del procesado de la información
• Dispositivos E/S
– Entrada y salida de datos
• Con el usuario
• Con otros ordenadores o dispositivos electrónicos
10
Modelo Von Neumann
• Denominado así por su inventor Von Neumann.
• No se distingue entre instrucciones y datos (en memoria principal)
• Se compone de 5 elementos:
Unidad
de
control
Unidad
de
entrada
Unidad
aritmético
-lógica
Unidad
de
memoria
Unidad
de
salida
11
Modelo en bus
• Se trata de un refinamiento del modelo Von Neumann.
• Las comunicaciones entre los componentes se realiza a través de un
canal compartido que se denomina bus
Unidad
de
memoria
CPU
(ALU y
control)
Entrada
y
salida
Bus de datos
Bus de
sistema
Bus de dirección
Bus de control
12
Memoria
– Almacena la información
• Programas y datos
– Memoria principal (chips)
• Sólo almacena información si el PC está encendido
• El acceso a ella es mas rápido que la secundaria
– Memoria secundaria (discos duros, ópticos, etc)
• La información se almacena de forma permanente
• El acceso es más lento
13
Memoria
• ¿Cómo almacena la información?
– En celdas
– Cada celda tiene una dirección
– Para recuperar información de la memoria:
• Indicarle la dirección (posición) que queremos
• Leer la información
14
Memoria: Representación de la información
• Qué hay en cada celda?
– Los circuitos digitales usan dos niveles de tensión.
– En general un nivel se representa con el “0” y otro con el “1”.
– En cada posición (celda) podremos almacenar un conjunto de
dígitos binarios denominados BITs (BInary digiTs). Una
agrupación muy utilizada es la formada por 8 bits. Esta agrupación
se conoce con el nombre de BYTE.
– En la memoria secundaria con soportes magnéticos y ópticos no se
usan tensiones pero se trabaja igualmente con bits o grupos de
estos.
15
Representación binaria. Números
La representación decimal que usamos nosotros es base 10
donde la posición de cada dígito indica el exponente.
Por ejemplo
• 123410 = 1 *103 + 2 * 102 + 3 * 101 + 4 * 100
De forma similar, un número binario se usa base 2
Por ejemplo:
• 10112 = 1 * 23 + 0 * 22 + 1 * 21 + 1 * 20
• Por tanto 1011 en binario es 11 en decimal.
16
Representación de Caracteres
• Nos es sencillo trabajar con caracteres pero no con códigos
binarios.
• ¿Cómo almacenan los ordenadores los caracteres?
• Los caracteres se codifican como una secuencia de bits.
• Por ejemplo, para representar un alfabeto de 128 caracteres
diferentes se necesita una secuencia de 7 bits.
• El código alfanumérico más común es el ASCII - American
Standard Code for Information Interchange.
17
Códigos ASCII (ejemplo)
Ejemplo: Teniendo en cuenta estos códigos:
código ASCII
h
→
1101000
o
→
1101111
l
→
1101100
a
→
1100001
la palabra “hola” se almacenaría en una memoria con celdas
de 8 bits:
hola
->
01101000 01101111 01101100 01100001
18
Capacidad de la memoria
• En cada dirección de memoria tenemos una serie de bits 8 que
se conocen como byte. Hoy también se usan agrupaciones de
16 e incluso 32 bits.
• Se usan medidas mayores para definir la capacidad:
– 1 KiloByte o KB = 1024 Bytes
– 1 MegaByte o MB = 1024 KB
– 1 GigaByte o GB = 1024 MB
• Capacidad típica de un PC hoy:
– Memoria principal es entre 128 y 500 MB
– Disco duro (memoria secundaria) 40GB
19
Memoria principal
• La memoria principal debe ser leída por el procesador
en cada instrucción para cargar la instrucción y los
datos implicados.
• La velocidad de la memoria principal ha limitado la
velocidad de procesado durante mucho tiempo.
• La memoria principal debe ser de acceso aleatorio
(RAM) lo que quiere decir que se puede acceder en
cualquier orden (al contrario de una cinta por ejemplo).
• Existe gran diversidad de tecnologías.
• DRAM, SDRAM, DDR, RDRAM
20
Memoria secundaria
• Los sistemas de almacenamiento secundarios mas
usados:
– Cintas magnéticas
– Discos magnéticos (floppy disks, discos duros, etc)
– Discos ópticos (CDR, DVD, etc.)
• El acceso a estos dispositivos es generalmente quasialeatorio o secuencial, a diferencia del acceso a la
memoria principal (totalmente aleatorio). Ello se debe,
por lo general, a la presencia de elementos mecánicos.
21
Memoria secundaria
disco óptico
DVD
disco flexible
Pueden ser internas o externas
disco duro
22
Cintas magnéticas
• La información se almacena de forma secuencial a lo largo de la
cinta en distintas pistas paralelas a lo ancho de la cinta.
• Las cintas se usan solamente cuando la información se almacena y
recupera de forma secuencial.
Byte 1
Byte 2
Salto entre registros
Pista 1
Pista 9
Registro físico
Dirección de movimiento
23
Discos magnéticos
• Al igual que las cintas, la información se almacena usando las
propiedades magnéticas del material.
• La información se almacena en círculos concéntricos (pistas) en
un disco.
• El disco gira a altas velocidades y una cabeza se mueve sobre las
distintas pistas concéntricas.
• La cabeza se puede mover a una pista cualquiera proporcionando
de alguna forma acceso aleatorio. Sin embargo, el controlador
debe esperar a que la información a leer dentro de la pista pase
por debajo de la cabeza.
24
Estructura de un disco
Pistas
Sector
Cabeza
lectora
• Sobre todo en el caso de discos duros puede haber varios en
paralelo formando un cilindro.
• Las pistas se dividen en sectores. Normalmente entre 10 y 100
sectores por pista. Un sector contiene un número de bytes (caso
típico 512) almacenados de forma secuencial.
25
Buses
• La CPU se comunica con la memoria y dispositivos de E/S a
través de unos canales denominados buses.
• Un bus se puede ver como un conjunto de hilos por donde circula
información (niveles de tensión).
• Tipos de buses:
– Bus de datos. Por donde circulan los datos.
• Los PC actuales tienen sobre 64 bits.
– Bus de direcciones. Por donde circulan las direcciones que indican de
donde obtener los datos.
• Los PC actuales tienen sobre 32 bits para poder direccionar hasta 4 G (232).
– Bus de control para señales de control.
26
Procesadores (CPU)
• La CPU (Central Processing Unit) es el núcleo central del
ordenador
• Su función es ejecutar programas que están almacenados en
memoria principal.
• Las instrucciones son cargadas, examinadas y ejecutadas de
forma secuencial. Existen no obstante instrucciones de salto.
• La CPU también contiene un conjunto de celdas de memoria
muy reducido y de rápido acceso denominadas registros.
27
Funciones de las partes de la CPU
• Los Registros son como las celdas de la memoria y se usan para
almacenar resultados temporales.
• Unidad Aritmético-lógica
– Hardware que realiza operaciones básicas
– Ejemplos:
• Suma, resta, operaciones lógicas (and, or, etc)
• A veces multiplicaciones, divisiones, etc
28
Componentes de la CPU
•
•
•
•
•
•
•
La UC genera señales de control para todas las partes de la CPU.
Informa a cada sección acerca de qué hacer y cuándo.
Los registros sólo almacenan datos bajo indicación de la UC
La ALU espera que la UC le indique qué operación hacer y cuando
La memoria almacena o lee datos bajo indicación de la UC.
El reloj marca los distintos intervalos de operación.
La velocidad (operaciones por segundo) esta determinado
principalmente por la velocidad del reloj.
• Hoy del orden de los Ghz.
29
Entrada/salida
• Los ordenadores no serían de utilidad si no pudieran intercambiar
información con el exterior.
• La mayoría de los ordenadores poseen un sistema de entrada-salida
separado (sistemas de E/S).
• La idea básica es transferir información entre memoria y los
dispositivos de entrada/salida.
• DMA (Direct Memory Access) evita usar la CPU cuando sea
posible.
30
Gestión de los dispositivos E/S
• Por consulta
– Periódicamente se consulta al controlador de
dispositivo si tiene datos y se le envían
comandos.
• Por interrupción
– Cuando el dispositivo quiere comunicar algo, el
controlador interrumpe a la CPU
– El número de interrupción se establece para
saber de qué dispositivo se trata.
31
Gestión de dispositivos E/S
• ¿Qué es el DMA (Direct Memory Access)?
• Si toda la transmisión de datos entre la memoria y los
dispositivos de E/S lo llevase a cabo la CPU, el sistema sería
muy lento
• La mayoría de los controladores E/S poseen HW especial
para ocuparse de la transferencia de datos hacia/desde la
memoria
• Esto es lo que se denomina Direct Memory Access.
• La CPU establece dos registros en el controlador E/S:
– Uno almacena la dirección de memoria de comienzo
– Otro el número de palabras a transmitir
• El controlador transfiere la información e interrumpe a la
CPU cuando acaba.
32
Tarjetas de expansión E/S
• Este tipo de tarjetas se encargan de la gestión de dispositivos.
• Tarjetas que implementan el protocolo serie RS232 son un ejemplo.
• Podemos conectar a la tarjeta serie dispositivos que usen este
protocolo como el ratón.
• RS232 es una norma para conexión serie. Así el valor binario
10011110 se transmite como
– 1 seguido de 0 seguido de 0 seguido de 1 etc etc
CPU
Memoria
'abc'
Tarjeta
E/S
serie
Cable RS232
33
Dispositivos de Entrada
•Teclado
teclado
¾Dependientes del idioma
•Ratón
¾Mecánicos
¾Ópticos
•Scanner
scanner
ratón
¾Píxel por pulgada
¾Puede usarse con un OCR
•Tablilla digital
¾Interesante para dibujos
•Webcam
Tabla digital
34
Dispositivos de Salida
•Pantalla
¾TRC
¾Plana
•Impresora
¾Agujas
¾Láser
¾Tinta
•Plotter
Pantalla
Impresora
Plotter
35
Otros dispositivos de E/S
•¿Qué podemos conectar a un PC?
¾Tarjetas de sonido
¾Tarjetas de red para conectarse a redes
¾Tarjetas de TV.
¾...
•Conexiones estándar:
¾Puerto serie
¾Puerto paralelo
¾USB
¾Conector VGA
¾SCSI
¾...
36
Placa base para CPU Pentium IV
(Asus P4T)
Conector de
potencia
Ranuras para
memoria
Zócalo para
conectar
CPU Pentium IV
Conector de
E/S básicos
Puentes de
configuración
Conectores
IDE para
HD, CD,..
Ranuras para
Tarjetas de
expansión E/S
37
Algunos detalles
Zócalo
de la
CPU
Cable
plano para
conectar
HD, CD, ...
Tarjeta de video
Memoria DIMM
Ventilador sobre el micro
38
Bibliografía
• Fundamentos de los ordenadores (capítulo 1)
Autor: Pedro de Miguel Anasagasti
Editorial: Paraninfo
39